Общие сведенья. Основы цифрового телевидения

Основы цифрового телевидения

Возрастающие требования к качеству телевизионного вещания, дальнейшее совершенствование его технологии приводят к необходимости изыскания новых эффективных методов создания, записи и передачи сигналов телеви­зионных программ. В течение многих лет в телевидении используют аналого­вый телевизионный сигнал, который на выходе преобразователя свет-сигнал является электрическим аналогом изображения.

Основное требование к передаче телевизионных сигналов сводится к обес­печению минимальных искажений. Однако в процессе формирования и за­писи сигналов телевизионных программ, а также при передаче по линиям связи методами и средствами, используемыми в аналоговом телевидении, телевизионный сигнал подвергается искажениям, которые накапливаются с увеличением числа обработок и переприемов. Особенно сильно эти искаже­ния проявляются при компоновке программ, осуществляемой путем элект­ронного монтажа видеозаписей на магнитной ленте. При многократной пере­записи фрагментов программ, неизбежной во время монтажа, происходит существенное ухудшение качества аналоговых сигналов. Аналоговый тип телевизионных сигналов ограничивает дальнейшее повышение качества изоб­ражения и возможности различных спецэффектов. Отмеченные ограниче­ния могут быть преодолены путем перехода на цифровую форму телевизион­ного сигнала. Поэтому в последние годы все большее внимание уделяется цифровому телевидению.

Цифровое телевидение – область телевидения, в которой операции обработ­ки, записи и передачи телевизионного сигнала связаны с его преобразовани­ем в цифровую форму. Отметим преимущества перехода к цифровой форме представления и передачи телевизионных сигналов.

§ Появляется возможность создания унифицированного видео­оборудова­ния, которое использует единый стандарт цифрового кодирова­ния и, в перспективе, вытеснит многочисленные, несовместимые между собой стандартные системы цветного телевидения – SECAM, PAL, NTSC. На выходе такого оборудования устанавливается цифроаналоговый преоб­разователь для получения стандартных телевизионных сигналов перечислен­ных выше систем, так как изменять излучаемые радиосигналы вещательного телевидения еще многие годы не предполагается.

§ Все цифровые сигналы обра­батываются по единой технологии. Повышается стабильность параметров обо­рудования, которое работает в бесподстроечном режиме. Тем самым обеспе­чивается значительное повышение качества телевизионного изображения, особенно при цифровой видеозаписи с применением электронного монтажа.

§ Качество цифровой видеозаписи чрезвычайно важно для создания фондовых и архивных материалов, а также для длительного их хранения. Внедрение еди­ного стандарта цифровой видеозаписи значительно облегчает международный обмен телевизионными программами.

§ Применение цифровых сигналов зна­чительно расширяет номенклатуру спецэффектов. Это и селективная обработка участков кадра, и электронный монтаж из фрагментов нескольких кадров, за­мена объектов в кадре, геометрические преобразования изображений и т. п.

§ Цифровая техника открывает совершенно новые возможности в художе­ственном оформлении телевизионных программ. Таким образом, внедрение цифровых методов существенно обогащает технологию телевизионного веща­ния, делает ее исключительно гибкой и высокопроизводительной.

§ Повыша­ется качество передачи сигналов телевизионных программ по линиям связи благодаря значительному ослаблению эффекта накопления искажений и применению кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки передачи.

Системы цифрового телевидения могут быть в основном двух типов:

§ Аналоговый телевизионный сигнал преобразуется в цифровую форму только для цифровой обработки сигнала (например, в преобразователе телевизионных стандартов, корректоре искажений и др.), для консер­вации сигналов телевизионной программы или передачи их по каналам связи, а затем снова трансформируется в аналоговую форму. При этом используются существующие телевизионные станции и парк телеви­зионных приемников.

§ Преобразование передаваемого изображения в цифровой сигнал и цифрового сигнала в изображение на приемной стороне (обратное пре­образование) производится непосредственно в преобразователях свет – сигнал и сигнал – свет. Во всех звеньях линии связи телевизион­ная информация передается в цифровой форме.

В настоящее время находят применение системы цифрового телевидения пер­вого вида. В будущем преимущественное развитие получат системы телеви­дения второго вида. Можно выделить ряд общих принципов построения сис­тем и устройств цифрового телевидения и охарактеризовать основные процессы, происходящие в тракте, обобщенная структурная схема которого приведена на рисунке 11.17.

Рассмотрение цифрового телевидения нельзя ограничить только вопросами, связанными с цифровыми методами обработки и передачи сигнала изображе­ния. Необходимо также учитывать особенности цифровой передачи сопутству­ющих сигналов звукового сопровождения и дополнительной информации.

Рисунок 11.17 - Обобщенная структурная схема цифрового тракта преобразования ТВ сигнала

Само понятие тракта телевидения в будущем будет совпадать с понятием трак­та передачи изображения, который определяют как комплекс технических средств для передачи телевизионного изображения от входного зрачка объек­тива телевизионной передающей камеры до экрана телевизора включительно. Однако в настоящее время, как было отмечено выше, тракт цифрового телеви­дения служит лишь промежуточным звеном тракта передачи изображения.

На вход тракта цифрового телевидения (см. рисунок 11.17) поступает аналоговый телевизионный сигнал. В кодирующем устройстве (кодере) телевизионный сигнал преобразуется в цифровую форму и поступает на передающее уст­ройство, которое состоит, в общем случае, из кодера канала и устройства пре­образования сигнала. Пройдя через канал связи, цифровой сигнал поступает в приемник, состоящий из устройства обратного преобразования сигнала и декодирующего устройства (декодера), осуществляющего преобразование цифрового телевизионного сигнала в аналоговый. Кодер и декодер канала обеспечивают защиту от ошибок в канале связи. В устройствах преобразо­вания характеристики цифрового сигнала согласуются с характеристика­ми канала связи.

Основной сложностью при записи цифрового видео и при его передаче по каналам связи является большой объем телевизионного сигнала. Проведем расчет, который покажет, какой же объем будет иметь обычный двухчасовой фильм в разрешении 640х480 с частотой смены кадров 25 Гц. Пусть каждая точка принадлежит стандартной компьютерной палитре RGB из 16 миллионов цветов. 640x480x3=900 кбайт – размер одного кадра, 22500 кбайт – размер одной секунды видео, 154 Гбайт!!! – размер всего фильма. Ясно, что такие огромные объемы информации хранить и передавать очень сложно. Так, если мы хотим поместить фильм из примера на компакт-диск объемом в 650 Мб, то нам понадобятся 243 диска!

Проблему большого объема ТВ сигнала следует также рассмотреть с точки зрения скорости цифрового потока. Напомним, что скоростью цифрового потока называется число передаваемых двоичных знаков в единицу времени. Скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме равна произведению частоты дискретизации и числа двоичных символов в одном дискретном отсчете.

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

Выбор числа уровней квантования определяется требованием к минимизации ошибок, возникающих из-за замены истинных значений отсчетов сигнала их квантованными значениями.

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

На рисунке 11.18 приведены диаграммы, дающие представление о соот­ветствии между аналоговым сигналом яркости Еу и уровнями квантования для восьми- и десятиразрядной шкалы. В восьмиразряд­ной шкале сигналу отводится 220 уровней квантования (с 16-го, со­ответствующего уровню черного, по 235-й, соответствующий белому). В десятиразрядной шкале яркостный сигнал квантуется на 877 уров­ней (64-й соответствует уровню черного, а 940-й – уровню белого). Из неиспользуемых уровней одна часть резервируется для цифровых синхронизирующих сигналов, другая – представляет собой рабочий запас на возможные в процессе преобразования аналогового сигна­ла превышения им допустимого диапазона значений. Подобные слу­чаи для аналоговой техники весьма вероятны, а связанные с этим перегрузки аналогово-цифровых преобразователей приводили бы к заметным неустранимым искажениям в изображении.

Рассмотрим теперь факторы, определяющие выбор частоты дис­кретизации.

При полосе частот яркостного сигнала, рав­ной 6 МГц, частота дискретизации должна быть выбрана не менее 12 МГц. Учитывая невозможность создания фильтра нижних частот с прямоугольной АЧХ, эта цифра должна быть несколько увеличена.

Рисунок 11.18 - Соответствие размаха яркостного аналогового сигнала шкале кван­тования: а – восьмиразрядная шкала; б – десятиразрядная шкала

На выбор частоты дискретизации влияют также следующие обстоятельства. Изображение, подвергнутое кодированию, представля­ет собой совокупность отсчетов (пикселей), структура которых зависит от частоты дискретизации. Лучшие результаты достигаются при фиксированной относительно телевизионного растра структуре отсчетов, расположенных в узлах прямоугольной решетки – так на­зываемая ортогональная структура дискретизации (рисунок 11.19). Для этого необходимо, чтобы частота дискретизации была кратной часто­те строк. Кроме того, желательно удовлетворение этому требованию одновременно для двух мировых стандартов разложения: 625/50 и 525/60. Одним из вариантов, отвечающих этим условиям, является частота 13,5 МГц. В этом случае видимая часть строки изображения для обоих стандартов состоит из 720 пикселей, что примерно соот­ветствует разрешению аналогового вещательного телевидения. Для более высокого формата разрешения частота дискретизации должна быть пропорционально увеличена.

Рисунок 11.19 - Ортогональная структура дискретизации

Приняв во внимание параметры квантования и дискретизации аналогового телевизионного сигнала, оценим скорость цифрового по­тока яркостного сигнала для = 10 и = 13,5 МГц:

А если учесть, что кроме сигнала яркости должна быть переда­на информация о цвете, то общий цифровой поток, формируемый по методу ИКМ, удвоится и будет равен 270 Мбит/с. Столь высоким быстродействием должны обладать как устройства преобразования ТВ сигнала, так и каналы связи. Очевидно, нельзя считать экономи­чески целесообразной передачу такого большого цифрового потока по каналам связи. Поэтому сразу же с появлением цифрового видео остро встал вопрос о компрессии видеоданных. Причем эта компрессия должна быть очень сильной.

Дата добавления: 2014-01-07