Принципы цифрового телевидения

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

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

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

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

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

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

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

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

4. Цифровое телевидение и компьютерные технологии.

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

СИСТЕМЫ НЕЛИНЕЙНОГО МОНТАЖА

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

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

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

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

ВИДЕОСЕРВЕРЫ

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

1	2	3	4	5