Международные стандарты цифрового преобразования телевизионных сигналов

Результаты проведенных исследований по цифровому преобразованию телевизионных сигналов вошли в Рекомендацию Международного консультативного комитета по радио (МККР) 11/601, разработанную в 1982 г. для цифрового телевидения, в которой приводятся значения основных параметров цифрового кодирования телевизионного сигнала для аппаратно-студийного комплекса (АСК) телецентров, работающих со стандартами разложения как на 625 строк, так и на 525. После вхождения МККР в состав Международного союза электросвязи (МСЭ) данная Рекомендация получила обозначение МСЭ-Р601. В дальнейшем была разработана Рекомендация Международного союза электросвязи МСЭ-Р BT.601-5, учитывающая воспроизведение телевизионных изображений как обычного формата, так и широкоэкранных. Данный документ обобщил результаты работы различных исследовательских групп, на основании которых сформулированы принципы преобразования аналогового телевизионного сигнала в цифровую форму, используемые всеми производителями современного телевизионного оборудования. Рекомендация МСЭ-Р ВТ.601-5 описывает аналого-цифровое преобразование телевизионного сигнала компонентного типа, т.е. предлагает осуществлять раздельное кодирование яркостного (Е_Y → Y) и цветоразностных (Е_R-Y → С_r) и (Е_B-Y → С_b) сигналов. При этом в данной Рекомендации нормируются основные параметры отдельных операций аналого-цифрового преобразования компонент телевизионного сигнала, обеспечивающие вещательное качество формируемого цифрового телевизионного сигнала.

При разработке Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601-5 значения частот дискретизации выбирались из расчета безыскаженного преобразования в цифровую форму сигнала яркости в полосе частот 5,75 МГц, обеспечивающей горизонтальную четкость изображения более 440 телевизионных линий (твл) и цветоразностных сигналов в полосе частот до 2,75 МГц, дающей четкость более 214 твл. Для яркостного сигнала Е_Y частота дискретизации выбрана 13,5 МГц. С учетом необходимости образования общего цифрового потока и фиксированной структуры отсчетов, выбранная частота дискретизации цветоразностных сигналов равна половине частоты дискретизации сигнала яркости, т.е. 6,75 МГц. Следовательно, частоты дискретизации сигналов Е_Y, Е_R-Y, Е_B-Y могут непосредственно формироваться из строчной частоты соответствующего стандарта разложения. По аналогии с преобразованием композитных телевизионных сигналов систем PAL и NTSC в цифровую форму, где частота дискретизации выбиралась равной учетверенной частоте цветовой поднесущей, частоту 13,5 МГц называют «четверкой», а частоту 6,75 МГц - «двойкой». Таким образом, совокупность цифровых компонентных видеосигналов в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.601-5 описывается формулой «4:2:2», что отражает соотношение частот дискретизации сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов, а также одновременность их передачи. При этом цифровые компонентные видеосигналы (С_r, С_b) связаны с исходными цветоделенными аналоговыми телевизионными сигналами (Е_R, E_G, E_B) следующими соотношениями:

С_r = 0,713(Е_R-Y) = 0,713Е_R-Y

С_b = 0,564(Е_B-Y) = 0,564Е_B-Y,

а сигнал Y определяется выражением (6.1).

На практике внедрение стандарта цифрового кодирования 4:2:2 уменьшает отличие между основными стандартами разложения 625/50 и 525/60 и обеспечивает более высокий уровень их совместимости. Это достигнуто унифицированием длительности активной части строки в двух системах развертки и выбором одинакового числа отсчетов на активной части телевизионной строки: для сигнала яркости 720 отсчетов, а для каждого из цветоразностных сигналов - по 360 отсчетов.

В цифровых телевизионных системах яркостный и цветоразностные сигналы подвергаются 8-разрядному квантованию, т.е. S = 8, где S-длина кодового слова, определяющая число бит, с помощью которых можно записать в двоичной форме любой номер уровня квантования до m включительно (m = 2^S ). Рекомендация МСЭ-Р ВТ.601-5 учитывает, что исходные аналоговые сигналы Е_Y, Е_R-Y, Е_B-Y являются гамма-корректированными, т.е. их получают путем матрицирования гамма-корректированных цветоделенных сигналов Е_R, E_G, E_B видеодатчика. Обработка негамма-корректированных видеосигналов требует увеличения разрядности квантований по крайней мере до 11 бит, чтобы избежать заметности помех квантования в области черного.

Современный прогресс технологии интегральных микросхем позволил начать промышленный выпуск 10-разрядных АЦП и ЦАП для кодирования и декодирования телевизионных сигналов, что дает возможность разработчикам студийной телевизионной аппаратуры особо высокого класса качества перейти от 8-разрядного к 10 разрядному кодированию. В данном случае одним из ключевых моментов является уровень шума квантования. Видеосигнал с 8-битовым квантованием может иметь отношение сигнал-шум, равное 58,8 дБ, с 10-битовым квантованием - до 70,8 дБ. При этом следует учесть, что в некоторых аналоговых устройствах отношение сигнал-шум уже достигает 65 дБ. Это и определяет соответствующие требования к цифровому оборудованию. Кроме того, по ряду ответственных операций, например, микшированию, рир-проекции, монтажу, 8-битовое квантование не обеспечивает требуемого качества, а в некоторых случаях, например, в цифровых телевизионных камерах, необходимо даже 14-битовое квантование.

Основные параметры цифрового кодирования телевизионного сигнала в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.601-5 приведены в табл. 6.1 [12].

Стандарт 4:2:2 определяет также скорость передачи цифровых компонентных видеосигналов, на которую должны ориентироваться разработчики цифровой аппаратуры, и цифровых интерфейсов. Скорость цифрового потока С для цифровых компонентных видеосигналов рассчитывается по следующему выражению:

С = S(f_дY + f_дR-Y + f_дB-Y).

где f_дY - частота дисфетизации сигнала Е_Y, Гц; f_дR-Y - частота дискретизации сигнала Е_R-Y, Гц; f_дB-Y - частота дискретизации сигнала Е_B-Y , Гц.

При использовании стандарта цифрового кодирования 4:2:2 путем объединения цифровых потоков яркостного и цветоразностных сигналов в случае S = 8 суммарная скорость передачи цифровой информации равна 216 Мбит/с. В случае 10-битового кодирования С = 270 Мбит/с.

Если в цифровой телевизионной системе предполагается воспроизведение изображений с форматом кадра 16:9, то значения частот дискретизации следует увеличить в 1,33 раза, например, частоту дисфетизации сигнала Е_Y (f_дY) до 18 МГц. В зависимости от разрядности квантования (длины кодового слова) скорость передачи цифровой информации в этом случае будет равна 288 или 360 Мбит/с.

Для некоторых случаев стандарт 4:2:2 оказывается неоптимальным, и поэтому применяются другие стандарты для записи, обработки и передачи цифровых компонентных сигналов. Формат 4:4:4 предполагает для всех трех компонентов Y, С_r, С_b использовать дискретизацию частотой 13,5 МГц, т.е. все компоненты передаются в полной полосе частот и каждый из них содержит 720 отсчетов в активной цифровой части строки. В этом случае скорость цифрового потока при 10-битовом представлении отсчетов составляет 405 Мбит/с. Стандарт 4:4:4 используется при создании телевизионной продукции, к качеству которой предъявляются повышенные требования, например телевизионных фильмов. Стандарт 4:4:4:4 аналогичен стандарту 4:4:4, но использует помимо вышерассмотренных дополнительный четвертый сигнал альфа-канала, несущий информацию об обработке сигнала, например о прозрачности изображения переднего плана при наложении нескольких изображений. Дополнительным сигналом может также быть сигнал яркости Y в дополнение к сигналам основных цветов Е_R, E_G, E_B. Скорость передачи данных в этом случае для 10-битового кодирования - 540 Мбит/с.

Следующие стандарты предполагают уменьшение частоты дискретизации цветоразностных сигналов в сравнении с форматом 4:2:2 и создавались прежде всего не для внутристудийного использования, а для тех случаев, когда нужно в цифровой форме передать сигнал вещательного качества и устранить избыточность цветовой информации. Для уменьшения скорости цифрового потока в таком случае признано целесообразным также уменьшить число разрядов квантования с 10 до 8. В стандарте 4:1:1 частоты дискретизации цветоразностных сигналов составляют 3,375 МГц, что соответствует 180 отсчетам сигналов С_r и С_b при 720 отсчетах яркостного сигнала Y и цифровой скорости 202,5 Мбит/с для 10-битовых слов и 162 Мбит/с для 8-битовых слов.

Таблица 6.1. Основные параметры цифровых компонентных видеосигналов стандарта 4:2:2

Рис. 6.13. Графическое представление стандартов цифрового кодирования телевизионного сигнала

Стандарт 4:1:1, как и все вышерассмотренные, передает информацию о цвете в каждой строке и поэтому более предпочтителен для системы телевидения NTSC, так как в ней информация о цвете передается для каждой строки без усреднения и общее число строк меньше, чем в других системах. Для системы SECAM характерна меньшая цветовая четкость по вертикали и большая по горизонтали, что и обеспечивает стандарт 4:2:0, в котором информация о цвете передается через одну строку. Скорость цифрового потока при этом аналогична стандарту 4:1:1, а в случае передачи только активной части строки составляет 124 Мбит/с для 8-битовых слов.

Таким образом, создается иерархия (семейство) совместимых стандартов цифрового кодирования. Требование совместимости семейства стандартов цифрового кодирования заключается в сравнительно простом переходе от одного стандарта к другому. Если учесть, что все стандарты базируются на ортогональной структуре дискретизации, то, например, переход от стандарта 4:4:4 к 4:2:2 получается отбрасыванием каждого второго отсчета цветоразностных сигналов, а переход от стандарта 4:2:2 к 4:1:1 осуществляется отбрасыванием каждых трех отсчетов (рис. 6.13). Аналогично переход от стандарта 4:1:1 к стандартам 4:2:2 и 4:4:4 будет заключаться в восстановлении недостающих отсчетов цветоразностных сигналов.

Предусмотрена возможность применения стандарта более низкого уровня (например, для комплексов видеожурналистики) с условным обозначением 2:1:1 (частоты дискретизации соответственно равны 6,75 МГц и 3,375 МГц).

Также находят применение стандарт 3:1:1 - скорость передачи данных 135 Мбит/с при 8-битовом кодировании и формат CIF (Common Interchange Format), содержащий 288 строк по 352 отсчета для яркостной компоненты и 144 строки по 176 отсчетов для цветоразностных компонентов. Последний стандарт используется в низкоскоростных системах, таких как CD-ROM приложения, при передаче только активной части изображения скорость цифрового потока составляет 30 Мбит/с при 8-битовых отсчетах.

Помимо цифрового представления компонентных видеосигналов, было разработано кодирование композитного сигнала. Для точного преобразования всех составляющих сложного сигнала систем PAL и NTSC было предложено дискретизировать его с частотой 4f_sc, т.е. равной четвертой гармонике цветовой поднесущей. В результате, в системе NTSC скорость передачи цифрового сигнала составляет 143 Мбит/с, а в системе PAL - 177 Мбит/с.

Разрабатываемые системы ТВЧ имеют примерно удвоенную разрешающую способность по вертикали и, как минимум, удвоенную разрешающую способность по горизонтали. К настоящему времени для целей студийного производства (в АСК) и телевизионного вещания предложено два стандарта: 1125/60/2:1 и 1250/50/2:1. Непосредственно для производства и международного обмена программами ТВЧ предлагаются стандарты: 1080/25/1:1, 1080/30/1:1, 1080/50/1:1, 1080/60/1:1, 1080/50/2:1, 1080/60/2:1. Кроме того, в последнее время предложен стандарт 1080/24/1:1, который использует частоту кадров 24 Гц при прогрессивной развертке. Следует заметить, что подобная частота смены кадров применяется в кинематографе. Поэтому благодаря этому стандарту электронная и киноверсия кинофильма совпадают, что облегчает международный обмен кинопрограммами, которые редактируются в электронном виде и могут передаваться по цифровым каналам связи. Таким образом, на основе цифровых технологий впервые удалось эффективно объединить интересы ТВЧ вещания и массового электронного кинематографа.

Использование цифровых методов в ТВЧ позволило во многом унифицировать множество предложенных стандартов за счет применения единого формата (16:9) изображения ТВЧ, предусматривающего 1080 активных строк в кадре с чересстрочным или прогрессивным разложением при 1920 отсчетах в активной части строки для яркостного сигнала (для цветоразностных сигналов число отсчетов в активной части строки установлено равным 960). Предполагается переключаемая частота кадров 24, 25, 30 кадров в секунду при частоте 50/60 полей в с. (Рекомендация МСЭ-Р ВТ.709-3, принятая в июне 1999 г.). Формат 16:9 означает формирование квадратной структуры отсчетов, что соответствует квадратным элементам изображения на экране, обычно используемым в компьютерной технике.

Разработка Рекомендации МСЭ-Р ВТ.709-3 впервые в мировой практике позволяет создать единую линейку студийного цифрового оборудования, удовлетворяющего требованиям видео- и кинопроизводства, а также международного обмена передачами ТВЧ.

Основные параметры цифрового кодирования вещательных стандартов ТВЧ, согласованные в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.709-3, приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2. Основные параметры цифрового кодирования вещательных стандартов ТВЧ

Таким образом, при реализации цифровых способов кодирования телевизионных изображений, основанных на классической ИКМ, необходимо оперировать с высокой скоростью цифрового потока, достигающей нескольких сотен или даже полутора тысяч (в случае ТВЧ) Мбит/с. И это рождает много проблем как при передаче видеоданных по каналам связи, так и при их обработке, например, консервации, т.е. записи. Снизить указанные скорости цифрового потока позволяют методы эффективного сокращения объемов психофизиологической и статистической избыточности составляющих видеоинформации, например, разработанные на их основе способы видеокомпрессии, являющиеся ключевыми процессами цифровых технологий.