Учебное пособие по дисциплине СиСПИ

В направлении х вдоль каждой горизонтальной строки изображение можно выразить с помощью одномерного ряда Фурье

Поскольку вдоль другой строки в направлении х изображение можно представить таким же рядом, но с другими коэффициентами (зависящими от координаты у), для коэффициентов разложения Фурье в направлении у выполняется следующее соотношение:

После подстановки получим

120

Разложение неподвижного изображения 0(х, у) на ТВ растр приводит в спектральной области к переходу от двумерного непрерывного спектра к двумерному дискретному спектру, характеризующемуся коэффициентами Aml. Во временной области отдельные члены ряда представляют собой гармонические составляющие на плоскости с различной амплитудой, фазой и длиной волны, которые для данного изображения постоянны и в отличие от входного изображения с непрерывным спектром являются комбинациями произведений пространственных частот

Разложение исходного потока изображений 0(х, у, t) можно проиллюстрировать символической моделью в соответствии с рис. 1.8. В этой интерпретации выходная видеоинформация I(х, у, t) формируется в процессе дискретизации с помощью функции разложения R(x, у, t) или дискретизирующей функции D(x, у, t). Можно также сказать, что выходное изображение появляется в результате «модуляции» входного изображения функцией разложения или дискретизирующей функцией.

3.3.2 Сообщение и его кодирование

Классифицировать способы кодирования можно по различным теоретическим или практическим критериям. С точки зрения назначения процесса кодирования способы кодирования сообщений целесообразно разделить на кодирование источника и кодирование канала. Для этого более подробно рассмотрим термин сообщение.

В соответствии с рис. 3.13 можно мысленно представить некую плоскость сообщений, которая горизонтальной линией делится на существенную и несущественную для получателя части. Вертикально проходящая прямая разделит плоскость сообщения па избыточную и неизбыточную части. Избыточная

121

полуплоскость представляет собой известную и, следовательно, избыточную часть сообщения. Неизбыточная полуплоскость соответствует неизвестной части сообщения. С точки зрения получателя сообщений, интерес представляет только статистически неизбыточная и существенная части сообщения.

Рис. 3.13 Плоскость сообщений

Математически количество информации, содержащееся в сообщении H0, можно записать в виде

где Н — энтропия сообщения, a R — ее статистическая избыточность. С точки зрения рассмотренной плоскости представления сообщений можно также записать

где HR и HI — соответственно существенная и не существенная для получателя части энтропии.

Кодирование источника сообщений выполняется для того, чтобы в максимальной мере «сжать» сообщение на основе

122

устранения его части, несущественной для получателя и сокращения статистической избыточности. Сокращение потока сообщений источника позволяет лучше и эффективнее использовать канал передачи и облегчает обработку передаваемой информации. Устранение же существенной для получателя части сообщения является необратимым процессом, который характеризуется потерей информации. Степень уменьшения несущественной для получателя части сообщения определяется свойствами получателя сообщений. В отличие от этого сокращение статистической избыточности является обратимым процессом, так как со стороны приемника избыточную часть сообщения можно восстановить. Поэтому процесс сокращения статистической избыточности не зависит от свойств получателя сообщений и не приводит

кпотерям информации.

3.3.3Методы цифрового кодирования, используемые при формировании ТВ программ

Всвязи с тем, что в области вещательного телевидения до сих пор еще не существует такого источника ТВ сигнала, который формировал бы сигнал непосредственно в цифровой форме, необходимо преобразовывать аналоговые ТВ сигналы в соответствующий цифровой вид. Для этих целей используются методы цифрового кодирования в основной полосе частот.

Взависимости от характера входного сигнала методы цифрового кодирования в цветном телевидении можно разделить на две группы.

1. Методы цифрового кодирования полного цветового ТВ сигнала (так называемое непосредственное кодирование).

2. Методы цифрового кодирования составляющих сигнала цветного изображения (так называемое компонентное кодирование).

При цифровом кодировании полного цветового ТВ сигнала основная структура сигнала не изменяется, и отдельные его составляющие передаются в форме, соответствующей аналого-

123

вой системе цветного телевидения (NTSC, SECAM, PAL). Эти методы целесообразно применять для кодирования полных цветовых сигналов, сформированных на основе амплитудной модуляции (NTSC, PAL), так как в АСК они позволяют осуществить

вцифровой форме различные операции с цифровым сигналом и

врезультате реализовать все основные формы режиссерской обработки. Однако реализация специальных видеоэффектов, как правило, связана с необходимостью перехода к компонентным сигналам. Методы непосредственного кодирования (PAL, NTSC) привлекательны прежде всего тем, что в них заложена идея полного перевода АСК и каналов связи на цифровые принципы на базе стандартного аналогового ТВ сигнала. Эти методы характеризуются относительной простотой перехода к компетентным аналоговым сигналам и в отличие от компонентного кодирования являются более эффективными в экономическом отношении с точки зрения требований к объему цифровых запоминающих устройств. Определенную трудность при использовании методов непосредственного кодирования в области студийной телевизионной техники вызывает монтаж магнитных видеозаписей, при котором, например, в случае сигнала PAL необходимо учитывать коммутацию фазы в восьми полях сигнала цветности. В области передачи сигналов вещательного телевидения по линиям связи преимущество методов непосредственного кодирования заключается в том, что цифровая передача осуществляется без дополнительного аналогового декодирования и кодирования сигналов (NTSC, PAL). Это достоинство проявляется в большей степени в сети подачи и распределения ТВ программ, состоящей из большого количества аналоговых и цифровых линий связи, особенно в случае использования одинаковых аналоговых систем цветного телевидения на передающей и приемной сторонах.

Воснову методов цифрового кодирования составляющих сигналов цветного изображения положено раздельное цифровое кодирование отдельных составляющих (сигнала яркости и цве-

124

торазностных сигналов) без учета аналоговой структуры сигналов NTSC, SECAM, PAL. Методы цифрового компонентного кодирования целесообразно использовать для передачи сигналов системы SECAM, так как система цветного телевидения, построенная на базе частотной модуляции, не позволяет в студийном комплексе с достаточной простотой реализовать многие необходимые для формирования программы операции. При передаче по линиям связи преимущества методов компонентного кодирования заключаются в том, что они позволяют осуществить цифровую передачу от структуры аналогового полного цветового сигнала, что в перспективе позволит исключить проблемы, связанные с аналоговым преобразованием стандартов цветного телевидения в АСК и международных каналах связи. В качестве компонентных сигналов можно использовать сигналы R, G, В; Y, R—Y, В—Y или их комбинации.

Методы компонентного кодирования могут применяться как непосредственно в АСК, так и в сети подачи и распределения ТВ программ (особенно при малом количестве аналоговых вставок в цифровой линии связи или при различных входном и выходном стандартах цветного телевидения). Однако их использование связано с необходимостью применения более сложных методов для выделения составляющих полного цветового сигнала ТВ. В общем случае преимущество методов компонентного кодирования заключается в том, что они в большей степени соответствуют характеристикам зрения наблюдателя и позволяют реализовать и применить сложную технику цифрового кодирования. Компонентное цифровое кодирование составляющих сигнала полного цветового ТВ также ограничивает взаимное влияние высокочастотных составляющих сигнала цветности и сигнала яркости — перекрестные искажения «яркость — цветность», которые в аналоговых системах передачи возникают в результате использования принципа передачи в общей полосе.

В аналоговых аппаратно-студийных телевизионных комплексах и в технике связи в принципе применяются цифровые

125

системы, основанные на кодировании, как полных цветовых сигналов, так и их составляющих. В соответствии с рекомендациями МККР в цифровых АСК предполагается использование компонентного цифрового кодирования.

3.3.4 Цифровая передача сигналов телевидения по линиям связи и иерархия ИКМ систем

Перспективное развитие техники связи предусматривает использование для передачи различных видов сигналов (телефонии, радио, видеотелефонии, телевидения, передачи данных и т. д.) интегральной сети связи на базе ИКМ систем. Под интеграцией подразумевается объединение различных систем связи (коммутации, передачи данных) в единую автоматизированную систему. При этом предполагается, что ИКМ системы (аналогично существующим системам связи с различным количеством каналов) образуют так называемое семейство, в котором системы различного уровня оптимальным образом сопрягаются между собой на основе соответствующей подчиненности их параметров, т. е. иерархии.

В период 1962—1972 гг. в МККТ были стандартизованы параметры ИКМ систем первого и второго уровней. В настоящее время в МКТТ и МККР рассмотрены параметры ИКМ систем третьего и четвертого уровней, которые, помимо всего прочего, обеспечивают возможность цифровой передачи ТВ сигналов. В основе иерархии лежит система первого уровня. Несколько систем более низкого уровня объединяются в систему более высокого уровня с целью обеспечения «прозрачности», т. е. передачи каждого из объединяемых сигналов со своей первоначальной скоростью. Скорости передачи ИКМ систем различных уровней иерархии в соответствии с рекомендациями МККТТ для различных континентов приведены в табл. 10.1. Естественно, что существование различных систем связи делает невозможным создание единой мировой телевизионной цифро-

126

вой системы передачи, так как скорости передачи предполагаемых уровней иерархии отличаются. Однако в рамках отдельных континентов такая единая система передачи возможна. Поэтому большое значение приобретает выбор уровня иерархии ИКМ системы для сети вещательного телевидения. Предполагается, что достижение профессионального качества изображения, соответствующего качеству вещательного телевидения, возможно в рамках ИКМ систем третьего уровня или, учитывая рекомендуемый международными организациями способ компонентного кодирования, скорее, в рамках систем четвертого уровня, которым в европейских странах соответствуют скорости передачи

34,368 или 13,294 Мбит/с.

3.3.5 Цифровое кодирование полных цветовых сигналов PAL, SECAM в аппаратно-студийном комплексе

Непосредственное цифровое кодирование полных цветовых каналов PAL и SECAM используется для передачи как по соединительным линиям в АСК, так и по сети вещательного телевидения. В АСК для кодирования сигналов PAL и SECAM используется ИКМ, которая позволяет наиболее просто осуществить преобразование в цифровую форму.

Выбор параметров ИКМ кодирования, предназначенного для передачи полных цветовых сигналов, осуществляется исходя из требований высокого качества изображения, которое должно соответствовать требованиям к качеству вещательного телевидения, и определяется, прежде всего, частотой дискретизации и способом двоичного представления элемента изображения сигнала PAL.

В аппаратно-студийных комплексах ИКМ применяется для передачи не только сигналов PAL, но и сигналов SECAM. При этом цифровая часть телевизионного тракта отделена от остальных аналоговых звеньев аналого-цифровыми и цифроаналоговыми преобразователями.

127

Цифровое кодирование сигнала PAL наиболее интенсивно развивалось в странах, где принята система PAL (особенно — в Великобритании), при этом преследовались цели полного перевода АСК и сети вещательного телевидения на обработку и передачу цифровых сигналов на основе непосредственного кодирования сигнала PAL, совместимого с компонентным цифровым кодированием, получившим распространение в странах, где принята система SECAM, или с компонентным кодированием, применяемым при некоторых специальных обработках цифрового сигнала PAL. В 1980 г. после того, как компонентное цифровое кодирование было рекомендовано в качестве основы европейского стандарта по передаче и студийной обработке сигналов, роль непосредственного кодирования уменьшилась. В настоящее время непосредственное кодирование сигнала PAL используется прежде всего в гибридных аналого-цифровых трактах, например в цифровых корректорах временных искажений аналоговых видеомагнитофонов.

Для решения проблем стандартизации компонентного цифрового кодирования в рамках 11 Исследовательской комиссии МККР в период 1982—1986 гг. работала специальная Временная рабочая группа 11/7.

3.3.6 Выбор частоты дискретизации при цифровом кодировании полных цветовых телевизионных сигналов

От выбора частоты дискретизации при преобразовании полного цветового телевизионного сигнала в цифровую форму зависит не только результирующая скорость передачи цифрового потока и общее качество передачи: частота дискретизации является одним из основных параметров преобразованного в цифровой вид сигнала, особенно если речь идет о возможностях его цифровой обработки, фильтрации и прямого преобразования в системах эффективного кодирования, так как какое-либо дальнейшее изменение частоты дискретизации цифрового сигнала

128

трудно реализовать. Дискретизация полного цветового сигнала в отличие от дискретизации составляющих сигнала ограничивает выбор частот дискретизации. При кодировании полных цветовых сигналов частота дискретизации определяется требованиями, определяемыми особенностями сигнала PAL, а при кодировании сигнала SECAM можно удовлетвориться результатами проведенных экспериментов.

Выбор частоты дискретизации в классической ИКМ системе при передаче сигнала PAL осуществляется на основе критерия Найквиста. Для сигнала с полосой частот, равной 6 МГц, теоретическое минимальное значение составляет 12 МГц. Практически величина частоты дискретизации с учетом возможностей реализации выбирается большей (в области 13 МГц). Выбор частоты дискретизации ниже предела Найквиста (<12 МГц) хотя и уменьшает скорость передачи, но приводит к возникновению помех дискретизации в декодированном сигнале, исключить которые можно с по АСК и сети вещательного телевидения на обработку и передачу цифровых сигналов на основе непосредственного кодирования сигнала PAL, совместимого с компонентным цифровым кодированием, получившим распространение в странах, где принята система SECAM, или с компонентным кодированием, применяемым при некоторых специальных обработках цифрового сигнала PAL. В 1980 г. после того, как компонентное цифровое кодирование было рекомендовано в качестве основы европейского стандарта по передаче и студийной обработке сигналов, роль непосредственного кодирования уменьшилась. В настоящее время непосредственное кодирование сигнала PAL используется прежде всего в гибридных анало- го-цифровых трактах, например в цифровых корректорах временных искажений аналоговых видеомагнитофонов.

Для решения проблем стандартизации компонентного цифрового кодирования в рамках 11 Исследовательской комиссии МККР в период 1982—1986 гг. работала специальная Временная рабочая группа 11/7.

129