Принципы цифрового телевидения

Дискретизация. Первой операцией процесса цифрового кодирования аналогового ТВ сигнала является его дискретизация, которая представляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U(t) последовательностью отдельных во времени отсчётов этого сигнала. Наиболее распространённой формой дискретизации является равномерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой лежит теорема Найквиста-Котельникова. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал U(t), имеющий ограниченный спектр частот, может быть представлен значениями этого сигнала U(t_n), взятыми в дискретные моменты времени (отсчёты) t_n = nT, где n = 1,2,3,… - целые числа; Т – период или интервал дискретизации, выбранный из условия теоремы Найквиста-Котельникова: T≤ 0,5/f_гр. Здесь

f_гр – верхняя граничная частота спектра исходного сигнала U(t). (Для отечественного вещательного ТВ стандарта верхняя граничная частота спектра ТВ сигнала f_гр ≈ 6,25 МГц). Величина, обратная периоду дискретизации f_д , выбранная в соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова, равна: f_д = 2f_гр.

Аналитическое выражение теоремы  Найквиста-Котельникова, утверждающей возможность замены непрерывного сигнала U(t) последовательностью дискретных значений U(nT) имеет следующий вид:

            _∞                  

U(t) = ∑  U(nT)‮‮‮‮‬‫‪‫‫‬‭‮‪‫‭‎‎‎‎‎ ^{sin2πfгр (t – nT)}

          ^{n=−∞                2πf}_гр ^{(t – nT)}

 

 

 

Ортогональная структура  дискретизации. Если частоту дискретизации выбрать кратной частоте строк, то на изображении будет образована ортогональная структура дискретизации, в которой отсчёты располагаются в узлах прямоугольной решётки. Примем, что f_д = 2f_гр, тогда при этом условии число отсчётов в изображении будет равно числу его условных ТВ элементов. Поэтому сокращение числа отсчётов приведёт к пропорциональному уменьшению разрешающеё способности ТВ системы, т.е. к ухудшению качества изображения.

Для оценки возможностей ортогональной структуры отсчётов при формировании изображений рассмотрим более детально процесс зрительного восприятия. Установлено, что зрительный анализатор содержит совокупность рецепторов (рецептивные поля), кодирующие одновременно большие группы элементов изображения, реагируя при этом не столько на их яркость, сколько на форму, выделяя из фона изображения наиболее его информативную часть: контуры, перепады яркости. Такие свойства зрительного аппарата позволяют ему восстанавливать целостные контуры даже при их распаде на отдельные элементы вследствие дискретизации или из-за воздействия случайных помех. В изображениях существуют значительные статистические связи, к которым в результате эволюционного развития приспособился наш зрительный аппарат.

Эти свойства зрительного  анализатора позволяют допустить, что в ТВ системе не обязательно  обеспечивать условия для передачи каждого из элементов изображения. Можно удовлетвориться возможностью передачи ТВ системой определённого  ансамбля конфигураций, при этом с пониженным (по отношению к стандарту) числом элементов.

Ортогональная структура  дискретизации изображения с  шагом дискретизации, удовлетворяющим  условиям теоремы Найквиста-Котельникова, характеризуется заметной избыточностью  в разрешающей способности системы по диагональным направлениям. Устранить эту избыточность путём уменьшения числа отсчётов (т.е. уменьшая частоту дискретизации).

Шахматная структура  дискретизации. В строчно-шахматной структуре используется строчное чередование точек, образованное в результате сдвига на половину интервала дискретизации отсчётов соседних строк данного поля. Строчно-шахматную структуру получают двумя путями: либо дискретизируют ТВ сигнал с частотой (2n+1)f_z/2 (где n – целое число; f_z – частота строчной развёртки), либо частоту дискретизации выбирают равной nf_z, но её фаза меняется в начале каждой чётной строки.

Кадрово-шахматная структура  образуется путём сдвига отсчётов соседних полей на половину интервала дискретизации. Кадрово-шахматная структура получается дискретизацией ТВ сигнала с частотой, равной либо (nf_z+25 Гц), либо nf_z с изменением фазы частоты дискретизации в начале каждого чётного поля.

В силу отмеченных недостатков  шахматная структура дискретизации, несмотря на свои достоинства, в вещательном телевидении не используется.

Выбор частоты  дискретизации ТВ сигнала. В вещании практическое применение получила фиксированная ортогональная структура, отсчёты которой расположены на ТВ экране вдоль вертикальных линий периодично по строкам, полям, кадрам. Позволяя суммировать соседние поля чересстрочного разложения без потери разрешающей способности по горизонтали и вертикали, ортогональная структура дискретизации идеальна для выполнения различных интерполяций в преобразователях стандартов, аппаратуре видеоэффектов, устройств сокращения избыточности информации. Это обстоятельство явилось основным при выборе ортогональной структуры для базового стандарта цифрового кодирования.

Ортогональная структура  отсчётов получается при выборе частоты  дискретизации, кратной частоте строк. При этом следует учитывать, что в ТВ вещании ещё долго будут использоваться основные стандарты разложения 625/50 и 525/60. В связи с этим параметры цифрового кодирования ТВ сигнала необходимо согласовывать с двумя стандартами разложения. Последнее обусловливает следующее требование: f_д должна быть кратна частоте строк систем с разложением на 525 и 625 строк. С другой стороны, эта частота должна быть по возможности низкой, чтобы не увеличивать скорость передачи цифрового потока. Наименьшее кратное двум значениям строчной развёртки f_z (625) = 15625 Гц и f_z (525) = 15734,266 Гц соответствует значению частоты 2,25 МГц. Поэтому для дискретизации ТВ сигналов подходят частоты 11,25, 13,5 и 15,75 МГц, кратные 2,25 МГц (множители 5, 6 и 7). Из них выбрана частота 13,5 МГц, поскольку это значение является единственным, которое обеспечивает перечисленные выше требования. Оно даёт возможность получить 864 отсчёта в строке с разложением на 625 строк и 858 отсчётов при разложении на 525 строк.

Квантование ТВ сигнала. За процессом дискретизации при преобразования аналогового сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Квантование заключается в округлении полученных после дискретизации мгновенных значений отсчётов до ближайших из набора отдельных фиксированных уровней. Квантование представляет собой дискретизацию ТВ сигнала не во времени, а по уровню сигнала U(t).

Фиксированные уровни, к  которым «привязываются» отсчёты, называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала U(t) уровнями квантования на отдельные области значений, называемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Следствием этого становится появление в сигнале специфических шумов, называемых шумами квантования. Ошибки квантования или шумы квантования на изображении могут проявляться по-разному, в зависимости от свойств кодируемого сигнала. Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изображении в виде ложных контуров. В этом случае плавные яркостные переходы превращаются в ступенчатые, и качество изображения ухудшается. Наиболее заметны ложные контуры нВ изображениях с крупными планами. Этот эффект углубляется на подвижных изображениях. Когда собственные шумы аналогового сигнала превышают шаг квантования, искажения квантования проявляются уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно, распределённые по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигнала как бы подчёркиваются, изображение в целом начинает казаться более зашумлённым.

Обычно используется линейная шкала квантования, при  которой размеры зон одинаковы.

Число уровней квантования, необходимое для высококачественного  раздельного кодирования составляющих цветового ТВ сигнала, определяется экспериментально. Очевидно, что с ростом этого числа точность передачи уровневой информации возрастает, шумы квантования снижаются, но при этом растёт информационный поток и расширяется необходимая для передачи полоса частот. С другой стороны, при заниженном числе уровней квантования ухудшается качество изображения из-за появления на нём ложных контуров. Кроме того, слишком велики, а потому и заметны шумы квантования. Недостаточное число уровней квантования особенно неприятно сказывается на цветных изображениях. В этом случае шумы квантования проявляются в виде цветных узоров, особенно заметных на таких сюжетах, как лицо крупным планом, на плавных перепадах яркости.

Пороговая чувствительность глаза к перепадам яркости  в условиях наблюдения, оптимальных  для просмотра ТВ передач, по экспериментальным данным около 1%, а это значит, что два соседних фрагмента изображения, отличающихся по яркости на 1%, воспринимаются как раздельные части изображения. Таким образом, кодирование сигнала яркости с числом уровней квантования меньшим или равным 100 ведёт к появлению на изображении ложных контуров, что заметно ухудшает его качество.

4. Цифровое телевидение и компьютерные технологии.

 

Переход к цифровому представлению видеосигналов и сигналов звукового сопровождения и появления методов многократного сжатия данных, рост производительности и объёмов ЗУ персональных компьютеров и рабочих станций при одновременном снижении их стоимости, стремительное развитие Интернет и других сетевых технологий создают предпосылки для широкого применения вычислительной техники в различных частях телевизионных систем. Ниже приведены несколько примеров таких применений.

 

СИСТЕМЫ НЕЛИНЕЙНОГО  МОНТАЖА

 

Одна из важнейших  областей применения компьютеров в  телевидении – системы редактирования и монтажа видеоматериалов и подготовки телевизионных программ.

Система нелинейного монтажа содержит один или несколько цифровых видеомагнитофонов (ВМ) для хранения исходных материалов и конечного продукта. Центром системы является высокопроизводительный ПК или рабочая станция (компьютер, по производительности и объёму ЗУ значительно превосходящий обычные ПК), имеющий монитор с экраном, обеспечивающим высококачественное отображение нескольких кадров и различной вспомогательной информации.

Фрагменты телевизионных  программ, подлежащие редактированию и монтажу, вводятся в компьютер с помощью специальной платы ввода/вывода (платы «захвата» видеосигналов), сжимаются и записываются на жёсткие магнитные диски (НМД). Для сжатия обычно применяется метод Motion JPEG, в соответствии с которым каждый кадр кодируется независимо от других кадров. Это даёт возможность индивидуального доступа к отдельным кадрам. Операция сжатия в реальном времени выполняется аппаратными средствами в плате компрессии/декомпрессии и видеоэффектов.

Хранение редактируемых  материалов на диске даёт возможность быстро находить и переставлять в произвольном порядке фрагменты изображения и отдельные кадры, составляя нужную видеопрограмму. При этом процесс монтажа значительно ускоряется и возникают новые возможности, недоступные ранее применявшихся системах.

 

ВИДЕОСЕРВЕРЫ

 

Видеосерверы – новый  класс устройств, появившийся с  началом перехода к цифровому  телевидению. Видеосервер – это  компьютер, существенно превосходящий  по производительности обычные компьютеры и содержащий дисковую память большого объёма и блоки ввода/вывода аналоговых и цифровых ТВ-сигналов и звуковых сигналов. На современных телестудиях видеосерверы заменяют видеомагнитофоны и становятся основным средством воспроизведения заранее записанных программ.

Использование видеосерверов позволяет автоматизировать ТВ-вещание и существенно увеличить количество одновременно передаваемых телевизионных каналов, что является одной из основных целей перехода на цифровое ТВ-вещание.

Видеосерверы выпускаются  многими фирмами, и на рынке есть системы разных уровней сложности и стоимости. В качестве примера можно назвать систему MAV-1000 фирмы SONY, которая обеспечивает хранение видеопрограмм длительностью 11 или 23 часа (в зависимости от конфигурации), одновременную передачу до восьми каналов ТВ-вещания. Другая известная компания IBM производит мощный видеосервер Media Streamer, содержащий дисковую подсистему Media Streamer Archive ёмкостью до 6 Тбайт данных (что соответствует примерно 1000 двухчасовых видеофильмов). Стоимость этого видеосервера от 129 тыс. долл.

 

 

 

 

 

 

5. Перспективы развития цифрового телевидения

 

 

Проект MPEG-7.Широкое распространение компьютеров и Интернет, а с другой стороны - бытовых видеокамер и другой видеотехники привело к тому, что производство и распространение аудиовизуальной информации становится доступными массовому пользователю. В результате каждый день в мире производится огромный объём такой информации и задача её идентификации и поиска в Интернет стала актуальной.

Для решения этой задачи группа MPEG в 1996 г. Начала работу над проектом «Интерфейс описания мультимедийного содержания» (Multimedia Content Description Interface), известного сейчас как MPEG-7.

Основные понятия MPEG-7:

1. Дескриптор (Descriptor – описатель) – описание объекта.
2. Схема описания (Descriptor Scheme) – структура, содержащая описания отдельных объектов и взаимосвязей между ними.
3. Язык определения описаний (Descriptor Definition Language – DDL) – язык, с помощью которого составляются схемы описаний.

Непосредственно в стандарте  будут содержаться DDL, набор дескрипторов объектов и набор схем описаний. С помощью DDL можно будет составлять новые описания сцен, используя как дескрипторы, определённые в стандарте, так и вновь создаваемые по заданным правилам.

Содержание одной и  той же аудиовизуальной информации может быть описано на разных уровнях деятельности, начиная с низкого уровня (цвет, форма, текстура, положение визуальных объектов, высота тона, громкость, темп, положение звуковых объектов и т.п.), и заканчивая высоким уровнем, на которым описание может быть задано в виде обычного текста на естественном языке (семантическое описание).

 

ТВЧ, СТЕРЕО-ТВ. Одним из важнейших достижений в области телевидения самого последнего времени стало принятие Рекомендации ITU-R BT-709-3, которая определяет единый формат для телевидения высокой чёткости (ТВЧ) и производства видеопрограмм. Основные параметры этого формата:

- формат кадра 16:9;

- число активных (видимых  на экране) элементов изображения  в строке 1920;

- полное число строк  1125, из них активных – 1080;