Квантование одноцветных изображений

В системах передачи одноцветных изображений с применением импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) каждый отсчет квантуется (обычно на основе линейной шкалы), и ему ставится в соответ­ствие двоичная кодовая комбинация. Как правило, применяют равномерный код, и поэтому число уровней квантования свет­лоты выбирают из условия L = 2ⁿ,

где n — число двоичных разрядов (бит), отведенных для коди­рования отсчетов.

В системах с ИКМ можно сократить цифровой поток простым уменьшением числа разрядов в кодовых комбинациях. Если имеется аналитическая мера качества изображений, передаваемых с помощью такой системы, то величина n будет равна наимень­шему числу разрядов, при котором качество изображения еще является удовлетворительным. При субъективной оценке каче­ства величину n понижают до тех пор, пока эффекты, вызванные квантованием, не выйдут за пределы допустимого. Глаз способен определить от 10 до 15 градаций абсолютного значения светлоты, однако он имеет гораздо большую чувствительность к различию светлоты соседних элементов изображения. При уменьшении числа уровней квантования прежде всего бросается в глаза эффект появления контуров в тех областях, где светлота исходного изображения изменяется плавно. Появление контуров вызвано скачкообразным изменением светлоты квантованного изображе­ния при переходе от одного уровня квантования к другому. Наи­меньшее число разрядов ИКМ, позволяющее предотвратить появ­ление контуров в областях с плавным изменением светлоты, зависит от ряда факторов, в том числе от линейности характе­ристик дисплея и свойств шума до и после преобразования изоб­ражения в видеосигнал.

Предположим, что отсчеты на выходе датчика видеосигнала пропорциональны яркостям элементов изображения. Возникают вопросы: следует ли квантовать непосредственно сигнал яркости изображения или же некоторую функцию от него и какой должна быть характеристика квантователя  линейной или нелиней­ной? Последний вопрос скорее относится к практической реали­зации системы. Любую нелинейную характеристику квантователя можно получить, осуществляя нелинейное преобразование кван­туемого сигнала, равномерное квантование и обратное нелинейное преобразование квантованного сигнала, как показано на схеме рис. 6.1.3. В связи с этим здесь будет рассматриваться только равномерное квантование отсчетов, которые предварительно могут быть подвергнуты нелинейному преобразованию.

Известно большое число экспериментальных работ по опре­делению количества (и расположения) уровней квантования, необходимого для сведения к минимуму эффекта ложных конту­ров [11]. Гудолл [11] одним из первых проводил опыты с цифровым телевидением и пришел к выводу, что для получения хорошего качества необходимо квантовать яркостное изображе­ние на 64 уровня (6 разрядов), а при 32 уровнях (5 разрядах) ложные контуры не слишком заметны. Аналогичные результаты получили и другие исследователи. В большинстве работ в той или иной мере затрагиваются вопросы о линейности характери­стик системы воспроизведения изображений и ее калибровке.

Сигналы телевизионной камеры и видеомонитора, как правило, нелинейно связаны с интенсивностью света. Фотоматериалы, применяемые для регистрации изображений, также имеют суще­ственно нелинейные характеристики. Отметим, наконец, что любые шумы, создаваемые камерой или монитором, скрадывают ложные контуры.