Разработка программы компрессий цифрового видеосигнала

    В настоящее время в эксплуатации находятся три совместимых системы  цветного телевидения - NTSC, PAL, SECAM. Основные различия между ними заключаются  в конкретных методах кодирования  телевизионного сигнала (см. таблицу).

    Таблица 1.1

    Кратко  остановимся на особенностях этих систем, рассматривая их в хронологическом  порядке.

    NTSC (National Television System Color) - первая система цветного телевидения, нашедшая практическое применение. Она была разработана в США и уже в 1953 г. принята для вещания, а в настоящее время вещание по этой системе ведется также в Канаде, большинстве стран Центральной и Южной Америки, Японии, Южной Корее и Тайване. Именно при ее создании были выработаны основные принципы передачи цвета в телевидении. В NTSC каждая телевизионная строка содержит составляющую яркости Y и два сигнала цветности E_I = 0.737U - 0.268V, E_Q=0.478U+0.413V. Здесь переход от осей цветового кодирования U, V к осям I, Q обусловлен необходимостью сужения ширины полос цветовых поднесущих всего до ± 0.5 Мгц (в NTSC используется самая узкая полоса видеосигнала). Поскольку глаз человека мелкие детали зеленого и пурпурного цветов (ось Q) воспринимает как неокрашеные (ось I - перпендикулярная к Q), то для сигналов E_Q и E_I это удается без дополнительных потерь в разрешении.

    Цветоразностные сигналы передаются путем амплитудной  модуляции поднесущих на одной и  той же частоте, но с фазовым сдвигом  на 90° . Последнее обстоятельство является принципиально важным для разделения сигналов при приеме. Однако, из-за неизбежных нелинейных искажений в канале передачи поднесущие оказываются промодулированными сигналом яркости как по амплитуде, так и по фазе. В результате в зависимости от яркости участков изображений изменяются их цветовой тон. Например, человеческие лица на изображении окрашиваются в красноватый цвет в тенях и в зеленоватый - на освещенных участках. Это и является основным недостатком системы NTSC.C целью его устранения немецкой фирмой Telefunken в 1963 г. была разработана система PAL (Phase Alternation Line).

    Здесь использована аналогичная амплитудная  модуляция, цветоразностных сигналов E_U=0.877U и E_V=0.493V с фазовым сдвигом на 90°, но через строку дополнительно производится изменение знака амплитуды составляющей E_U. В результате при восстановлении в декодере цветовые составляющие надежно разделяются сложением/вычитанием сигналов цветности последовательных телевизионных строк, и паразитная яркостная модуляция приводит лишь к некоторому изменению цветовой насыщенности. Усреднение сигналов двух строк обеспечивает также повышение отношения сигнал/шум, но приводит к снижению вертикальной четкости в два раза. Впрочем частично последнее компенсируется увеличением числа телевизионных строк разложения. Система PAL принята в большинстве стран Западной Европы, Африки и Азии, включая Китай, Австралию и Новую Зеландию.

    SECAM (SEquentiel Couleur A Memoire) первоначально была предложена во Франции еще в 1954 г., но регулярное вещание после длительных доработок было начато только в 1967 одновременно во Франции и СССР. В настоящее время она принята также в Восточной Европе, Монако, Люксембурге, Иране, Ираке и некоторых других странах. Основная особенность системы - поочередная, через строку, передача цветоразностных сигналов (D_R= 1.9U, D_B=1.5V) с дальнейшим восстановлением в декодере путем повторения строк. При этом в отличие от PAL и NTSC используется частотная модуляция поднесущих. В результате цветовой тон и насыщенность не зависят от освещенности, но на резких переходах яркости возникают цветовые окантовки. Обычно после ярких участков изображения окантовка имеет синий цвет, а после темных - желтый. Кроме того, как и в системе PAL, цветовая четкость по вертикали снижена вдвое.

    Таковы  общие принципы кодирования цвета  в различных видеосистемах телевидения. Но этим многообразие стандартов не ограничивается. Дело в том, что для формирования полного телевизионного сигнала к видео необходимо добавить звук, а полученный так называемый низкочастотный телевизионный сигнал передать через эфир путем модуляции гармоники одного из доступных радиоканалов (48,5...66 МГц - первый частотный диапазон, 76...100 МГц - второй частотный диапазон, 174...230 МГц - третий частотный диапазон, 470...790 МГц - четвертый частотный диапазон). И здесь даже в рамках одной системы существуют различия, связанные с конкретной шириной спектра видеосигнала и его разносом со звуковой частью, полярностью амплитудной модуляции радиоканала изображения и типом модуляции радиоканала звука. В таблице представлены основные параметры телевизионных стандартов стран мира.

    Таблица 1.2

    Нелишне напомнить, что в России принят стандарт SECAM D/K (первая буква относится к диапазону метровых волн, вторая - дециметровых), во Франции - SECAM E/L, Монако - SECAM C/L, Иране - SECAM B, Германии - PAL B/G, Англии - PAL A/I, Бельгии - PAL B/H, Бразилии - PAL M/M, Китае - PAL D/K, в США, Японии и Тайване - NTSC M/M.  

    В заключении отметим, что французский  и российский SECAM существенно отличаются в модуляции несущего радиосигнала - как по видео, так и по звуку. А на уровне низкочастотных сигналов отличий нет. Основное отличие между SECAM B/G и D/K - в частоте разноса звука от видео. В то же время с точки зрения модуляции радиосигналов отличий между PAL D/K и SECAM D/K нет. Это позволяет использовать телевизионный тюнер, настроенный на PAL D/K, для выделения нашего SECAM из высокочастотного сигнала. Очевидно, что полученный при этом низкочастотный сигнал все же необходимо подавать именно на SECAM-декодер.  

3. Форматы представления видеосигнала

    Как уже отмечалось, низкочастотный телевизионный  видеосигнал является композитным, т.е. представляет собой результат сложения яркостного сигнала Y, двух цветовых поднесущих, модулированных сигналами цветности U и V, а также синхроимпульсов, причем частоты цветоразностных сигналов лежат в пределах полосы спектра яркостного сигнала. Но из-за строчной структуры телевизионного разложения в спектральной области все они имеют гребенчатую структуру, расстояния между соответствующими пиками которых равны строчной частоте. При этом частоты поднесущих выбраны так, чтобы спектральные пики сигналов цветности оказались между пиками яркостного сигнала. В результате путем использования специальных гребенчатых фильтров возможно эффективное разделение этих сигналов. Однако, подобные фильтры весьма сложны и дороги, а потому в основном используются в профессиональной аппаратуре высокого разрешения.

    В бытовых устройствах ограничиваются более простыми полосовыми фильтрами, заметно снижающими четкость изображений. Так в видеомагнитофонах и  камерах классов VHS (Video Home System) и Video-8 используются только композитные видеосигналы, при этом разрешение ограничено 240 телевизионными линиями. Кроме того, даже полное использование всех различий сигналов все равно не позволяет идеально разделить их. Поэтому более эффективным оказывается использование не единого композитного сигнала, а двух композитных сигналов Y/C: Y, как и ранее, несет яркостный сигнал и синхроимпульсы, а C (Chrominance) - модулированные цветовые сигналы. Такой сигнал называют S-Video, он используется при записи/воспроизведении в аппаратуре классов S-VHS и Hi-8. Считается, что при этом обеспечивается разрешение в 400 линий.

    Следующим шагом к повышению качества является переход к компонентному сигналу YUV. Он используется в профессиональной аппаратуре класса Betacam и связан с  поддержкой разрешения до 500 линий. И, наконец, последним в этой череде является RGB-представление: при этом отсутствуют какие-либо кодирование и модуляция, наиболее простая и точная передача сигнала. Однако, в силу вышеуказанных особенностей зрительного восприятия человека достигаемое здесь повышение качества уже становится визуально несущественным. Поэтому, подобное представление реально используется только в высокоточной научной измерительной аппаратуре.

    За  последние несколько лет появилось  большое число различных цифровых форматов представления видеосигнала. Аппаратура, работающая в этих форматах выпускается рядом фирм - законодателей мод в видеотехнике, такими как Sony, Panasonic, JVC и т. д. Такая аппаратура стала появляться и на нашем рынке, хотя пока она слишком дорога для "российского" уровня, особенно для бытового. Приведем сводную таблицу существующих форматов, в том числе и цифровых, к которым вернемся в дальнейшем.

    Сравнительные характеристики различных форматов записи на магнитную ленту.

    Таблица 1.3