Цифровое кодирование телевизионного сигнала

Общие сведения. Заключительной операцией в преобразовании аналогового сигнала в цифровой является кодирование квантованных отсчетов в виде последовательности импульсов. Чаще всего эта последовательность реализуется в двоичной форме, где m уровням квантования входной видеоинформации соответствует k = log ₂ m кодовых импульсов. Как уже отмечалось, такой метод кодирования получил название импульсно-кодовой модуляции. Он стал класси­чес­ким и универсальным методом, применяемым при обработке и передаче ви­део­информации. К достоинствам ИКМ следует отнести универсальность двоич­ной формы представления, используемой для всех операций над ТВ сигналами, низкую чувствительность к шумам, интерференционным помехам и искажениям, связанным с передачей и записью сигналов, а также простоту восстановления цифрового сигнала путем регенерации его формы. Однако с точки зрения скорости передачи ИКМ недостаточно эффективна, так как ее практическое применение связано с необходимостью обеспечения высоких скоростей передачи. Объясняется это тем, что импульсно-кодовой модуляции в телевидении присуща значительная избыточность в передаваемой информации. Ведь, несмотря на равновероятность любых из возможных уровней яркости (цветности) для одного элемента изображения, содержание соседствующих с ним элементов мало отличается или не отличается вовсе. Статистический анализ телевизионного изображения устанавливает сильные корреляционные связи между соседними элементами. При поэлементной передаче яркостиили цветности изображения, присущей методу ИКМ, в канал, таким образом, посылается одна и та же или мало отличающаяся по содержанию информация.

В настоящее время существует много приемов по сокращению избыточности телевизионного сигнала. Эти приемы связаны с более эффективным кодированием по сравнению с ИКМ. Весьма условно их можно разделить на три класса: кодирование ТВ сигнала с предсказанием, групповое кодирование с преобразованием и адаптивное групповое кодирование. Рассмотрим все три принципа кодирования.

Кодирование с предсказанием. Как уже отмечалось, наличие сильных корреляционных связей между близко расположенными элементами изображения определяет нецелесообразность передачи полной информации о каждом элементе. Можно ограничиться передачей отсчета одного элемента, а остальные элементы, используя статистические законы, предсказать, т.е. вычислить с помощью специальных технических устройств на приемном конце системы.

Однако, как бы ни был совершенен аппарат, определяющий статистические связи в изображении, предсказание элементов по предыдущему отсчету или их совокупности всегда будет нести ошибку, обусловленную случайным характером распределения в изображения яркости и цветности. Эта ошибка должна быть для каждого элемента изображения учтена, скорректирована. Только при этом условии на приемном конце системы будет воссоздано изображение, соответствующее оригиналу.

Отсюда вытекает принцип кодирования сигнала с предсказанием: передача в каждом отсчете не истинного значения элемента, а кодированной разности между истинным значением и предсказанным, называемой ошибкой предсказания. Логично ожидать, что в сигна­ле ошибки содержится меньший объем информации, чем в полном от­счете.

Рис. 5.10.Структурная схема системы с предсказанием

Чтобы сформировать сигнал ошибки е (пТ), на передающем конце системы устанавливаются устройство предсказания, такое же, как и на приемном конце, и вычитающий каскад. На рис.5.10 вместо послед­него изображено суммирующее устройство, на входы которого пода­ются истинное значение отсчета и (пТ)и его приближенно предсказан­ное значение и (пТ)со знаком «минус». Сигнал ошибки е (пТ), содержащий в общем случае меньший объем информации по сравне­нию с сигналом и (пТ), будучи принят на другом конце системы, скла­дывается в суммирующем устройстве с предсказываемым значением и (пТ). В результате на приемном конце восстанавливается истинное значение сигнала и (пТ).

Из принципа работы системы с предсказанием следует, что чем точнее предсказывается сигнал и (пТ), тем меньше диапазон измене­ния сигнала ошибки е (пТ), тем меньшим числом бит может быть он передан, а значит, кодирование будет с этих позиций более эффектив­ным.

В простейшем случае в качестве предсказанного значения можно использовать значение предыдущего отсчета. Тогда «предсказатель» реализуется в виде задержки сигнала на время передачи одного эле­мента изображения. Указанный прием предсказания на первый взгляд не дает сокращения избыточности. Ведь сигнал ошибки е (пТ) при таком предсказании может принимать любые значения, вплоть до максимальных амплитуд самого сигнала и (пТ), да еще при этом меняя знак (разность между и (пТ)и и (пТ)может быть положительной и отрицательной). Однако, несмотря на увеличенный динамический ди­апазон, сигнал ошибки распределяется внутри него не равновероят­но. Вероятность его распределения аппроксимируется экспоненци­альной функцией с максимумом вероятности вокруг нуля и быстрым спадом вероятности для значений, отличных от него. Следовательно, сигнал ошибки с достаточно высокой достоверностью может быть проквантован значительно меньшим числом уровней, чем исходный отсчет. Это и обеспечивает экономию в объеме передаваемой инфор­мации.

Конечно, данный прием дает хорошие результаты лишь в среднестатистическом смысле, т.е. для всего изображения. Для деталей же изображения, содержащих резкие яркостные переходы и контуры, будут характерны (хотя и редкие в статистическом плане) всплески сигнала ошибки. При грубом квантовании они обусловят появление на изображении соответствующих искажений. Однако, как показыва­ет эксперимент, эти искажения благодаря особенностям зрения ока­зываются малозаметными. Известно, что зрительный аппарат хуже различает яркость мелких деталей; более того, физиологи обнаружи­ли явления, называемые латеральным (боковым) торможением, кото­рые подавляют фоновую составляющую изображения и подчеркива­ют в нем контуры и мелкие детали, выделяя тем самым наиболее информативную его часть. На фоне этих «искажений», обусловливае­мых алгоритмом работы зрительного аппарата, искажения из-за гру­бого квантования сигнала ошибки в области его больших значений становятся менее заметными. Сокращение числа уровней квантова­ния сигнала ошибки оказывается допустимым, таким образом, и для деталей изображения, содержащих резкие переходы и контуры.

Число уровней квантования сигнала ошибки для разных систем кодирования с предсказанием выбирается неодинаковым. Но что важно: шкала квантования существенно нелинейна и несимметрична относительно нуля.

Итак, принцип действия систем кодирования с предсказанием заключается в передаче вместо истинного значения сигнала закодиро­ванной разности истинного и предсказанного значений. В соответст­вии с этим принципом подобные системы кодирования получили еще одно название – системы с дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией (ДИКМ).

Простейшей из систем ДИКМ является система с дельта-модуля­цией. В этой системе сигнал ошибки квантуется всего на два уровня, т.е. фиксируется только знак ошибки. В качестве предсказателя при дельта-модуляции применяется интегратор, который линейно сумми­рует подаваемые на его вход с частотой дискретизации сигналы ошиб­ки ±d (рис.5.11). Поскольку последние в течение интервала дискрети­зации постоянны, суммирование их во времени обу­словит образование сигнала ступенчатой формы. Этот сигнал используется в качестве сигнала предсказания u (t)Вычтя его из исходного сигнала, получим после сумматора разностный сигнал e (t). Квантователь ог­раничивает этот сигнал всего двумя уровнями.

После преобразования полученного сигнала ошибки ±d в двоич­ный код его можно передавать. На приемном конце системы двоичный код сначала превращается в биполярные отсчеты ±d, а в кодирую­щем устройстве, представляющем собой описанный выше интегра­тор, формируется сигнал u (t). Этот сигнал и используется в качестве восстановленного, хотя он заметно отличается от исходного сигнала.

На рис.5.11, б изображены сигналы, формируемые в системе с дельта-модуляцией. Участок А характеризуется передачей относи­тельно резкого перепада яркости. Квантователь в этом случае выдает сигнала ошибки d только одного знака.

Рис. 5.11. Дельта-модуляция:

а – структурная схема системы; б – форма сигналов

Интегратор последовательно во времени их суммирует, образуя напряжение ступенчато-пилообразной формы. При этом последнее «не успевает» за изменением исходного сигнала, поскольку скорость нарастания сигнала предсказания не может превзойти некоторого значения, определяемого d и частотой дискретизации. В результате фронты в сигнале предсказания затягиваются по отношению к возможным быстрым перепадам в исходном сигнале. На участке Б, где исходный сигнал имеет сравнительно медленные изменения, сигнал предсказания достигает примерного равенства с ним. Однако при этом значение сигнала предсказания непрерывно колеблется вокруг значения исходного сигнала. Эти колебания происходят с амплитудой d и частотой дискретизации. Искажения, характеризующие затягивание фронтов в сигнале предсказания, получили название перегрузки по крутизне. Второй вид искажений, обусловленный ступенчатостью формы сигнала, определяет гранулярный шум изображения. Для уменьшения этих искажений в системах с дельта-модуляцией приходится по сравнению с ИКМ значительно увеличивать частоту дискретизации, что снижает эффективность системы в целом. Поэтому дельта-модуляция применяется только в видеотелефонных системах.

Снижения частоты дискретизации по сравнению с рассмотренным случаем удается добиться в системах ДИКМ с многоуровневым квантованием сигнала ошибки (рис.5.12). На вход вычитающего устройства S₁, поступают в аналоговой форме исходный сигнал u (t)иего предсказанное значение (t). Полученный сигнал ошибки e (t)квантуется на определенное число уровней (обычно не более 16) и преобразуется в двоичный код. Эти операции выполняются в АЦП, после чего передается закодированный сигнал ошибки e (t). Этот же сигнал в ЦАП подвергается обратному преобразованию в аналоговую форму и подается на сумматор S₂, в котором складываются ошибка и сигнал предсказания. На выходе сумматора, таким образом, будет восстановлено исходное значение сигнала с погрешностью, определяемой ошибкой квантования (наличие ошибки квантования учтено в обозначениях e' (t)и и' (t) на рис.5.12). По этому значению (а чаще по совокупности предыдущих значений отсчетов) в предсказателе формируется сигнал предсказания (t) последующего отсчета, который подается на вычитающее устройство S₁.

Рис. 5.12. Структурная схема системы с ДИКМ

На приемной стороне в декодирующем устройстве после цифроаналогового преобразования сигнал ошибки e' (t) поступает на декодирующее устройство, состоящее из аналогичных передающему концу системы сумматора и предсказателя.

В целом методами ДИКМ удается сократить число бит на один элемент до 3...5 по сравнению с 7...8 битами при использовании ИКМ. Устранение избыточности в системах с предсказанием не может не сказаться на их помехоустойчивости. Помеха, поразившая один из переданных отсчетов, явится причиной искажений не только этого отсчета, но и всех последующих, поскольку они вычислялись (предсказывались) по предыдущему значению. На изображении образуются характерные искажения – треки ошибок. Уменьшить эти искажения можно более частой передачей «опорных» отсчетов, т.е. самих значений элементов изображения, а не их ошибок. В этом случае действие помехи на изображении прекращается с появлением ближайшего истинного значения сигнала. Конечно, увеличение числа опорных значений в сигнале ДИКМ снижает эффективность кодирования.

Повышает помехоустойчивость системы с предсказанием двумерное кодирование, при котором предсказание производится как по совокупности предшествующих элементов в строке, так и по значениям соответствующих элементов в предыдущих строках. В этом случае улучшается также качество воспроизведения вертикальных яркостных переходов.

Статистические исследования показали, что свойства ТВ изображения, обусловленные межкадровыми связями, аналогичны пространственным свойствам в неподвижном изображении (внутрикадровые связи: межэлементные и межстрочные связи). Коэффициенты корреляции в соседних кадрах получаются часто даже большими, чем для соседних пикселей в одном кадре. Отмеченные свойства ТВ изображений легли в основу стандарта сжатия цифрового потока в системе MPEG.