ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения. обходимо наличие бесконечно большого числа отсчетов

обходимо наличие бесконечно большого числа отсчетов. На практике же сигнал, всегда имеющий конечную длительность, описывается конечным числом отсчетов. Несмотря на несоответствие условиям теоремы, такой способ восстановления сигнала широко используется в цифровом телевидении, и точность восстановления при соблюдении определенных требований оказывается достаточной.

За процессом дискретизации при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Квантование (этот термин заимствован из атомной физики) заключается в замене полученных после дискретизации мгновенных значений отсчетов ближайшими значениями из набора отдельных фиксированных уровней (рис. 5.1,б). Квантование также представляет собой дискретизацию ТВ сигнала, но осуществляемую не во времени, а по уровню сигнала u(t). Для устранения путаницы между этими понятиями и введена разная терминология.

Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчеты, называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала u(t) уровнями квантования на отдельные области значений, называемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Последняя может быть как линейной, так и нелинейной, в зависимости от условий преобразования. Округление отсчета до одного из двух ближайших уровней (верхнего или нижнего) определяется положением порогов квантования (рис. 5.1,б).

Возможность восстановления в зрительном аппарате человека исходного изображения по его квантованному приближению (в теореме эта операция не предусматривается) вытекает из ограниченности контрастной (и цветовой) чувствительности зрительной системы.

Строго говоря, дискретизированный и квантованный сигнал г1кв(гаТ) уже является цифровым. Действительно, если амплитуда импульсов дискретизированного сигнала и(пТ) может принимать любые произвольные значения в пределах исходного динамического диапазона сигнала u{t), то операция квантования привела к замене всех возможных значений амплитуды сигнала ограниченным числом значений, равным числу уровней квантования. Таким образом, квантованная выборка сигнала выражается некоторым числом в системе счисления с основанием т, где т — число уровней квантования. Но цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом т. Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня) будет преобразован в кодовую комбинацию символов 0 или 1 (рис. 5.1,г). В этом и состоит третья, заключительная операция по преобразованию аналогового сигнала u(t) в цифровой, называемая операцией кодирования.

ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 87

Кодирование представляет собой преобразование квантованного значения отсчета и.кв(таГ) в соответствующую ему кодовую комбинацию символов Мц(пГ). Наиболее распространенный способ кодирования ТВ сигнала — представление его дискретных и проквантован-ных отсчетов в натуральном двоичном коде. Этот способ получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). На рис. 5.1,г показан результат преобразования фрагмента исходного сигнала u(t) в последовательность комбинаций двоичного трехразрядного кода.

Часто всю совокупность перечисленных операций — дискретизации, квантования и кодирования для краткости называют кодированием телевизионного сигнала. Это имеет определенные технические основания, поскольку все эти три операции выполняются одним техническим устройством — аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговъш, преобразователем (ЦАП). Аналого-цифровые и цифро-а.налоговые преобразователи — непременные блоки любых цифровых систем передачи, хранения и обработки изображений.

Исследования ИКМ в телевидении начались сравнительно давно. Первые предложения относятся еще к 30-м годам. Но только недавно этот метод стал применяться в вещательном телевидении. Причина столь длительного внедрения объясняется жесткими требованиями к быстродействию устройств преобразования и передачи цифрового сигнала. Чтобы пояснить это, оценим скорость передачи цифрового потока ИКМ сигнала по каналу связи.

При непосредственном кодировании телевизионного сигнала методом ИКМ кодовые комбинации создаются с частотой, равной частоте отсчетов, т.е. частоте дискретизации. Каждая кодовая комбинация соответствует определенному отсчету и содержит некоторое число k двоичных символов (битов).

Скоростью цифрового потока с называется число передаваемых двоичных знаков в единицу времени. За единицу скорости принимается 1 бит в секунду. Таким образом, скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме равна произведению частоты дискретизации /д и числа двоичных символов fc в одном дискретном отсчете:

Для количественной оценки скорости передачи ИКМ сигнала необходимо обосновать выбор k и /д. Число двоичных символов k в кодовой комбинации одного отсчета связано с числом уровней квантования то исходного сигнала соотношением

йыоор числа уровней квантования определяется требованием к минимизации ошибок 88 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения

мены истинных значений отсчетов сигнала их квантованными (приближенными) значениями. Ошибки квантования носят случайный характер. Поэтому искажения, вызываемые этими ошибками, часто называют шумами квантования. На изображении они могут проявляться по-разному, в зависимости от свойства кодируемого сигнала. Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изображении в виде ложных контуров. Такие искажения хорошо заметны при «грубом» квантовании, когда число уровней квантования недостаточно. В этом случае плавные яркостные переходы превращаются в ступенчатые. Наиболее заметны ложные контуры на изображениях с крупными планами. Этот эффект усугубляется на подвижных изображениях. Эксперименты показывают, что ложные контуры перестают восприниматься, если число уровней квантования превышает 100-200, т.е. шум квантования не превышает 0,5...! % размаха сигнала. Эти данные хорошо согласуются с понятиями о контрастной чувствительности зрения.

Если собственные шумы аналогового сигнала достаточно велики и превышают шаг квантования, то искажения квантования проявляются уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно распределенные по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигнала как бы подчеркиваются, изображение в целом начинает казаться более зашумленным.

Недостаточное число уровней квантования особенно неприятно сказывается на цветных изображениях. Шумы квантования проявляются в виде цветных узоров, особенно заметных на таких сюжетах, как лицо крупным планом, на плавных перепадах яркости и пр. В настоящее время рекомендуется использование линейной десятиразрядной шкалы квантования, предусматривающей квантование соответственно на 1024 уровня. Хотя еще несколько лет назад считалось вполне удовлетворительным квантование на 256 уровней (восьмиразрядной шкалой).

На рис. 5.2 приведены диаграммы, дающие представление о соответствии между аналоговым сигналом яркости Еу и уровнями кван-

Дата добавления: 2015-11-26