Дискретизация ТВ сигнала при цифровом кодировании

Что касается дискретизации ТВ сигнала, установлено, что глаз человека 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. Это позволяет определить требования к дискретизации ТВ сигнала.

Формат дискретизации, указанный в таблице 16.1, означает соотношение частот дискретизации яркостной и цветоразностной составляющей ТВ сигнала. Согласно теореме Котельникова: «частота дискретизации f_д должна быть в два раза больше граничной (максимальной) f_гр». Второе важное соображение, которое необходимо учитывать – частота дискретизации должна быть целым кратным от частоты строк, чтобы на периоде строки помещалось целое число отсчетов сигнала. В соответствии с рекомендацией ITU ( Международного телекоммуникационного союза) выбрано одно значение частоты дискретизации сигнала яркости fд( ЕY) = 13,5 МГц (по теореме Котельникова), Оно даёт возможность получить 864 отсчёта в строке с разложением на 625 (SECAM) и 858 отсчётов при разложении на 525 строк (PAL).

Для цветоразностных сигналов выбрана частота дискретизации 6,75 МГц. При этом достигается фиксированная относительно телевизионная растра структура отсчетов. Они располагаются в узлах прямоугольной решетки образуя так называемую ортогональную структуру дискретизации (рис.16.3), которая характеризуется заметной избыточностью в разрешающей способности системы по диагональным направлениям. Устранить эту избыточность путём уменьшения числа отсчётов (т.е. уменьшая частоту дискретизации).

Рисунок 16.3 Ортогональная структура дискретизации (Х – отсчеты сигнала яркости; О – отсчеты сигнала цветности)

После дискретизации u(t) можно представить в виде суммы произведений отсчетов сигнала и d - функции:

(4.1)

Где: δ – дельта-функция; Т – период дискретизации;

Спектр дискретизированного сигнала S_d (f) можно получить после преобразования Фурье,

(4.2)

S(f) и S_d (f) – спектры исходной функции и дискретизированного сигнала, которые сдвинуты один относительно другого на f_д, 2f_д, …и т.д. (рис. 16.4).

Рисунок 16.4 Спектр сигнала после дискретизации

Из рисунка видно, что для выбранной частоты дискретизации 13,5 МГц при полосе частот яркостного сигнала, равной 5,75 МГц, выполняется теорема Котельникова и восстановление сигнала возможно после дискретизации. Таким образом, частота дискретизации должна быть выбрана не менее 12,5 МГц, а цветоразностных 6,75 МГц.

По аналогии с аналого-цифровым преобразованием композитных сигналов PAL и NTSC, где частота дискретизации выбиралась равной учетверенной частоте цифровой поднесущей, частоту 13,5 МГц также называется «четверкой», а частоту 6,75 МГц - «двойкой». Таким образом, полный цифровой компонентный видеосигнал из Рекомендации ВТ.601 описывается формулой «4:2:2». Компоненты его называются Y, C_B, C_R и связаны с исходными Y, R-Y, B-Y следующими соотношениями [ ]:

Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B; C_R= 0,713 (R-Y); C_B = 0,546 (B-Y).

В формате изображения 4:2:2 на четыре отсчета сигнала яркости приходится по два отсчета сигнала цветности в четных и нечетных строках.

В формате 4:2:0 на четыре отсчета сигнала яркости приходится по два отсчета сигнала цветности в четных строках и ни одного в нечетных.

Как видно из рисунков в форматах 4:2:2 и 4:2:0 цветовая четкость по горизонтали в два раза меньше, чем яркостная. В форматах 4:2:2 и 4:1:1 цветовая четкость по вертикали такая же, как и яркостная. В формате 4:2:0 цветовая четкость по вертикали в два раза меньше, чем яркостная. Ясно, что в формате 4:4:4 яркостная и цветовая четкость равны в обоих направлениях, а формат 4:0:0 - черно-белое телевидение.

Формат 4:4:4 - оба цветоразностных передаются в каждой строке и дискретизируются с частотой яркостного сигнала. Такой формат называется расширенным

Рисунок 16.5. Графическое представление стандартов цифрового кодирования телевизионного сигнала

Очевидно, что формат напрямую связан с качеством передаваемого цифрового сигнала и с уровнем ТВ вещания в таблице.

Уровень High-1440 (1440 х 1152 элементов) соответствует телевидению высокого разрешения (высокой четкости) с форматом экрана 4:3 (стандартный экран), а уровень High (1920 х 1152 элементов) - телевидению высокого разрешения (HDTV) с форматом экрана 16:9 (широкоформатное изображение). Вертикальные столбцы таблицы соответствуют новой градации (т.е. MPEG-2) цифровых телевизионных систем – профилям. С переходом на более высокие профили, т.е. при продвижении по таблице направо, увеличивается количество используемых методов кодирования, появляются новые свойства телевизионной системы, но, естественно, усложняется аппаратура и алгоритмы обработки сигналов.

Как видно из таблицы, на главном уровне (Main), соответствующем телевидению обычного разрешения, скорость передачи двоичных символов в канале связи достигает 15 Мбит/с.

Сравнив эту величину с исходной величиной 216 Мбит/с, соответствующей параллельному стыку по Рекомендации 601 МККР, можно видеть, что осуществляется сжатие потока информации примерно в 15 раз. Режим “Main Profile @ Main Level (MP@ML)” в настоящее время широко используется в системах DVB.

На более высоких уровнях главного профиля, соответствующих HDTV, скорость передачи в канале связи возрастает до 60 или 80 Мбит/с. Следует подчеркнуть, что для всех уровней разрешения данного профиля используется один и тот же набор методов кодирования. В этом заключается совместимость разных уровней. На более высоких уровнях кодеры и декодеры должны иметь большее быстродействие и больший объем памяти. Аппаратура более высоких уровней разрешения может работать на более низких уровнях разрешения.

Высшие профили стандарта MPEG-2 характеризуются наличием масштабируемости, которая была упомянута выше. Кроме того, на высших профилях возможно применение компонентного кодирования сигналов не только через строку (4:2:0), но и в каждой строке (4:2:2).