Квантование телевизионного сигнала

Квантование сигнала по уровню заключается в нахождении для каждого отсчета сигнала ближайшего к нему уровня квантования из используемого набора уровней квантования или, говоря проще, округлении значений отсчетов сигнала до ближайших уровней квантования. Количество уровней квантования N связано с числом двоичных разрядов АЦП n соотношением ‚ N _КВ = 2ⁿ.

На рисунке 1.8,а показан дискретный сигнал, содержащий 256 отсчетов (отдельные отсчеты в этом масштабе не различимы), значения уровня сигнала измеряются в вольтах и изменяются непрерывно, т.е. квантования нет. На рисунке 1.8,б показан тот же сигнал после квантования с числом двоичных разрядов n = 4, т.е. имеющий 16 уровней квантования. На рисунке 1.8,в показаны значения величины ошибки Δ u, вносимой в сигнал операцией квантования. При этом предполагается, что квантование осуществляется путем усечения значения сигнала до ближайшего снизу уровня квантования. Величина ошибки квантования Δ u изменяется в пределах от 0 до h.

Рисунок 1.8 — Сигнал до квантования (а), сигнал после квантования (б),

ошибка квантования (в)

Ошибка квантования является случайной величиной, поэтому ее часто называют шумом квантования. На изображении шум квантования может проявляться различным образом в зависимости от характера изменений яркости или цвета на данном участке изображения.

На участках, состоящих из мелких деталей, квантование приведет к случайным изменениям их яркости или цвета. На участках изображения с плавным изменением уровня видеосигнала квантование может привести к возникновению ложных контуров по тем линиям, на которых уровень видеосигнала переходит с одного уровня квантования на другой. Равномерное квантование телевизионного сигнала, вообще говоря, не является наилучшим. Это обусловлено в первую очередь свойствами зрительного аппарата человека. В соответствии с экспериментальным законом Вебера-Фехнера пороговое превышение яркости объекта над фоном, при котором объект различается наблюдателем, равно 1,5…2,0% от величины яркости фона В ₀. Таким образом, с ростом яркости фона растет и порог Δ В _ПОР. Отсюда следует, что в области значений телевизионного сигнала, близких к уровню черного, шаг квантования должен быть меньше, чем в области, близкой к уровню белого.

Однако техническая реализация неравномерного квантования существенно сложнее, чем равномерного. Вместо использования переменного шага квантования обычно выполняют предварительное нелинейное преобразование видеосигнала — гамма-коррекцию. При этом решается одновременно две задачи. Во-первых, корректируется нелинейность передаточной характеристики кинескопа и обеспечивается оптимальная форма передаточной характеристики всего тракта телевизионной системы «от света до света». Во-вторых, уменьшается влияние ошибок квантования при малых уровнях яркости изображения.

Передаточная характеристика гамма-корректора описывается соотношением

(U_ВЫХ / U_{ВЫХ М}) = (U_ВХ / U_{ВХ М})^γ,

где U_ВХ и U_ВЫХ — напряжения сигналов на входе и на выходе гамма-корректора; U_{ВХ М} и U_{ВЫХ М} — максимальные значения диапазонов напряжений сигналов на входе и выходе гамма-корректора; γ = 0,42…0,48 — показатель гамма-коррекции.

График передаточной характеристики гамма-корректора для γ, равного 0,45, показан на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 — Передаточная функция гамма-корректора

В системах цифрового телевидения, как правило, применяется равномерное квантование прошедших гамма-коррекцию сигналов с числом двоичных разрядов АЦП n = 8, что дает количество уровней квантования N_КВ = 256. При этих условиях шум квантования на изображении практически незаметен. В последние годы все чаще применяется квантование с числом двоичных разрядов n = 10, что позволяет еще улучшить качество изображения.

Произведя «нумерацию» уровней квантования, можно передавать не сами уровни, а их значения по шкале уровней в двоичном коде. Полученная в результате этого преобразования импульсная последовательность является групповым ИКМ сигналом.

На выходе АЦП полученный номер уровня квантования представляется в виде двоичного числа, т.е. выполняется кодирование (оцифровка). При числе разрядов АЦП, равном 8, значения цифрового сигнала представляются числа ми от 00000000 до 11111111 в порядке нарастания их величины.

Число уровней квантования в цифровом сигнале может изменяться. Пусть, например, цифровой сигнал имел число двоичных разрядов n = 8, а в результате повторного квантования этого сигнала число разрядов уменьшается до n = 4. При выполнении этой операции сначала производится округление каждого 8-разрядного числа до ближайшего 8-разрядного числа, у которого 4 младших разряда равны 0. Так, число 10101010 округляется до 10110000, а число 11010011 — до числа 11010000. Затем 4 младших разряда отбрасываются, и остаются числа 1011 и 1101, соответственно.

Обратную операцию, при которой число двоичных разрядов в цифровом сигнале увеличивается, будем называть деквантованием. Самый простой вариант выполнения деквантования — добавить справа к каждому числу, входящему в цифровой сигнал, нужное количество нулей. Тогда числа из приведенного выше примера превратятся снова в 10110000 и 11010000, но точные значения их младших разрядов, потерянные при повторном квантовании, восстановить нельзя. Поэтому следует запомнить, что квантование вносит необратимые искажения в сигнал. Отметим также, что в последующем изложении повторное квантование, как правило, будет называться просто квантованием.

В Рекомендации 601 для всех сигналов предусмотрено число разрядов квантования n = 8, что дает число уровней квантования Nкв = 256. При этом уровню черного сигнала яркости соответствует 16-й уровень квантования, а номинальному уровню белого — 235-й уровень квантования. 16 уровней квантования снизу и 20 уровней квантования сверху образуют резервные зоны на случай выхода значений аналогового сигнала яркости за пределы номинального диапазона. Особые назначения имеют 0-й и 255-й уровни квантования. С помощью соответствующих им кодов передаются сигналы синхронизации. Аналого-цифровое преобразование сигнала яркости описывается соотношением

Y = Round (219 E’_Y) + 16,

где Е′_Y — аналоговый сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 0 до 1 В (штрих, как это принято в технической литературе по телевидению, означает, что сигнал прошел гамма-коррекцию); Y — цифровой сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 16 до 235; Round (X) — операция округления числа X до целого.

При квантовании цветоразностных сигналов также предусматриваются резервные зоны — по 16 уровней квантования сверху и снизу. На АЦП поступают не сами цветоразностные сигналы E′_R_-_Y, E′_B_-_Y, а компрессированные цветоразностные сигналы, формируемые в соответствии с соотношениями

Е_CR = 0,713 Е′_R_-_Y; Е_CB = 0,564 Е′_B_-_Y

Уровни сигналов Е_CR и Е_CB изменяются в диапазоне от – 0,5 В до 0,5 В.

Аналого-цифровые преобразования цветоразностных сигналов, в результате которых получаются цифровые цветоразностные сигналы C_R и C_B, выполняются в соответствии со следующими соотношениями

C_R = Round (224 Е’_CR) + 128,

C_B = Round (224 Е’_CB) + 128.

Так как цветоразностные сигналы являются двуполярными, и максимальные отклонения от нулевого значения в положительную и отрицательную стороны примерно одинаковы, 128-й уровень квантования должен соответствовать нулевому значению этих сигналов. Старший бит в цифровом цветоразностном сигнале показывает полярность аналогового цветоразностного сигнала.

На рисунке 1.10 показано соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования для обычного тестового изображения в виде восьми цветных полос.

Рисунок 1.10 — Соответствие между уровнями аналоговых телевизионных

сигналов и уровнями квантования по Рекомендации ITU-R ВТ 601

В состав цифрового телевизионного сигнала согласно Рекомендации ITU-R ВТ 601 входят синхросигналы. Перед началом активного участка каждой строки в конце строчного гасящего импульса передается синхросигнал «Начало активной строки — НАС» (SAV — Start Active Video), а после окончания активного участка каждой строки в начале строчного гасящего импульса передается синхросигнал «Конец активной строки — КАС» (EAV — End Active Video) (рисунок 1.10). Каждый из сигналов содержит 4 символа, в том числе один символ единиц, два символа нулей (уровни квантования соответственно 1024 и 0, не используемые для видеоданных) и информационный символ, указывающий на тип сигнала и перемежение. Распознавание синхросигналов производится по 8 старшим битам. При выбранной частоте дискретизации 13,5 МГц и стандарте разложения 625 строк на периоде строки укладываются 864 периода, из которых для передачи полезных данных используются только 720, называемые активной частью строки. Начало цифровой строки совпадает с серединой переднего фронта строчного синхроимпульса. Чтобы передать 720 отсчетов сигнала яркости и по 360 отсчетов сигналов С_R и С_B, тактовая частота выбирается равной 27 МГц (для формата сигнала 16:9 частота дискретизации 18 МГц и тактовая частота 36 МГц). В стандарте 525 строк число циклов несколько меньше, но активная часть строки содержит те же 720 периодов, и формат передачи данных одинаков.