Цифровая обработка ТВ сигналов. Часть 1: Учебное пособие

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я И Н А У К И РФ В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

Бобреш ов А .М ., К ош елевА .Г.

Ц И Ф Р ОВ А Я ОБ РА Б ОТ К А Т В С И Г Н А Л ОВ Ч астьI У чебноепособиепо специальности 010801(013800) «Радиофизика и электроника»

В О РО Н Е Ж 2004

2

У тверж дено научно-м етодическим советом физического факультета протокол№ 8 от 13 м арта 2004 года

А вторы : Бобреш овА .М ., К ош елевА .Г.

У чебноепособиеподготовлено на кафедреэлектроники физического факультета В оронеж ского государственного университета. Реком ендуется для м агистрови студентовстарш их курсовдневного и вечернего обучения.

3

Содерж ание В ведение… … … … … … … … … … … … … … … .… … … … … … … … … … … … … 4 1.О сновны епонятия и парам етры кодирования источниковизображ ения… .5 1.1. О бобщ енная м одельобработки видеоинформ ации… … … … … … … … … .5 1.2. О бобщ енная м одельпередачи видеоинформ ации… ..… … … … … … … … .6 1.3. Сигналы и их типы … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..7 1.4. Д искретизация… … … … … … … … … … … … ..… … … … … … … … … … … ..10 2. М етоды и характеристики цифрового кодирования сигналов изображ ений … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...11 2.1. Д ифференциальная И К М … … … … … … … … … … … … … … … … ...… … … 12 2.2. М етоды преобразования изображ ений 2.2.1. Д искретноепреобразованиеФ урье(Д П Ф )… … … … … … … … … … ..… .17 2.2.2. Д искретно-косинусноепреобразование(Д К П )… … … … … … … … … … 20 3.М етоды цифрового кодирования Т В сигналов… … … … … … … … … … … … 24 3.1.К ом понентноецифровоекодированиеТ В сигналов… … … … … … … … ...25 4.Ц Т В сигналы согласно Реком ендации ITU-R BT 601… … … … … … … … … 27 4.1.Д искретизация… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..27 4.2.В рем енны есоотнош ения м еж ду аналоговы м и и цифровы м и видеосигналам и… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..29 4.3.К вантование… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 30 4.4.Ф орм ирование Ц Т В сигнала… … … … … … … … … … … … … … … … … … . 32 Литература… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… .34

4

В вед ение Способность аналоговы х Т В сигналов в процессе форм ирования и передачи, прием а и хранения, накапливать искаж ения и ш ум ы , обусловило необходим остьпоиска альтернативны х путей по реш ению данной проблем ы . В основу реш ения бы ли полож ены особенности зрительного восприятия человеком окруж аю щ его м ира, позволяю щ его при определенны х условиях использоватьвкачествеТ В сигнала дискретны й (цифровой ) сигнал[1,2,4]. П роводим ы е, начиная с 30-х годов прош лого века, работы в области цифровой обработки сигналов позволили к настоящ ем у врем ени разработать основны е теоретические полож ения и принципы построения цифровы х систем цифрового телевидения. К ром е того, в последнее десятилетие, благодаря значительны м успехам вобласти цифровы х технологий , вклю чаю щ их создание м икропроцессорной элем ентной базы вы сокой степенью интеграции и бы стродей ствия, вы сокоэффективны х м етодов, алгоритм ов и схем ны х реш ений по обработке телевизионны х сигналов, началась эпоха практической реализации и поэтапного зам ещ ения аналоговы х телевизионны х систем (Т В С) на цифровы е[1, 3, 5]. В процессе м ногочисленны х исследований бы ло вы явлено и показано, что по сравнению с классическим аналоговы м и Т В С цифровы е характеризую тся таким и преим ущ ествам и, как: - повы ш ениепом ехоустой чивости каналов и устрой ствпередачи, прием а и хранения Т В сигналов; - возм ож ность использования м етодов вы числительной техники при кодировании, преобразовании и анализетелевизионны х изображ ений ; - увеличение числа телевизионны х програм м в стандартном частотном диапазонеаналогового Т В канала; - ум еньш ением ощ ности телевизионны х передатчиков; - возм ож ностьсоздания телевидения вы сокой четкости (Т В Ч ); - расш ирение функциональны х возм ож ностей при м онтаж е и проведении Т В програм м ; - возм ож ностьсоздания интерактивны х телевизионны х систем (Т В С). П редлагаем ая работа состоит из двух частей . В первой (данной ) части работы излож ены основны е принципы построения цифрового телевидения, рассм отрены м етоды дискретизации, квантования и кодирования сигналов изображ ения. П оказаны основны е особенности цифровой обработки Т В сигналов и изображ ений , различны е м етоды ортогональны х преобразований . В работе рассм отрено ком понентное кодирование Ц Т С, а такж е требования Реком ендации ITU-R-BT 601, определяю щ ие едины й м еж дународны й стандарт цифрового кодирования Т В сигнала для студий ной аппаратуры [1, 6].

5

1.Основны е понятия и парам етры код ирования источников из ображения П еред тем как ознаком иться с основны м и понятиям и и парам етрам и кодирования источников изображ ений , рассм отрим преж де всего обобщ енны е м одели процессовобработки и передачи видеоинформ ации [4]. 1.1.Обобщ енная м од ель обработки вид еоинф орм ации О бобщ енная м одель обработки видеоинформ ации, представленная на рис.1.1, вклю чает в себя источник сообщ ений , передатчик, блок обработки видеоинформ ации, прием ник и получатель сообщ ений . Рассм атриваем ы й процесс обработки основан на форм ировании и соответствую щ ем преобразовании одно- или м ногом ерны х видеосигналов. И сточник сообщ ений

П ередатчик (кодирование источника)

О бработка видеоинформ ации

П рием ник (декодирование источника)

П олучатель сообщ ений

Рис. 1.1. О бобщ енная м одельобработки видеоинформ ации

И сточник сообщ ений создает отдельны е визуальны е сообщ ения посредством их вы бора из м нож ества всех возм ож ны х. Способ вы бора отдельны х сообщ ений носит случай ны й характер, и поэтом у источник сообщ ений м ож но рассм атривать как источник случай ны х процессов, в котором отдельны е сообщ ения (изображ ения) представляю т собой отдельны е реализации случай ного процесса с различной вероятностью появления и с различны м и статистическим и характеристикам и. Сообщ ением в общ ем случаеявляется информ ация отлю бого источника. Н аряду с изображ ениям и сообщ ениям и м огут бы ть речь, м узы ка, текст, ком анды с дистанционного управления и т.д. К аж дое сообщ ение им еет физическую форм у и содерж ание. Ф изическая форм а качественно характеризует отдельны е типы сообщ ений (наприм ер, изображ ение и речь). Содерж ание является характеристикой представленной в сообщ ении информ ации, которая качественно оценивается с использованием статистических характеристик источника сообщ ений , и ее м ерой является энтропия. И сточники сообщ ений м ож но разделить на дискретны е и непреры вны е. Д искретны й источник сообщ ений является частны м случаем непреры вного источника, так как с пом ощ ью дискретизации и квантования непреры вны е сообщ ения м ож но преобразоватьвдискретную (цифровую ) форм у. П ередатчик преобразует изображ ения в одно- или м ногом ерны й электрический сигнал, которы й представлен последовательностям и цифровы х значений видеоинформ ации, упорядоченны х в пространстве или во врем ени. П роцесс форм ирования электрического сигнала основан на дискретизации и квантовании видеоинформ ации. Блоком обработки осущ ествляется собственно обработка цифровой видеоинформ ации в соответствии с поставленны м и задачам и. Д анная операция в общ ем случае м ож ет бы ть реализована с пом ощ ью цифровой Э В М или

6

специально предназначенного для этих целей устрой ства, которое работает в реальном или оченьчасто вотносительном м асш табеврем ени. В прием нике обработанная видеоинформ ация преобразуется в вы ходное изображ ение, предназначенноедля получателя сообщ ения. П олучателем сообщ ения м ож ет бы ть человек или оконечное устрой ство, для которого осущ ествляется весь процесс обработки видеоинформ ации. Способ обработки видеоинформ ации определяется парам етрам и получателя сообщ ений . 1.2.Обобщ енная м од ель перед ачи вид еоинф орм ации Схем а обобщ енной м одели передачи видеоинформ ации приведена на рис. 1.2. В неевходят: источниксообщ ений , передатчик, канал передачи (связи) прием ник и получатель сообщ ений , которы е в совокупности образую тсистем у передачи. П роцесс передачи характеризуется форм ированием и передачей м ногом ерной видеоинформ ации в виде одном ерного пространственно упорядоченного сигнала. Систем а передачи долж на обеспечивать наиболее достоверное восстановление сообщ ений источника изображ ений на прием ной стороне. Д ля передачи сообщ ения необходим о преобразовать его в сигнал. П реобразование м ногом ерной видеоинформ ации водном ерны й сигнал осущ ествляется с учетом парам етров канала передачи. П оскольку передаваем ы й сигнал характеризуется вобщ ем случаезависим остью определенной физической величины отврем ени, то для передачи сообщ ения (изображ ения) в форм е видеосигнала необходим о его представить как функцию электрической величины (тока, напряж ения) от врем ени. П реобразование изображ ения в одном ерны й сигнал осущ ествляется передатчиком . Е сли для создаваем ы х источником изображ ений ввести обозначение ξ(x, y, t), а для сигнала на входе канала передачи – обозначение η(t), то процессу передачи будетсоответствоватьфункциональная зависим ость η(ξ), где (x, y, t) – координаты в пространстве и во врем ени. П роцесс преобразования, характеризую щ ий ся переходом от сообщ ения ξ(x, y, t) к сигналу η(t), обы чно назы вается кодированием сообщ ения (изображ ения), обратны й переход от сигнала η(t) к сообщ ению ξ(x, y, t) - декодированием , или восстановлением сообщ ения. К одирование сообщ ения м ож но представить как кодирование источника и кодирование канала. К одирование источника описы вается функциональной зависим остью ν =F1(ζ) (или, при обратном преобразовании, ζ=G1(ν ) ) и заклю чается впредставлении сообщ ений м иним альны м количеством сим волов. К одированиеканала описы вается функцией η=F2(ν ) (или, при обратном преобразовании, ν =G2 (η) ) и вы полняется для оптим ального согласования парам етровсигнала и канала передачи. В общ ем случае под каналом передачи (связи) подразум евается как совокупность устрой ств, через которы е в процессе передачи и обработки проходитсигнал, так и среда, служ ащ ая для передачи сигнала отпередатчика к прием нику.

7 П ередатчик ν =F1(ζ) ξ(x, y, t)

η=F2(ν )

К одир-е источника

И сточник сообщ ений

П рием ник

ν (t)

К одир-е канала

ν =G2 (η)

ζ=G1(ν )

Д екодированиеканала

Д екодированиеканала

ζ = g(η)

η=f(ζ) η(t)

К анал передачи

П олучатель сообщ ений

И сточник пом ех

Рис.1.2.О бобщ енная м одельпередачи видеоинформ ации

Е сли данном у сигналу на входе канала соответствует точно такой ж е сигнал на его вы ходе, то такой канал назы вается каналом передачи безпом ех и сигналы на входе и на вы ходе канала связаны определенны м функциональны м соотнош ением . В случае воздей ствия пом ех функциональное соответствие м еж ду входом и вы ходом наруш ается и м ож ет случиться, что одной и той ж е реализации сообщ ения будут соответствовать различны е сигналы на вы ходе канала. П ом еха в канале передачи, так ж е как и сообщ ения, рассм атривается какслучай ны й процесс. П ом им о воздей ствия пом ех сигнал в канале передачи подвергается искаж ениям . В то врем я как пом ехи носятстатистический характер, искаж ения канала передачи являю тся детерм инированны м и. П олучателем сообщ ения здесьтакж ем ож етбы тьчеловекили оконченное устрой ство систем ы передачи, для которого осущ ествляется передача сообщ ений и в соответствии с парам етрам и которого производится кодирование. 1.3. С игналы и ихтипы Сигнал является физическим представлением сообщ ения (изображ ения) и характеризуется зависящ им и от сообщ ения парам етрам и. Зависящ ие от сообщ ения парам етры назы ваю тся сигнальны м и. П рим ерам и сигнальны х парам етров являю тся ам плитуда, частота, фаза и т.д. Д ля одном ерны х передаваем ы х сигналов характерна врем енная зависим ость сигнального парам етра. Сигнальны епарам етры м ногом ерны х сигналовизображ ения обы чно определяю тся пространственны м и и врем енны м и координатам и [4]. П реж девсего рассм отрим представлениесигнала как функции врем ени и сигнального парам етра безучета его связи с сообщ ением . Н а рис.1.3 приведены сигналы четы рех различны х типов: в зависим ости от непреры вного или дискретного характера сигнального парам етра и врем ени. В то врем я как

8

дискретизация по врем ени прим еняется чащ е и означает, что сигнальны й парам етр U(t) определен только в некоторы е м ом енты врем ени, дискретизация (квантования) по уровню прим еняется реж е и означает, что сигнальны й парам етр м ож ет приним ать только определенны е значения из своего диапазона. U(t)

Н епреры вны й сигнал U(t)

U(t)

Д искретизация

t

t

К вантование T U(t)

ΔU

U(t)

t

t

Рис. 1.3.П редставлениеосновны х типовсигналовв зависим ости отврем ени и сигнального парам етра

И з вы ш еизлож енного м ож но дать определения аналоговом у и дискретном у сигналам . А налоговы м сигналом назы вается сигнал, значения сигнального парам етра и врем енная характеристика которого являю тся непреры вны м и величинам и. Дискретны м сигналом назы вается такой сигнал, значения сигнального парам етра или врем енная характеристика которого не являю тся непреры вны м и и м атем атически вы раж аю тся последовательностям и. Систем ы , обрабаты ваю щ иеаналоговы есигналы , м атем атически м ож но описать с пом ощ ью различны х дифференциальны х уравнений , а систем ы , обрабаты ваю щ ие дискретны е сигналы , необходим о описы вать с пом ощ ью разностны х уравнений . Т еперь рассм отрим сигнал с учетом его связи с передаваем ы м сообщ ением или процессом преобразования сигнала. Д ля этого определим взаим освязи сигналов в соответствии с рис.1.4, где вм есто зависим ости сигнального парам етра от врем ени представлена зависим ость вы ходного сигнала отвходного (сообщ ения), т.е. приведено их взаим ноесоответствие. Н а рис.1.4,а аналоговы й сигнал рассм атривается как взаим но однозначное соответствие входны х и вы ходны х сигнальны х парам етров. И з этого обобщ енного подхода следует, что аналоговы й сигнал не обязательно долж ен бы тьнепреры вны м .

9

На рис.1.4,б приведен дискретны й сигнал, прим еняю щ ий ся главны м образом в аналого-цифровы х преобразователях. В отличие от непреры вного входного сигнального парам етра дискретны м значениям входного сигнального парам етра дискретны й сигнал им еет дискретны й сигнальны й парам етр, т.е. отдельны м значениям входного сигнального парам етра (1, 2, 3,… ) ставятся в соответствие дискретны е значения парам етра вы ходного сигнала (а , б , с,… ). Uвы х

Uв х

Uв ы х

Uв ы х

а

b2

b

a2

c

b1

d

a1 1

2

3

4

Uв х

а

b

c d

Uв х

в) a) б) Рис.1.4. Различны еформ ы соответствия м еж ду сигналам и

Н а рис.1.4,в приведен закодированны й сигнал. Е сли дискретны м значениям сигнального парам етра на входе ставятся в соответствии ком бинации дискретны х значений (сим волов) на вы ходе, то говорят о кодированном сигнале. О бы чно вы полняется правило: при n дискретны х значениях сигнального парам етра (сим волах) на вы ходеи m-разрядной кодовой ком бинации число различны х элем ентов кодируем ого сообщ ения равно N=nm. П ри n = 2 говорято двоичном коде, при n = 3 – о троичном и т.д. Следует обратить вним ание на различие понятий цифровой сигнал и кодированны й сигнал, преобразование в цифровую форм у и кодирование. Ц ифровой сигнал является кодированны м сигналом , кодовая ком бинация представляет собой число [4]. Т аким образом , цифровы е сигналы – частны й случай кодированны х сигналов, а преобразование в цифровую форм у – более узкоепонятие, чем кодирование. В процессе преобразования аналогового сигнала изображ ения в цифровой , производится три основны еоперации: дискретизация во врем ени, т.е. зам ена непреры вного сигнала последовательностью его значений в дискретны е м ом енты врем ени – отсчеты или вы борки; - квантование по уровню , заклю чаю щ ееся в округлении значения каж дого отсчета до ближ ай ш его уровня квантования; - кодирование (оцифровка), в результате которого значение отсчета представляется в виде числа, соответствую щ его ном еру полученного уровня квантования. О бы чно все три операции вы полняю тся в одном устрой стве – аналогоцифровом преобразователе (А Ц П ), которы й в настоящ ее врем я реализуется в виде одной БИ С. Н а рис.1.5,а представлена схем а вклю чения А Ц П . Н а входы АЦ П подаю тся аналоговы й сигнал u(t) и тактовы е сигналы CT ,

10

синхронизирую щ ием ом енты вы борок. В ы ходны е сигналы b1, b2,… bn образую т параллельны й n- разрядны й двоичны й код, представляю щ ий получаю щ ееся в результате аналого-цифрового преобразования число. Ч исло двоичны х разрядовдля прим ера взято 4 (рис.1.5,б). U(t)

b1

U(t)

b2 АЦ П CT

CT

t

b3

b1

t

b4

b2

t

b3 b4

t t t

Рис.1.5. У строй ство А Ц П (а) и его входны еи вы ходны есигналы

П реобразование очередного отсчета начинается по фронту тактового им пульса, а результат появляется на вы ходах А Ц П по срезу тактового им пульса. П оэтом у сигналы b1, b2,… bn изм еняю тся в м ом енты перехода сигнала С t извы сокого уровня (логическая 1) внизкий (логический 0). 1.4. Дискретиз ация И з вы ш еизлож енного следует, что на начальном этапе преобразования производится дискретизация сигнала. М атем атически доказано [1, 4], что всю информ ацию аналогового сигнала, им ею щ его ограниченную полосу частот, м ож но передать в виде последовательности очень коротких, переодических м гновенны х вы борок (отсчетов). Скорость, необходим ая для передачи этих отсчетов, зависит от ш ирины частот аналогового сигнала. М иним альная требуем ая скорость рассчиты вается как 1/(2fВ ), где fВ соответствует м аксим альной частоте исходного сигнала (или верхней граничной частоте его спектра). П ри этом , согласно условию теорем ы К отельникова [1], частота дискретизации fД > 1/(2fВ ). Т ак, наприм ер, частота дискретизации Т В сигнала в наш ей странеfВ = 6 (М Гц ), долж на бы тьнем енее12 М Гц . Е сли дискретизация аналогового сигнала осущ ествляется на неадекватной скорости, т.е. fД < 1/(2fВ ), это приводит к том у, что спектр исходного сигнала и спектр составляю щ их перекры ваю тся рис.1.6,б. Е сли попы таться вы делитьисходны й сигнал с пом ощ ью идеального Ф Н Ч с частотой среза fВ или 2fД /2, то на вы ходе Ф Н Ч пом им о исходного сигнала окаж утся дополнительны есоставляю щ ие, т.е. возникнутискаж ения исходного сигнала.

11

S(f

0

S(f)

fB fД /2 fД

3fД /2

2fД

f

0

f fB fД 2fД 3fД Рис.1.6. Спектр дискретизированного сигнала при вы полнении (а)

2.М етод ы и характеристики циф ровогокод ирования сигналов из ображения Сущ ествую т различны е м етоды цифрового кодирования источников изображ ений . В настоящ ее врем я в основном прим еняю тся м етоды : им пульсно-кодовой м одуляции (И КМ ), дифференциальной им пульсно-кодовой м одуляции (Д И КМ ), дельта-дем одуляции (Д М ), кодирования с преобразованием (КП), специальны е. И м пу льсно-код овая м од у ляция является, как правило, базовы м м етодом цифрового кодирования источниковизображ ений . О н характеризуется тем , что каж дом у закодированном у в цифровую форм у слову на вы ходе соответствуетквантованны й по врем ени и ам плитудеотсчетвидеоинформ ации на входе. Д И К М представляет собой м одуляцию , при которой каж дом у цифровом у слову на вы ходесоответствуетдискретизированная и квантованная разность м еж ду м гновенны м значением отсчета и его предсказанны м значением , котороес определенной скоростью форм ируется изаналоговой или закодированной вцифровую форм у видеоинформ ации. Дельта-м од у ляция такж е является м етодом цифровой передачи и характеризуется тем , что соответствую щ ее кодовое слово форм ируется одним кодовы м сим волом , отраж аю щ им знак разности м еж ду дискретизированны м и квантванны м значением элем ента изображ ения и его предсказанны м значением [4]. К од ирование с преобраз ованием основано на преобразовании отсчетов, квантованны х по врем ени и ам плитуде (представленны х, как правило, в форм е И К М ), изврем енной сигнальной области в область преобразования (наприм ер, спектральную ), что м ож ет бы ть более удобно с точки зрения сокращ ения избы точной и несущ ественной для получателя информ ации или с точки зрения

12

чувствительности к ош ибкам передачи. П осле преобразования осущ ествляется обратное преобразование из области преобразования в сигнальную [1]. К специальны м м етод ам код ирования относятся м етоды , вкоторы х для цифрового кодирования прим еняю тся ком бинации рассм отренны х вы ш е способовкодирования или м етоды , основанны ена использовании специфических свой стввидеоинформ ации [1,2,4]. Рассм отрим болееподробно м етод Д И КМ и м етод кодирования с преобразованием . 2.1.Диф ф еренциальная им пу льсно-код овая м од у ляция В простей ш ем варианте передачи цифровой информ ации по каналу связи передаю тся значения цифрового кода каж дого отсчета сигнала в виде последовательности им пульсов. Т акой способ назы вается передачей с использованием им пульсно-кодовой м одуляции (И КМ ). В случае прим енения кодирования с предсказанием или дифференциальной им пульсно-кодовой м одуляции (Д И КМ ) по каналу связи передается разность м еж ду дей ствительны м значением текущ его отсчета и значением этого отсчета, предсказанны м по преды дущ им отсчетам . Структурная схем а передачи информ ации с Д И КМ приведена на рис.2.1. x(n) + _

S(n)

S/(n)

Q

-

S//(n)

Q-1

y(n)

+

Q

P/(n)

Pr //

P (n) Pr

+ x (n) + /

Рис.2.1. Структурная схем а систем ы передачи информ ации с Д И КМ Систем а содерж ит кодирую щ ую часть (кодер) и декодирую щ ую часть (декодер), м еж ду которы м и м ож ет бы ть канал связи или устрой ство записи информ ации на какой -либо носитель. Н а вход кодера поступает последовательность отсчетов входного сигнала x(n). В предсказателе Pr форм ирую тся предсказанны езначения сигнала р/(n). В вы читаю щ ем устрой стве определяется разность дей ствительного x(n) и предсказанного р/(n) значений сигнала, равная S(n) = x(n) – p/(n), назы ваем ая ош ибкой предсказания. Затем сигнал поступает в квантователь Q. У м еньш ение скорости передачи двоичны х чиселдостигается за счетум еньш ения вквантователеколичества двоичны х разрядов величины , в результате чего получается передаваем ы й по каналу связи сигналS/(n).

13

Н а вход декодера поступает сигнал S//(n), прош едш ий канал связи. В деквантователе Q-1 восстанавливается исходное число двоичны х разрядов. В сум м аторе происходитформ ирование вы ходного сигнала y(n) в соответствии с соотнош ением y(n) = p//(n) + S/(n), где р//(n) – предсказанное по преды дущ им значениям вы ходного сигнала его текущ еезначение. Рассм отрим форм ирование в кодере предсказанны х значений сигнала / р (n). В аж но отм етить, что предсказателе в кодере и декодере работаю т по идентичны м алгоритм ам . К вантованны й сигнал ош ибки предсказания S//(n) поступает во входящ ий в состав кодера деквантователь Q-1, в котором восстанавливается двоичное число двоичны х разрядов. В ы ходной сигнал деквантователя в сум м аторе склады вается с предсказанны м значением р/(n), в результате чего форм ируется сигнал x/(n), получаю щ ий ся в результате вы полнения таких ж еопераций , что и вы ходной сигнал декодера y(n). В общ ем случаепредсказанны езначения p/(n) вы числяю тся по форм уле K

p ′(n ) = ∑ a k x / ( n − k ), k =1

(2.1)

где ak, k=1… K – коэффициенты , характеризую щ ие м етод предсказания. Т акой м етод назы вается линей ны м предсказанием , так как предсказы ваем ы езначения сигнала форм ирую тся в виде линей ны х ком бинаций нескольких преды дущ их значений . П ростей ш ий вариант Д И КМ реализуется в случае, когда а 1 = 1, а все остальны е коэффициенты равны нулю . В таком варианте в качестве предсказанного значения берется преды дущ ее значение сигнала. П ри передаче телевизионного изображ ения для предсказания значения отсчета м ож но использовать корреляционны е связи м еж ду отсчетам и одной строки, соседних строк и следую щ их друг за другом кадров. П ри этом в предсказателях в кодере и декодередолж ны бы тьзапом инаю щ иеустрой ства на несколько элем ентов, на несколько строкили на несколько кадров, соответственно. П ерей дем квопросу о пом ехоустой чивости систем Д И КМ . К ак уж е отм ечалось, сум м атор в кодере вы полняет накопление поступаю щ их на него квантованны х значений ош ибки предсказания подобно сум м атору в декодере и форм ирует сигнал x/(n) вы ходном у сигналу y(n). П оэтом у в форм ируем ы е предсказанны е значения p/(n) вой дут ош ибки, создаваем ы е квантователем . Э ти ош ибки затем вы читаю тся из входного сигнала. Благодаря этом у непроисходитнакопления ош ибоквквантоватования ввы ходном сигнале. Рассм отрим следую щ ий прим ер. П усть квантование осущ ествляется путем ум еньш ения количества разрядов с 8 до 5, причем старш ий разряд используется как знаковы й , так как разностное значение м ож ет бы ть как полож ительны м , так и отрицательны м . Т огда величина S/(n) м ож ет приним ать значения от–15 до 15. П устьв качествепредсказанного значения используется преды дущ ее значение сигнала на входе блока предсказателя. Д ля сигналов в кодерем ож но записатьследую щ иесоотнош ения: S(n) = x(n) –p/(n) = x(n) –x/(n-1);

14 /

/

/

x (n) = S (n) + p (n) = S/(n) + x/(n-1). П ри появлении приращ ения S(n), вы ходящ его за пределы диапазона допустим ы х значений S/(n), возникаетош ибка e(n) = S/(n) - S(n). П редполож им , что до n-го такта ош ибок не бы ло. Т огда для всех k
(2.2)

Т аккакпредполагается, что вканалесвязи ош ибоктакж енет, то и x//(k) = x(k). П усть в n-ном такте возникла ош ибка. Э та ош ибка приводитк появлению неправильного значения x/(n) внакопителе x/(n) = x/(n-1) + S/(n) = x(n-1) + S(n) + e(n). В следую щ ем тактеош ибка попадетвконтур обратной связи вкодере x/(n+1) = x/(n) + S/(n+1) = x(n-1) + S(n) + e(n) +[x(n+1) –x/(n)]/ = =x(n-1)+S(n)+e(n)+[x(n+1)–x(n-1)–S(n)–e(n)] /.

(2.3)

Ш трих у квадратны х скобок означает, что величина, заклю ченная в них проходит квантователь, в котором преобразуется в число с м еньш им числом двоичны х разрядов. Е сли величина в квадратны х скобках в (2.3) не вы ходит за пределы диапазона возм ож ны х значений S/(n), то операция квантования не изм еняет ее значения (естественно, с точностью до одного уровня квантования входного цифрового сигнала x(n). Т огда получаем x/(n+1) = x(n+1), т.е. ош ибка ком пенсировалась. Т ак как в декодере сигнал y(n) форм ируется по таком у ж еалгоритм у, что и сигнал x/(n) вкодере, то ком пенсация ош ибки будет им етьм есто и на вы ходесистем ы с Д И КМ . В случае, если сразу ош ибка неком пенсируется, происходитпостепенная ош ибки путем передачи увеличенны х значений разности S/(n) в нескольких следую щ их периодах дискретизации. Резкие перепады в передаваем ом сигнале в такой систем е м огут несколько сглаж иваться, но накопление ош ибки не происходит. Н ачальны е значения x(0) и y(0) м огут бы ть установлены равны м и м еж ду собой . В этом случаевы ходной и входной сигналы будутразличаться м еж ду собой на сум м у ош ибок, вносим ы х квантователем за врем передачи сигнала. П остепенная коррекция ош ибки квантователя иллю стрируется табл. 1.1. И з приведенны х данны х видно, что ош ибка, возникш ая из-за перегрузки квантователя в такте 6, ком пенсируется за два такта, а ош ибка, возникш ая в такте9, – за один такт.

15

К оррекция ош ибки квантователя

Т аблица 1.1

n

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

x(n)

0

5

12

27

24

54

61

53

74

80

S/(n)

-

5

7

15

-3

15

15

-1

15

12

y(n)

0

5

12

27

24

39

54

53

68

80

П ри наличии пом ех в канале связи в вы ходном сигнале декодера будут возникать ош ибки, распространяю щ иеся на все последую щ ие значения этого сигнала. О дин из наиболее универсальны х м етодов коррекции ош ибок, возникш их в канале связи, это использование обратной связи, охваты ваю щ ей этотканал. В такой систем етребую тся два канала связи: прям ой и обратны й . В телевизионном вещ ании такой подход сопряж ен со значительны м и трудностям и и неприм еняется. Е щ е один распространенны й способ повы ш ения пом ехоустой чивости систем с Д И КМ при наличии ош ибок вканалесвязи – передача с определенной периодичностью опорны х отсчетов с использованием обы чной И КМ . П осле прием а каж дого такого отсчета в декодере форм ирование вы ходного сигнала по приним аем ы м разностны м значениям начинается заново. В сенакопивш иеся кэтом у м ом енту ош ибки аннулирую тся. Развитием Д И КМ является адаптивная им пульсно-кодовая м одуляция АД И КМ (Adaptive Differential Puls Code Modulation –ADPCM). В соответствии с этм м етодом парам етры квантователя Q и предсказателей Pr (рис. 2.1) изм еняю тся в зависим ости от парам етров передаваем ого сигнала. Н априм ер, если средняя за определенны й интервал врем ени скорость изм енения входного сигнала x(n) увеличилась, ш аг квантования такж е увеличивается, чтобы не возникла перегрузка в квантователе. Н аоборот, если средняя скорость изм енения входного сигнала ум еньш илась, ш аг квантования такж е ум еньш ается, чтобы ум еньш ить влияния ш ум а квантования на передаваем ую информ ацию . АД И КМ прим еняется в некоторы х цифровы х систем ах передачи речевой информ ации, наприм ер, в м обильны х телефонах и позволяет ум еньш ить скоростьпередачи двоичны х сим воловвнесколько раз. 2.2.М етод ы преобраз ования из ображений Д ля цифровой обработки и передачи ш ирокополосны х видеосигналов в классической им пульсно-кодовой м одуляции (И КМ ) систем е необходим а вы сокая скоростьпередачи, достигаю щ ая 100 –140 М б ит/с. Снизитьуказанную скорость позволяю т м етоды эффективного кодирования источника видеосигнала, основанны е на сокращ ении объ ем ов психофизиологической и статической избы точности составляю щ их видеоинформ ации. Сниж ение психофизиологической избы точности заклю чается в исклю чении несущ ественны х частей изображ ения или сигнала. К ритериям и исклю чения такой информ ации являю тся парам етры рецепторов зрительного анализатора

16

получателя сообщ ений . П ринципы сокращ ения избы точной информ ации основаны на использовании статических свой ств передаваем ы х изображ ений и сигналов, на статистических пространственно-врем енны х зависим остях значений близлеж ащ их элем ентов изображ ения и неравном ерном распределении вероятностей сигнала. М етоды преобразования изображ ений в общ ем случае основаны на том , что цифровой эквивалентсигнала или основной аналоговы й сигнал м ож етбы ть путем соответствую щ его преобразования изображ ения приведен к виду, которы й наиболее удобен с точки зрения сокращ ения избы точной информ ации или ум еньш ения чувствительности кош ибкам кодирования и передачи, и после прохож дения по цифровой линии связи преобразован обратно в исходную форм у [5]. Т аким образом , при кодировании с преобразованием осущ ествляется сокращ ение как психофизиологической , так и статистической избы точности информ ации на основе преобразования видеоинформ ации из врем енной области в спектральную . Спектральная область при кодировании с пом ощ ью интегральны х преобразований , для краткости назы ваем ы х часто просто преобразованиям и, поним ается в см ы сле обобщ енны х спектров. П реобразование ставит в соответствие сигналу его обобщ енны й спектр. В частном случае преобразование Ф урье ставит в соответствие сигналу спектр в традиционном см ы сле. Д ля краткости анализа будем опускать слово «обобщ енны й » . П роцесс преобразования изображ ений , как правило, основан на разделении изображ ения на частны е подобласти – ф рагм енты и их отдельной обработке. В связи с тем , что в общ ем случае изображ ение характеризуется трехм ерны м и зависим остям и, исходны е фрагм енты такж е долж ны бы ли бы носить трехм ерны й характер. О днако для облегчения процесса обработки и упрощ ения аппаратурной реализации фрагм енты вы бираю тся двум ерны м и или даж е одном ерны м и. В двухм ерны й фрагм ент входит в общ ем случае М элем ентов одного поля изображ ения, располож енны х на N строках. В случае одном ерного фрагм ента осущ ествляется обработка только определенного количества М элем ентовизображ ения одной телевизионной строки. Ф орм ат обрабаты ваем ы х фрагм ентов теоретически определяется диапазоном проявления сущ ествую щ их статистических зависим остей м еж ду элем ентам и изображ ения, а практически – степенью слож ности аппаратурны х средств. В предельном случаес пом ощ ькодирования с преобразованием м ож но обработать все поле или несколько полей . В результате преобразования изображ ения осущ ествляется преобразование видеоинформ ации из врем енной области в спектральную . Результат преобразования представляет собой , как правило, спектральны е коэффициенты преобразования, назы ваем ы е иногда, трансформ антам и, которы е характеризую тся ам плитудой и обобщ енной пространственной частотой – координатой вспектральной области. В основу преобразования изображ ений м огут бы ть полож ены различны е принципы . Н аиболее часто использую тся м етоды линей ны х ортогональны х преобразований . Различаю т ортогональны е преобразования изображ ений , в м атем атическом аппарате которы х непосредственно использую тся

17

статистические свой ства видеоинформ ации (наприм ер, преобразования К арунена-Лоэва), и преобразования, в процессе которы х статистическиехарактеристики или совсем неучиты ваю тся, или учиты ваю тся в ограниченной степени (дискретное преобразование Ф урье, Д КП, преобразование У олш а-А дам ара, S-преобразование и т.д.). Линей ность ортогонального преобразования означает, что операции слож ения, вы читания и ум нож ения на скаляр дей ствительны и после преобразования, а ортогональность – что преобразуем ы й фрагм ентпредставляется ограниченны м набором ортогональны х функций . У нитарностьортогонального преобразования означает схож есть м атем атических аппаратов при прям ом и обратном преобразованиях. Линей ное преобразование м ож но осущ ествить в общ ем случае с непреры вны м или дискретны м сигналом , процессу преобразования при этом будет соответствовать или интегральная, или м атричная форм а записи. Линей ны е ортогональны е преобразования характеризую тся тем , что м еж ду элем ентам и изображ ения устраняю тся статистическиезависим ости и распределение энергии в преобразованном спектральном фрагм енте является неравном ерны м . Э ти особенности использую тся в собственно процессах кодирования. 2.2.1. Дискретное преобраз ование Ф у рье О дним из наиболее распространенны х средств обработки как одном ерны х, так и двум ерны х сигналов, в том числе и изображ ений , является ортогональноедискретноепреобразованиеФ урье[5, 6]. Сущ ность ортогональны х преобразований в м атем атической форм е заклю чается в представлении исходного сигнала в виде сум м ы ортогональны х базисны х функций x(t) и y(t). Н апом ним , что функции x(t) и y(t) назы ваю тся ортогональны м и на отрезке(t1,t2), если их скалярноепроизведениеравно нулю t2

∫ x(t ) y (t )dt = 0

(2.4)

t1

Э то определение м ож ет бы ть распространено на дискретны е сигналы , представляем ы е последовательностям и чисел. Д искретны е сигналы x(n) и y(n), им ею щ ие по N отсчетов, назы ваю тся ортогональны м и, если вы полняется условие N −1

∑ x(n) y (n) = 0. n =0

(2.5)

О дним из наиболее известны х прим еров прим енения ортогонального преобразования является разлож ениепериодического сигнала x(t) врядФ урье ∞ 1 x (t ) = a 0 + ∑ ( a k cos kω 0 t + bk sin kω 0 t ), 2 k =1

(2.6)

18

где ω 0 =

2π ; Т – период повторения сигнала x(t). T

Д ей ствительны е коэффициенты соотнош ениям и

2 a0 = T 2 ak = T 2 bk = T

ряда Ф урье ak

bk определяю тся

T /2

∫ u(t )dt,

−T / 2 T /2

∫ x(t ) coskω tdt, 0

(2.6)

−T / 2 T /2

∫ x(t ) sin kω

0

tdt.

−T / 2

В ком плексной форм еразлож ениевряд Ф урьеим еетвид x (t) =

∞

∑

k = −∞

где

1 Сk = T

T /2

∫ x (t ) e

− jkω 0 t

−T / 2

jk ω 0 t

C ke

dt

,

(2.7)

- ком плексны еам плитуды гарм оник;

j – м ним ая единица. В ряд Ф урье м ож ет бы ть разлож ен не только периодический сигнал, им ею щ ий период Т, но и сигнал, отличны й от0 только на интервалеврем ени (Т/2, Т/2). В этом случае используется п ериодическое п родолж ение сигна ла на всю осьврем ени с периодом Т. Рассм отрим дискрет ны й сигна л x(n), отличны й от 0 при n = 0,1,… ,N-1. Д ля такого сигнала такж ем ож но ввести разлож ениепо базису синусоидальны х функций . Т ак как частотны й спектр дискретизируем ого сигнала долж ен бы ть ограничен сверху в соответствии с условием теорем ы К отельникова, в разлож ении дискретного сигнала остается конечное число частотны х составляю щ их, представляю щ их собой дискретны е ком плексны е гарм онические функции. Т акое разлож ение, назы ваем ое дискретны м преобразованием Ф урье(Д П Ф ), им еетвид

x(n) =

1 ⋅ N

N −1

∑ X ( k )e

j(

2π ) nk N

k =0

, n = 0,1… N-1,

(2.8)

гдекоэффициенты Д П Ф Х(k) определяю тся соотнош ением 2π

X (k ) =

− j nk 1 N −1 N x ( n ) e ·∑ N n =0

k = 0,1… N-1.

(2.9)

19

Следует отм етить, что нахож дение коэффициентов X(k) по (2.9) обы чно назы ваю т прям ы м Д ПФ , а получение сигнала по этим коэффициентам всоответствии (2.8) – обратны м Д ПФ . В этих соотнош ениях вм есто интегралов появились сум м ы , так как исходны й сигнал ненепреры вны й , а дискретны й . Ч астотеkω 0 , используем ой в разлож ении аналоговы х сигналов и им ею щ ей разм ерность рад/с, в Д ПФ соответствует безразм ерная величина 2π k/N , где k = 0,1,… N-1. О тнош ение k/N показы вает, какую часть частоты дискретизации составляет частота данной дискретной гарм оники. Н а рис.2.2 показаны дей ствительны е (слева) и м ним ы е (справа) составляю щ ие дискретны х гарм онических функций для N = 16 и разны х значений k: а) k = 1; б) k=5; в) k = 8; г) k = 12. В последнем случае частота дискретной гарм онической функции превы ш ает половину частоты дискретизации (k/N =3/4), и реальная частота дей ствительной и м ним ой составляю щ их этой функции на врем енны х диаграм м ах оказы вается такой ж е, какдля k =4. Рассм отрим прим ер Д П Ф одном ерного сигнала. Н а рис.2.3а показан отрезок дискретного сигнала, содерж ащ ий N = 256 отсчетов (отдельны е отсчеты в м асш табе рисунка неразличим ы ). Э тот сигнал представляет собой сум м у синусоидальны х сигналов с дискретны м и частотам и f1 = 0,0625 (k=16), f2 = 0,0664 (k = 17) и f3 =0,1680 (k=43) и некоррелированного ш ум а с гауссовы м

а)

б)

в)

г) Рис.2.2. Д искретны егарм оническиефункции

20

распределением значений . Н а рис.2.3,б показан график значений м одулей коэффициентовД П Ф этого сигнала. П о горизонтальной оси отлож ены значения частоты , вы раж енны е в долях частоты дискретизации. Значение f = 0,5 соответствует128. Составляю щ иес близким и частотам и f1 и f2 на графикесливаю тся в один пик. Ш ум даетравном ерноераспределениепо всем частотам . К ак видно из рисунка, график значений м одулей коэффициентов Д П Ф сим м етричен относительно значения частоты f = 0,5. П оэтом у для того, чтобы получить полную информ ацию о м одулях коэффициентов Д П Ф , достаточно взять первы е N/2 этих коэффициентов. О днако для точного восстановления сигнала с пом ощ ью обратного Д П Ф необходим ы все N коэффициентов, чтобы учестьфазы всех гарм оник. К оэффициенты Д П Ф X(k) и экспоненциальны е м нож ители (2.8), (2.9) являю тся

а)

б)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Рис.2.3. Д искретны й сигнал (а) и м одульего Д ПФ (б)

ком плексны м и числам и. К аж дое ком плексное число запом инается в З У в виде пары дей ствительны х чисел, представляю щ их его дей ствительную и м ним ую части. Слож ение двух ком плексны х чисел требует вы полнения двух операций слож ения дей ствительны х чисел – отдельно склады ваю тся дей ствительны е и м ним ы е части. У м нож ение двух ком плексны х чисел требует вы полнения четы рех операций ум нож ения и двух операций слож ения дей ствительны х чисел. Т аким образом , вы полнение Д ПФ в ком плексной форм е приводит к сущ ественном у увеличению необходим ого объ ем а ЗУ и врем ени вы числений . Ч тобы им еть дело только с дей ствительны м и числам и, обы чно использую т разлож ениес пом ощ ью дискретного косинусного преобразования (Д КП). 2.2.2. Дискретное косину сное преобраз ование К м етодам линей ны х ортогональны х преобразований , которы е в последнее врем я ш ироко прим еняю тся в области цифровой обработки видеоинформ ации,

21

относится и м етод дискретного косинусного преобразования (Д КП), основанны й на использовании ортогональной систем ы дискретны х косинусны х функций возрастаю щ ей частоты . П реобразование данного типа хорош о согласуется с парам етрам и ТВ сигнала, что является необходим ы м условием эффективного кодирования видеоинформ ации. Д КП относится к преобразованию с неравны м и координатам и векторовм атрицы преобразования. В первы е м етод Д КП бы л опубликован в 1970 году [5]. В опросам передачи видеоинформ ации с пом ощ ью Д КП в специальной литературе посвящ ено ограниченноечисло м алоизвестны х работ[5]. Д КП непосредственно связано с разлож ением Ф урье периодической дискретной сигнальной последовательности. П оэтом у далее Д КП рассм атривается с использованием этих обобщ енны х соотнош ений . Д КП описы вается соотнош ением [6]

2 N −1 2n + 1 ⋅ ∑ С ( k ) cos( kπ ), N k =0 2N

x(n ) =

(2.10)

гдекоэффициенты Д КП определяю тся по форм улам C (0) = C (k ) =

N −1

1 2N 2 N

∑ x(n), n =0

(2.11)

2n + 1 x (n ) cos( kπ ), ∑ 2N n =0 N −1

k = 1… N-1. К ак в случаеД ПФ , нахож дениекоэффициентов C(k) по (2.11) назы вается прям ы м Д КП, а представлениесигнала ввиде(2.10) назы вается обратны м Д КП. А налогично м ож но записатьсоотнош ения для прям ого и обратного Д П Ф и Д КП в двум ерном случае. Д вум ерны й дискретны й сигнал, наприм ер, отдельны й кадр цифрового телевизионного сигнала, представляется м атрицей значений x(m,n), где m = 0… M-1 – ном ер отсчета в строке, n =0… ,N-1 – ном ер строки вкадре. П рям оедвум ерноеД ПФ им еетвид 2π

2π

) km − j ( ) nl − j( 1 M −1 N −1 M N X (k , l ) = x ( m , n ) e e , ∑∑ MN m =0 n =0 k = 0...M − 1, l = 0... N − 1,

(2.12)

где X(k,l) – ком плексны е коэффициенты Д ПФ , отображ аю щ ие пространственно-частотны й спектр изображ ения. О братное двум ерное Д ПФ представляет разлож ение изображ ения по базисны м функциям

22

x (m, n ) =

1 MN

M −1 N −1

∑∑ x(k , l )e

j(

2π ) km M

e

j(

2π ) nl N

.

k =0 l =0

(2.13)

К оэффициенты двум ерного прям ого Д К П определяю тся по форм улам C(k , l ) = C (0, l ) = C ( k ,0) =

2 MN 1 MN 1

M −1 N −1

∑ .∑ x(m, n) cos(

m =0 n =0

M −1 N −1

∑ .∑ x(m, n) cos(

m =0 n =0

M −1 N −1

∑ .∑ x(m, n) cos(

MN m =0 n =0 1 M −1 N −1 C (0,0) = ∑ .∑ x(m, n). 2 MN m =0 n =0

2m + 1 2n + 1 πk ) cos( πl ), 2M 2N 2n + 1 πl ), 2N 2m + 1 πk ), 2M

(2.14)

О братноедвум ерноеД КП им еетвид: 1 M −1 N −1 2m + 1 2n + 1 x ( m, n ) = .∑ x ( k , l ) cos( πk ) cos( πl ). ∑ 2M 2N MN k =0 l =0

(2.15)

В еличины k/M и l/N являю тся дискретны м и пространственны м и частотам и, по горизонтальной и вертикальной координатам , соответственно, которы е вы раж аю тся безразм ерны м и величинам и, им ею щ им и такой ж е см ы сл, как и дискретная частота в одном ерном случае. К аж дая дискретная пространственная частота пропорциональна отнош ению пространственного периода дискретизации по данной координате к пространственном у периоду этой частотной составляю щ ей . П ространственны е периоды при этом изм еряю тся вединицах расстояния. Н а рис.2.4. показаны в виде полутоновы х картинок базисны е функции двум ерного Д КП для M=8, N=8. Светлы е участки соответствую т полож ительны м значениям , а тем ны е– отрицательны м . П оказаны прим еры : а ) k=1, l=0; б ) k=0, l=1; в ) k=7, l=7; г) k=0, l=2.

а)

б)

в)

Рис.2.4. Н екоторы ебазисны ефункции двум ерного Д КП блока 8х 8 элем ентовизображ ения

г)

23

Следует им еть в виду, что в различны х литературны х источниках запись соотнош ений для Д ПФ и Д КП м ож ет бы ть различной . В соотнош ениях (2.8)-(2.15) норм ирую щ иепоказатели вида

1 N

или

1 MN

введены и впрям ое

и в обратное преобразования. В то ж е врем я в (1.9)-(1.11) норм ирую щ ий м нож итель им еется только в вы раж ениях для прям ого преобразования, как обы чно делается в справочниках по вы сш ей м атем атике. В технической литературевстречаю тся оба варианта записи для Д ПФ и Д КП. О ценим количество операций , необходим ы х для вы числения Д П Ф в соответствии с (2.9). Д ля этого преобразуем (2.9), вы делив в нем операции над дей ствительны м и частям и чисел

X (k ) =

1 N −1 ⋅ ∑ [ x (n ) Re(WNkn ) + jx (n ). Im(WNkn )], N n =0

гдеk=0,1,… ,N-1; W

kn N

=e

j(

2π ) nk N

(2.16)

.

П ри этом учиты вается, что значения сигнала x(n) являю тся дей ствительны м и числам и. И з (1.20) видно, что для вы числения одного значения X(k) необходим о вы полнить приблизительно 2N ум нож ений и (2N-2) слож ений дей ствительны х чисел. Д ля вы числения всех N значений X(k) надо вы полнить2N2 ум нож ений и N(2N-2) слож ений дей ствительны х чисел. К ром е того, требуется ЗУ для хранения значений x(n), X(k) и WknN . В ы полнение обратного Д ПФ потребует в два раза больш е операций , так как значения X(k) являю тся ком плексны м и числам и и число слагаем ы х увеличится вдвое. В целом м ож но оценить затраты вы числительны х ресурсов при вы полнении прям ого и обратного Д ПФ как пропорциональны е N2. А налогично м ож но показать, что вы числениедвум ерны х прям ого и обратного Д ПФ требует вы полнениеколичества операций , пропорционального N2M2. Н априм ер, вы числение Д ПФ для квадратного блока изображ ения, содерж ащ его 8х 8 элем ентов (пикселов), потребует вы полнения прим ерно 16х 103 операций ум нож ения и слож ения. А вы числение Д ПФ черно-белого телевизионного кадра обы чного стандарта разлож ения, содерж ащ его 720х 576 пикселов, потребует вы полнения около 8х 1011 операций . Е сли вы числения производятся на ком пью тере, вы полняю щ им 106 операций над дей ствительны м и числам и в секунду, врем я вы числения Д ПФ составит 8х 105 с или более 200 ч. О чевидно, что для вы числения Д ПФ телевизионны х изображ ений в реальном врем ени, т.е. за период кадровой развертки, необходим о искатьпути сокращ ения количества требуем ы х операций . Н аиболее радикальны й способ ум еньш ения объ ем а вы числений заклю чается в прим енении откры ты х в 60-е годы бы стры х алгоритм ов Д П Ф , назы ваем ы х алгоритм ам и бы строго преобразования Ф урье (Б ПФ ). П одход основан на использовании периодичности экспоненциальны х функций типа WNkn = e-j(2π /N)nk и их сим м етрии относительно перестановки м нож ителей n, k . В

24 r

наиболее простом случае, когда N=2 , гдеr – натуральноечисло, вы числение значения X(k) одном ерного Д ПФ разбивается на r ш агов. Н а первом ш аге отсчеты исходного сигнала x(n) разбиваю тся на пары и для каж дой пары вы числяю тся коэффициенты Д ПФ при N=2. Н а втором ш аге по результатам первого ш ага находяткоэффициенты Д ПФ с N=4 для групп по четы реэлем ента и т.д. А налогично вы полняется вы числениеобратного Д П Ф . Н а каж дом ш агенеобходим о N ком плексны х слож ений и N ком плексны х ум нож ений . Ч исло ж еш аговравно log2N. Д вум ерное БП Ф м ож ет бы ть разлож ено на последовательность одном ерны х. Ч исло требуем ы х операций оказы вается пропорциональны м NM log2 (NM). Д ля приведенного вы ш е прим ера телевизионного кадра, состоящ его из720х576 пикселов, это значение оказы вается равны м прим ерно 8х106 , что в 105 раз м еньш е, чем число операций , требуем ое для непосредственного вы числения Д ПФ . Сущ ествую ттакж ебы стры еалгоритм ы вы числения Д КП. К акбудетвидно издальней ш его, вцифровом телевидении главную рольиграет Д КП блоков 8х 8 пикселов, при вы полнении которого используется алгоритм бы строго вы числения одном ерного Д КП отрезка цифрового сигнала, содерж ащ его 8 элем ентов. П ри этом сначала вы числяю тся Д КП для каж дого столбца блока элем ентов, а затем в полученной м атрице 8х8 чисел вы числяю тся Д КП для каж дой строки. В соврем енной аппаратуре, в том числе и для цифрового телевидения, Д ПФ и Д КП, как правило, вы полняю тся в реальном врем ени с прим енением цифровы х процессоров обработки сигналов (Ц ПО С ) или специальны х аппаратны х средств, наприм ер, параллельны х цифровы х устрой ств. Д КП леж ит в основе наиболее ш ироко используем ы х в настоящ ее врем я м етодовкодирования, втом числеMPEG-2. 3.М етод ы обработки и код ирования Т В сигналов и из ображений А налоговы еТ В С (SECAM, PAL и NTSC) в своеврем я бы ли разработаны как стандарты для передачи сигналов, а не производства Т В програм м , так как проблем ы согласования уровней составляю щ их, см ещ ения по постоянном у току и частотны х характеристик в конечном счете так и не бы ли реш ены . К ром е того, уровень ш ум ов, изм енение ам плитудной характеристики по отнош ению к частоте и врем ени являю тся постоянны м и парам етрам и, зависящ им и отхарактеристик элем ентной базы , заклады ваем ой в конструкцию оборудования. Ц Т С неим ею тподобны х проблем . В зависим ости от характера входного сигнала м етоды цифрового кодирования вцветном телевидении м ож но разделитьна двегруппы . 1.М етоды цифрового кодирования полного цветового Т В сигнала (так назы ваем оенепосредственноекодирование). 2.М етоды цифрового кодирования составляю щ их сигнала цветового изображ ения (такназы ваем оеком понентноекодирование). П ри цифровом кодировании полного цветового Т В сигнала основная структура сигнала не изм еняется и отдельны е ее составляю щ ие передаю тся в форм е соответствую щ ей аналоговой систем е цветного телевидения (NTSC,

25

PAL, SECAM). Э ти м етоды целесообразно прим енять для кодирования цветовы х сигналов, сформ ированны х на основе ам плитудной м одуляции (NTSC, PAL), так как в аппаратуре они позволяю т осущ ествить в цифровой форм е различны е операции с цифровы м сигналом и в результате реализовать все основны е форм ы реж иссерской обработки. О днако реализация специальны х видеоэффектов, как правило, связана с необходим остью перехода к ком понентны м сигналам [1]. В общ ем случае преим ущ ество м етодов ком понентного кодирования заклю чается в том , что они в больш ей степени соответствую т характеристикам зрения наблю дателя и позволяю т реализовать и прим енить технику цифрового кодирования. К ом понентное цифровое кодирования составляю щ их сигнала полного цветового Т В такж еограничивает взаим ное влияние В Ч составляю щ их сигнала цветности и сигнала яркости – перекрестны е искаж ения «яркость – цветность» , которы е в аналоговы х систем ах передачи возникаю тврезультатеиспользования принципа передачи в общ ей полосе[2]. 3.1.К ом понентное циф ровое код ирование Т В сигналов В основу м етодов цифрового кодирования составляю щ их сигналов цветного изображ ения полож ено раздельное цифровое кодирование отдельны х составляю щ их (сигнала яркости и цветоразностны х сигналов) без учета аналоговой структуры сигналовNTSC, PAL, SECAM. П ри ком понентном цифровом кодировании сигналов цветны х изображ ений осущ ествляется кодирование уж е сущ ествую щ их сигналов: сигнала яркости Y и цветоразностны х сигналов R-Y, B-Y [1]. О пределяю щ им критерием при этом является нетолько взаим освязьс аналоговой Т В техникой , но и преж де всего вы сокая эффективность кодирования этих составляю щ их с эконом ической точки зрения. К ом понентное кодирование составляю щ их устраняеттакж енедостатки аналогового принципа разм ещ ения в совм ещ енной полосе сигналов яркости и цветности в систем ах PAL и SECAM и позволяет при их цифровом кодировании достичь лучш его согласования с характеристикам и зрения. П равильны й вы бор парам етров дискретизации (структуры и частоты дискретизации) является одним из основны х условий вы сокого качества передаваем ого в цифровой форм е изображ ения, возм ож ности ком понентного кодирования сигналов систем PAL и SECAM и обеспечения простоты взаим ного преобразования сигналов и систем подачи и распределения Т В програм м . Е сли рассм атривать вопросы вы бора структуры дискретизации, то при дискретизации изображ ения наиболее целесообразно прим енение структуры , ж естко связанной с частотам и строки кадров, по следую щ им причинам : - искаж ения, возникаю щ ие в процессе дискретизации, м енее зам етны в стационарны х структурах дискретизации; - перспективны е преобразования свет – сигнал на базе приборов с зарядовой связью форм ирую тизображ ения на основеструктуры ;

26

- строчная и кадровая (или полукадровая) периодичность дискретизируем ого сигнала позволяет осущ ествить обработку без необходим ой интерполяции в результате того, что обрабаты ваем ы е элем енты изображ ения находятся водних и тех ж еточках изображ ения. К основны м типам стационарны х структур дискретизации относятся: - ортогональная (прям оугольная), отдельны е элем енты которой располож ены на одинаковы х позициях в вертикальном направлении (рис.2.1,а); - со строчны м чередованием точек, образованная врезультатесдвига на половину интервала дискретизации отсчетов соседних строк данного поля (рис.2.1,б); - с чередованием точекпо полям , образованная двум я ортогональны м и структурам и в двух полях в результате сдвига отсчетов соседних полей на половину интервала дискретизации (рис.2.1,в). Н а рис. 3.1,г,д показаны варианты располож ения отсчетов яркостного (Y) и цветоразностны х сигналов(CR , CB ) при дискретизации цветны х Т В изображ ений [1,2].

а)

б)

в) - отсчеты цветоразностны х сигналовCR, CB - отсчеты сигнала яркости Y

г)

д)

Рис.3.1. П рим еры основны х стационарны х структур дискретизации Т В изображ ения: а) ортогональная; б) со строчны м чередованием точек; в) с чередованием точекпо полям ; г) и д) – варианты располож ения отсчетовяркостного и цветоразностного сигналов

Н а основе требований Реком ендации ITU – R BT 601 бы л разработан и внедрен в пром ы ш ленность как едины й м еж дународны й стандарткодирования Т В сигнала, предусм атриваю щ ий раздельное кодирование яркостного (Y) и двух цветоразностны х сигналов(CR , CB) [1]. Д ля уяснения сущ ности данного стандарта рассм отрим его основны е полож ения.

27

4. Ц иф ровы е Т В сигналы согласно Реком енд ации ITU – R - В Т 601 4.1. Дискретиз ация. У становлено одно значение частоты дискретизации сигнала яркости (Y), равное 13,5 М Гц , для обоих стандартов развертки 25 Гц , 625 строк и 30 Гц , 525 строк. К аж ды й цветоразностны й сигнал (CR, CB) дискретизируется с вдвое м еньш ей частотой 6,75 М Гц . В соответствии с приняты м и обозначениям и, данны й стандарт цифрового кодирования Т В сигналов обозначается 4:2:2. Э то означает, что частота дискретизации цветоразностны х сигналов в два раза м еньш е, чем частота дискретизации яркостного сигнала, определенная на основании теорем ы К отельникова, причем в каж дой строке присутствую т оба цветоразностны х сигнала. В заим ное располож ение отсчетов яркостного и цветоразностны х сигналов показан на рис.3.1,г. П олное число отсчетов яркости в строке равно 864, а число отсчетов каж дого цветоразностного сигнала – 432. За врем я активного участка строки форм ируется 720 отсчетов сигнала яркости и 360 отсчетов каж дого цветоразностного сигнала. Э ти количества отсчетовявляю тся пром еж уточны м и м еж ду значениям и, необходим ы м и для получения квадратны х пикселов в указанны х стандартах развертки. Т аким образом , при разработкеРеком ендации 601 бы л достигнут ком пром исс. Ч исло активны х строк в кадре для стандарта 625 строк равно 576. П олное число передаваем ы х в каж дом кадре элем ентов изображ ения равно 414720. Сигналы данны х передаю тся в форм е двоичной информ ации, закодированной в словах, состоящ их из 8 или 10 бит. Т акие сигналы содерж ат собственно видеосигналы и опорны е врем енны е сигналы (Timing Reference Signal –TRS). В протокол такж е вклю чены дополнительны е данны е и сигналы идентификации. В идеосигналы форм ирую т путем кодирования составляю щ их аналогового видеосигнала. Э ти составляю щ ие (ком поненты ) - cигналы яркости (Y) и цветоразностны е сигналы (CR, CB), образованны е из первичны х сигналов (R, G, B). Сигналы CR, и CB приблизительно эквивалентны сигналам (R–Y) и (B-Y), соответственно. О сновны епарам етры кодирования для цифрового 4:2:2 приведены втабл.4.1. Ч астоты дискретизации 13,5 М Гц (для сигнала яркости) и 6,75 М Гц (для цветоразностны х сигналов) являю тся целы м и кратны м и частоты 2,25 М Гц – наим еньш им общ им кратны м частоты строк в систем ах 625/50 и 525/60, что приводит к статической форм е ортогональной дискретизации для обоих сигналов. Сигналы яркости и цветоразностны есигналы квантую тся соответственно до 8 или 10-битовой глубины вм есте с сигналом яркости, дваж ды дискретизированны м , так ж е часто, как каж ды й сигнал цветности (74 нс вм есто148 нс). П олученны е значения м ультиплексирую тся (уплотняю тся) вм есте согласно следую щ ей структуре: CB,Y, CR, Y, CB, Y, CR,… , где три слова (С B, Y, CR) соответствую т отсчетам сигнала яркости и цветоразностны х сигналов, относящ ихся к одной и той ж е точке, а следую щ ее слово Yсоответствует только соседнем у отсчету яркости. П ервое слово видеоданны х каж дой активной строки – CB.

28

Основны е парам етры код ирования д ля циф ровогоф орм ата 4:2:2 Т абл.4.1 №

1

2

П арам етры К одированны есигналы Y, CR, CB Ч исло отсчетовна полную строку: для сигнала яркости (Y) для каж дого цветоразностного сигнала (CR, CB)

3

Структура дискретизации

4

Ч астота дискретизации, М Гц: для сигнала яркости (Y) для каж дого цветоразностного сигнала Ф орм а кодирования

5

6

7

8

Ч исло отсчетов на активную цифровую строку: для сигналовяркости для каж дого цветоразностного сигналоа В рем енны есоотнош ения м еж ду строкам и аналогового и цифрового сигналов: отконца цифровой активной строки до О Н Соотнош ением еж ду уровням и видеосигнала и уровням и квантования: - ш кала -

сигнал яркости

С истем ы 625 строк 50 полей Э ти сигналы получаю тизсигналов R, G, B c учетом γ - коррекции 864

С истем ы 525 строк 60 полей Э ти сигналы получаю тизсигналов R, G, B c учетом γ - коррекции 858

432 429 О ртогональны епов- О ртогональны еповторяю щ иеотсчеты торяю щ иеотсчеты строк, полей и изострок, полей и изображ ений CR и CB, браж ений CR и CB, cовм ещ енны ес неcовм ещ енны ес нечетны м и (1,3,5,… ) четны м и (1,3,5,… ) отсчетам и Y вкаж - О тсчетам иY в каж дой строке дой строке 13,5 6,75 Равном ерно квантованны еИ К М сигналы , 8 битна отсчет для сигнала яркости и каж дого цветоразностного сигнала

13,5 6,75 Равном ерно квантованны е И К М сигналы , 8 бит на отсчет для сигнала яркости и каж дого цветоразностного сигнала

720 360 12 тактовы х периодовсигнала яркости (PAL)

720 360 16 тактовы х периодовсигнала яркости (NTSC)

от0 до 225 220 уровней квантования с уровнем черного, соответствую щ им уровню 16, и пиковы м уровнем белого, соответствую щ им уровню 235. Сигналврем я отврем ени м ож ет превы ш атьуровень

от0 до 225 220 уровней квантования с уровнем черного, соответствую щ им уровню 16, и пиковы м уровнем белого, соответствую щ им уровню 235. Сигнал врем я от врем ени м ож ет превы ш ать уровень

29

- цветоразностны й сигнал

9

И спользованиекодовы х слов

235

235

225 уровней квантования вцентральной части ш калы квантования при соответствии нулевого сигнала уровню 128 К одовы еслова, соответствую щ ие уровням квантования 0 и 255, использую тся исклю чительно для синхронизации. У ровни от 1 до 254 предназначены для видео

225 уровней квантования в центральной части ш калы квантования при соответствии нулевого сигнала уровню 128 К одовы е слова, соответствую щ ие уровням квантования 0 и 255, использую тся исклю чительно для синхронизации. У ровни от 1 до 254 предназначены для видео

4.2. В рем енны е соотнош ения м ежд у аналоговы м и циф ровы м Т В сигналам и Д ля лучш его поним ания отличительны х осбенностей м еж ду аналоговы м и цифровм сигналам и рассм отрим их врем енны есоотнош ения [1.2]. Ц ифровая активная строка начинается с 264-го слова от переднего фронта аналогового строчного синхроим пульса, причем это врем я указы вается м еж ду точкам и с уровням и ам плитуд 0,5 (рис.2.2) Н ачало первого поля задано полож ением , определенны м для начала цифровой активной строки; первое цифровое поле начинается с 24-го слова перед аналоговой строки № 1. В тороецифровоеполеначинается с 24-го слова до начала аналоговой строки № 313. Д ва опорны х врем енны х сигнала видео уплотняю тся в потоке данны х на каж дой строке, как показано на рис.2.2, и сохраняю т тот ж е сам ы й форм ат на протяж ении всего интервала гаш ения полей . К аж ды й опорны й врем енной сигнал состоит изпоследовательности 4-х слов: первы е три слова относятся к фиксированном у заголовку, а четвертое содерж ит информ ацию , которая определяет: - гаш ениепервого и второго поля; - состояниегаш ения поля; - начало и конец гаш ения строки. К ром еформ ата 4:2:2 предусм отрены и другиеформ аты преобразования Т В сигналов в цифровую форм у. Н априм ер, при использовании форм ата 4:2:0 каж ды й цветоразностны й сигнал им еет частоту дискретизации в 2 раза ниж е частоты дискретизации яркостного сигнала и передается в каж дой второй строке. Располож ение отсчетов яркостного и цветоразностны х сигналов в плоскости изображ ения для этого варианта показано на рис. 2.1,д. О тсчеты цветоразностны х сигналов показаны м еж ду строкам и отсчетов яркостны х сигналови для каж дого изэтих сигналовобразую тм атрицу 360х288 элем ентов.

30

П ри форм ате 4:1:1 оба цветоразностны х сигнала передаю тся в каж дой строке, но их частоты дискретизации в четы ре раза м еньш е частоты дискретизации яркостного сигнала, т.е. равны 3,375 М Гц . Ч исло элем ентов каж дого цветоразностного сигнала в кадре в этом случае такое ж е, как для форм ата 4:2:0. П ри форм ате 4:4:4 оба цветоразностны х сигнала передаю тся в каж дой строкеи дискретизирую тся с той ж ечастотой , что и яркостны й сигнал. В РЕ М Е Н Н Ы Е СО О Т Н О Ш Е Н И Я М Е Ж Д У А Н А ЛО ГО В Ы М И Ц И Ф РО В Ы М СИ ГН А ЛА М И Т - ном инальны й тактовы й период37 нс

SAV - кодначала отсчета активной части строки;

Е AV - кодконца отсчета активной части строки;

И нтервалстрочного гаш ения аналогового сигнала

Он

Он Т В строка 64 м кс 20Т

16Т

EAV

SAV

У плотненны е видеоданны е CbY CrY CbY...

4Т

EAV

Блоквидеоданны х 1488Т

24Т

4Т

И нтервалстрочного гаш ения цифрового сигнала

А ктивная частьстроки цифрового сигнала

288Т

1440Т 1728Т

4.3. К вантование Согласно Реком ендации 601, для всех сигналов предусм отрено число разрядов квантования n =8, что дает число уровней квантования Nкв=256. П ри этом уровню черного сигнала яркости соответствует 16-й уровень квантования, а ном инальном у уровню белого – 235-й уровень квантования. 16 уровней квантования снизу и 20 уровней квантования сверху образую т резервны е зоны на случай вы хода значений аналогового сигнала яркости за пределы ном инального диапазона. У ровни 0-й и 255-й квантования им ею т особы е

31

назначения. С пом ощ ью соответствую щ их им кодов передаю тся сигналы синхронизации. А налого-цифровое преобразование сигнала яркости вы раж ается соотнош ением Y = 219E΄Y + 16 , (4.1) где E΄Y – аналоговы й сигнал яркости, изм еняю щ ий ся в диапазоне от 0 до 1 В ( ш трих означает, что сигнал прош ел гам м а-корркцию [2] ), Y- цифровой сигналяркости, изм еняю щ ий ся вдиапазонеот16 до 235. П ри квантовании цветоразностны х сигналов такж е предусм атриваю тся резервны е зоны – по 16 уровней квантования сверху и снизу. Н а А Ц П поступаю тнесам и цветоразностны есигналы E΄R-Y , E΄B-Y, а ком прессированны е цветоразностны есигналы , форм ируем ы евсоответствии с соотнош ением ECR = 0,713 E΄R-Y, ECB = 0,564 E΄B-Y, (4.2) П ричем ECR и ECВ изм еняю тся вдиапазонеот–0,5 до 0,5 В. А налого-цифровое преобразование цветоразностны х сигналов, в результате которы х получаю тся цифровы е цветоразностны е сигналы CR и CB , вы полняется всоответствую щ им и соотнош ениям и CR = 224 Е ΄С R +128 = 159,712 E΄ R-Y+128 = 160 E΄ R-Y+ 128

(4.3)

CВ = 224 Е ΄С В +128 = 126,336 E΄ В -Y+128 = 126 E΄ В -Y+ 128

(4.4)

Т ак как цветоразностны е сигналы являю тся двуполярны м и и м аксим альны е отклонения от нулевого значения в полож ительную и отрицательную сторону прим ерно одинаковы , 128-й уровень квантования долж ен соответствоватьнулевом у значению этих сигналов. Н а рис.4.1 показано сответствием еж ду уровням и аналоговы х Т В сигналов и уровням и квантования для обы чного тестового изображ ения ввиде8 цветны х полос. В состав цифрового Т В сигнала, согласно Реком ендации 601, входят синхросигналы . П еред началом активного участка каж дой строки в конце строчного гасящ его им пульса передается синхросигнал начала активной строки (Н А С или EAV), а послеокончания активного участка каж дой строки в начале строчного гасящ его им пульса передается синхросигнал конца активной строки (К А С или SAV). К аж ды й изсинхросигналов Н А С и К А С содерж ат 4 бай та. П ервы й бай т состоит из 8двоичны х единиц, что соответствует десятичном у числу 255 (в ш естнадцатеричной записи FF). Следую щ ие 2 бай та равны 0. П оследний четверты й бай т содерж ит информ ацию о том , какое передается поле (четное или нечетное), какой им енно это синхросигнал, а такж еобеспечиваетзащ иту от ош ибок. Больш ая часть длительности строчного гасящ его им пульса м еж ду синхросигналам и Н А С и К А С остается свободной , и во врем я ее м ож но передавать различную информ ацию , наприм ер, преобразованны е в цифровую форм у сигналы звукового сопровож дения.

32

Y 1,000 0,922

255 (11111111) 235 (11101011)

0,063 0,000

1,000 0,941

16 (00010000) 0 (00000000)

CR

128 (10000000)

0,502

0,063 0,000 1,000 0,941

0,502

0,063 0,000

255 (11111111) 240 (11110000)

16 (00010000) 0 (00000000)

CR 255 (11111111) 240 (11110000)

128 (10000000)

16 (00010000) 0 (00000000)

Рис.4.1. Соответствием еж ду уровням и аналоговы х Т В сигналови уровням и квантования по РЕ К . ITU-R BT 601

4.4. Ф орм ирователи Ц Т С Рассм отрим 2 варианта структурной схем ы форм ирователя Ц Т С всоответствии с Реком ендацией ITU-R BT 601. В устрой стве, показанном на рис.4.2,а, сигналы основны х цветов ER, EG, EB с источника Т В сигналов вначале поступаю т на гам м а-корректоры (ГК), сформ ированны е в которы х сигналы E΄R, E΄G, E΄B в кодирую щ ей м атрице (КМ ) по известны м соотнош ениям преобразую тся в сигнал яркости E΄Y и цветоразностны есигналы E΄R-Y, и E΄B-Y. Д алееэти сигналы преобразую тся в А Ц П в цифровы е сигналы Y, CR и CB, соответственно. Н а входах А Ц П им ею тся дополнительны е аналоговы е узлы , вы полняю щ ие м асш табирование и сдвиг сигналов в соответствии с (4.2), (4.3) и (4.4).Ч исло разрядовкаж дого А Ц П , какправило, равно 8.

33

Синхроим пульсы развертки источника Т В сигналов поступаю т на форм ирователь цифровы х синхроим пульсов (Ф Ц СИ ), вы рабаты ваю щ ий синхросигналы Н А С (Е А V) и К А С (SAV). E΄R

ER

EG

Y

E΄Y

КМ

ГК E΄G

MS

АЦ П

E΄R-Y

CR АЦ П

ГК

Ц Т С EB

E΄B

E΄B-Y

ГК

CB АЦ П

НАС

Cинхроим пульсы Ф Ц СИ

КА С

ГТ И

а) Rd

ER АЦ П EG АЦ П

Ц ГК Gd

R΄d

Y MS

Ц КМ

G΄d

CR

B΄d

CB

Ц ГК Ц Т С

EB АЦ П

Bd

Ц ГК

НАС

Cинхроим пульсы Ф Ц СИ

КА С ГТ И

б)

Рис.4.2. В арианты структурной схем ы форм ирователя Ц Т С

К ром е того, синхроим пульсы использую тся для синхронизации генератора тактовы х им пульсов (ГТ И ), которы й вы рабаты вает им пульсы с частотам и 27, 13,5 и 6,75 М Гц, поступаю щ иена другиеузлы устрой ства. ГТ И содерж итсхем у

34

фазовой автоподстрой ки частоты (Ф А П Ч ), с пом ощ ью которой обеспечивается требуем ое число периодов тактовы х им пульсов за период строчной развертки источника Т В сигналов. М ультиплексор (MS) в заданной последовательности передает на вы ход цифровы е сигналы Y, CR и CB и цифровы е синхросигналы . В результате на вы ходеустрой ства оказы вается сформ ированны м Ц Т С. В другом варианте устрой ства (рис.4.2,б) сигналы основны х цветов ER, EG, EB. П ри этом каж ды й А Ц П долж ен им еть по м еньш ей м ере 10, а лучш е 12 двоичны х разрядов. Д алеецифровы есигналы Rd, Gd, Bd поступаетна цифровы е гам м а-корректоры (Ц ГК ), вкоторы х вы полняю тся нелиней ны епреобразования. Ч исло двоичны х разрядов прош едш их гам м а-коррекцию цифровы х сигналов R΄d, G΄d, B΄d , равно 8. Затем сигналы R΄d, G΄d, B΄d в цифровой кодирую щ ей м атрице (Ц К М ) преобразую тся в цифровой сигнал яркости Y и цифровы е цветоразностны есигналы С R, CB . Ф орм ирование синхросигналов и тактовы х им пульсов и работа м ультиплексора осущ ествляю тся аналогично первом у варианту устрой ства. В ы полнениегам м а-коррекции цифровы м и средствам и обеспечиваетболее точное задание требуем ой функции преобразования, но при этом требую тся им ею щ иебольш едвоичны х разрядови, следовательно, болеедорогиеА Ц П . Л итерату ра О сновная литература 1. См ирнов А .В . О сновы цифрового телевидения: учебное пособие /А .В . См ирнов. - М .: Горячая линия – Т елеком , 2001. - 224 с. 2. Ц ифровая обработка телевизионны х и ком пью терны х изображ ений /под ред. Ю .Б. Зубарева и В .П . Д ворковича. – М .: М еж дународны й Ц ентр научной и технической информ ации, 1997. - 212 с. Д ополнительная литература 3. П тачекМ . Ц ифровоетелевидение: Т еория и техника /М . П тачек.- М .: Радио и связь, 1990. - 528 с. 4. Н оваковский С.В . Н овы есистем ы телевидения. Ц ифровы ем етоды обработки видеосигналов /C.В . Н оваковский , А .В . К отельников. - М .: Радио и связь, 1992 – 88 с. 5. О сновны е направления внедрения цифрового вещ ания в России /Ю .Б. Зубарев[и др.] // Broadcasting, 2000. - № 3 (7). - С. 28-31.

35

Составители: Бобреш овА натолий М ихай лович, К ош елевА лександр Георгиевич

Редактор

Т ихом ирова О .А .

36