2014-01-25
957
Обобщенная структурная схема тракта цифрового ТВ.
Общие характеристики форматов сжатия MPEG
Основные понятия.
ТВ системы, где для передачи, консервации, обработки и приема используется аналоговый сигнал, называются аналоговыми. Эти системы имеют ряд недостатков, серьезно, сужающие возможности развития ТВ. Одним из главных является низкая помехоустойчивость аналогового сигнала, который подвергается воздействию шумов и помех в каждом звене длиной цепи устройств преобразования и передачи сигналов, число звеньев которой с развитием ТВ сильно увеличивается. При аналоговой системе передачи помехи каждого звена накапливаются. Сейчас используется большое количество аппаратуры различных спецэффектов, разнообразящих передачу, но требующих дополнительных преобразований сигналов. Поэтому повышение помехозащищенности приобретает все более важное значение. Существенно уменьшить искажения от помех и решить ряд других задач позволяют цифровые методы.
Цифровое ТВ – область ТВ техники, в которой операции обработки, консервации и передачи ТВ сигнала связаны с его преобразованием в цифровую форму.
Цифровые системы ТВ различают 2 типов:
1. Полностью цифровой в которой аналого-цифровое и цифро-аналоговое, преобразование изображения производится непосредственно в преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет и во всех звеньях тракта сигнал передается в цифровой форме. Однако на данном этапе развития техники таких систем еще не существует.
2. Комбинированные, в которых аналоговый сигнал, получаемый с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается всей необходимой обработке, передаче или консервации, а затем вновь приобретает аналоговую форму.
В таких системах на вход тракта цифрового ТВ поступает аналоговый сигнал, где он кодируется, т.е. преобразуется в цифровую форму. Это преобразование представляет комплекс операций, основными из которых являются: дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.
Дискретизация – замена непрерывного аналогового сигнала последовательностью отдельных во времени значений уровня сигнала (отсчетов), которые при равномерной дискретизации, выбираются по теореме Котельникова. По этой теореме для того чтобы передать любой непрерывный сигнал, имеющий ограниченный спектр частот (рис 14.1,а), достаточно передавать его значения с частотой дискретизацией ³2Fmax (рис.14.1,б),где Fmax – максимальная частота спектра исходного сигнала. Для восстановления исходного аналогового сигнала отсчеты необходимо пропустить через идеальный ФНЧ со срезом на Fmax.
В ТВ чаще всего применяется дискретизация с постоянной частотой, которая может быть связана, или не связана с частотами развертки. При жесткой связи получается постоянное число отсчетов в строке, соответствующее одним и тем же элементам изображения, а на изображении получается фиксированная ортогональная структура дискретизации, где отсчеты располагаются в узлах прямоугольной решетки. Этот способ сейчас наиболее распространен в цифровых устройствах ТВ вещания.
После дискретизации следует процесс квантования – замене мгновенных значений отсчетов ближайшими из набора отдельных фиксированных уровней (уровней квантования). Это тоже дискретизация, но не времени, а по уровню (рис.14.1,в). При этомразница между уровнями квантования называется шагом квантования, а округление отсчетов до верхнего или нижнего уровня определяется порогом квантования. По своему смыслу операция квантования предполагает появление ошибки между истинным значением сигнала и его квантованным приближением – ошибки или шумов квантования. Если собственные шумы аналоговой системы
Рис.14.1. Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму
невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются в виде ложных контуров, особенно заметных при «грубом» квантовании, когда число уровней недостаточно. Если же шумы аналоговой системы велики, шумы квантования сказываются как равномерно распределенные шумы, что зрительно увеличивает зашумленность изображения. На цветном изображение это сказывается в виде цветных узоров. Для улучшения качества изображения требуется увеличивать число уровней квантования, а для уменьшения размера цифрового поток применяют нелинейную шкалу квантования, основанную на законе Вебера-Фехнера (ощущение приращения яркости пропорционально логарифму отношения конечной яркости к начальной). При этом виде квантования шаги его увеличиваются к верхней части диапазона. Экспериментально доказано, что при 27 уровнях мы получаем качество изображения, соответствующее 28. Возможность восстановления сигнала по его квантованному приближению вытекает из ограниченности контрастной и цветовой чувствительности зрительной системы человека.
Заключительная операция преобразования аналогового сигнала в цифровую форму - кодирование – заменой квантованного значения отсчета соответствующим двоичным числом кодовой комбинацией символов (рис.14.1,г). Способ кодирования, в котором значения отсчетов представляются натуральном двоичном коде, называется импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).
Дискретизация, квантование и кодирование обычно выполняются одним устройством – аналого-цифровым преобразователем (АЦП), а обратное преобразование производится в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП).
Исследования цифрового способа передачи применительно к ТВ начались еще в 30-е годы, но лишь недавно началось его применение в вещательном ТВ. Это обусловлено жесткими требованиями к быстродействию устройств преобразования и передачи цифрового сигнала поскольку для вещательного ТВ сигнала с верхней частотой спектра 6 МГц необходима частота дискретизации fтакт=12 МГц. В системах ЦТВ для унификации цифрового ТВ сигнала стандартов различных стран ее устанавливают равной 13,5 МГц. Для обеспечения максимального числа градаций яркости различимых глазом, которое колеблется от 100 до 200 необходимо использовать 7 или 8 разрядный код, обеспечивающий 128 или 256 полутонов. При этом скорость передачи составит C=Nfтакт= 8*13.5=108 Мбит/с, где N – разрядность кода. Таким высоким быстродействием должны обладать как устройства обработки ТВ сигнала, так и каналы связи для его передачи, что технически трудно реализуемо
Для сокращения требуемой скорости передачи используют специальные методы сжатия ТВ сигналов, за счет устранения информационной избыточности, которую разделяют условно на статистическую и физиологическую.
Статистическая избыточность определяется свойствами изображений, которые не являются в общем случае хаотическим распределением яркостей, а описываются законами, устанавливающими определенные связи (корреляцию) между яркостями отдельных элементов. Особенно велика корреляция между соседними в пространстве и времени элементами изображения, что позволяет не передавать многократно одну и ту же информацию, и тем самым сократить цифровой поток.
Физиологическая избыточность обуславливается ограниченностью возможностей зрительного аппарата человека, то есть можно не передавать в сигнале информацию, которая не будет воспринята нашим зрением.
Экспериментально установлено, что в зрительном анализаторе человека существуют совокупности рецепторов – рецептивные поля – которые обрабатывают одновременно большие группы элементов, причем реагируя не столько на яркость, сколько на форму, выделяя наиболее информативные части – контуры, перепады яркости. Это позволяет восстанавливать целостные контуры, даже когда они нарушены из-за помех. Т.е. и в ТВ можно ограничиться передачей определенных конфигураций и при этом сократить число передаваемых элементов. Например, при ортогональной структуре дискретизации обнаруживается чрезмерная избыточность по диагональным направлениям. Для устранения этого используют более совершенную шахматную структуру.
Большое значение на эффективность цифрового сигнала оказывает способ кодирования. Так ИКМ имеет низкую чувствительность к шумам, помехам и искажениям, простоту восстановления, однако требует очень высоких скоростей передачи, поскольку не устраняет избыточной информации в соседних элементах. Поэтому сейчас нашли применение более эффективные методы кодирования, которые можно условно разбить на три группы: кодирование с предсказанием, групповое кодирование с преобразованием и адаптивное групповое кодирование.
Кодирование с предсказанием заключается в передаче вместо истинного значения сигнала закодированной разности истинного и предсказанного значений, из-за чего они получили название систем с дифференциальной ИКМ – ДИКМ.
Групповые методы кодирования основаны на передаче вместо каждого из дискретных отсчетов определенных линейных комбинаций из совокупности этих отсчетов. Групповые методы кодирования обеспечивают более высокие качественные показатели, чем ДИКМ. Их эффективность меньше зависит от статистических свойств изображений и они менее подвержены канальным ошибкам. В наиболее совершенных системах на элемент изображения требуется только 0,5 – 1 бит. Их недостатком является сложность реализации.
