Разработка программы компрессий цифрового видеосигнала

 

          

    Самым "непонятный" в этой таблице  столбец это "вид сигнала". Что  означают обозначения YUV 4:2:2, YUV 4:1:1 и  т. п.? Настало время поговорить о цифровом представлении телевизионного видеосигнала. 

    

4. Цифровое  представление телевизионного сигнала

 
 

    По  своей массе и производственным мощностям аналоговая вещательная  аппаратура все еще преобладает, но очень быстро сдает одну позицию  за другой. Как и ожидалось, переход к цифровым вещательным комплексам осуществляется, главным образом, за счет поэтапного встраивания цифрового оборудования в аналоговое окружение. Процесс этот идет повсеместно, но в разных странах темпы перехода различны.

    В наиболее развитых странах уже сейчас можно говорить о преобладании цифровой аппаратуры, в некоторых она просто отсутствует. Россию в этом плане, пожалуй, следует отнести к слаборазвитым странам. Бурному внедрению цифровых технологий в наше вещание, естественно, препятствует отсутствие необходимых средств у большинства телевизионных и радиовещательных компаний страны. Тем не менее, дело сдвинуто с мертвой точки и идет с впечатляющим ускорением. Что предлагают цифровые технологии на разных стадиях подготовки и распространения вещательных программ, как влияют на художественные возможности, о чем следует помнить, работая с цифровой аппаратурой, и чего надо опасаться, особенно в системах с компрессией сигналов - ответы на все эти вопросы следует знать всем работникам вещательных организаций - инженерно-техническому персоналу и творческим работникам.

    Цифровая  техника стала постепенно проникать  в телевидение в семидесятые  годы. Первыми появились цифровые корректоры временных искажений, затем - кадровые синхронизаторы, генераторы специальных эффектов, микшеры, коммутаторы. Но говорить о возможности полномасштабного перехода к цифровому телевидению стали десять лет назад, когда появился первый промышленный цифровой видеомагнитофон, разработанный фирмой Sony. Это - выдающееся событие для телевидения.

    Прежде  всего, надо отметить, что параметры, характеризующие качество воспроизводимого изображения и звука в цифровом аппарате, превосходили те значения, которые были типичными для аналоговых магнитофонов. Но появление цифровой видеозаписи означало не просто значительное улучшение параметров. Эффект накопления искажений, присущий всем аналоговым системам, например, ограничивает предельно допустимое число перезаписей, которые могут быть сделаны на аналоговом магнитофоне. Так, например, перезапись на магнитофонах формата VHS, без потери качества в пределах нормы, не допускается вообще, формат S-VHS допускает 1-2 перезаписи, а Betacam SP три-четыре. А вот цифровые системы практически свободны от эффекта накопления искажений. Если в аналоговом аппарате предельно допустимое число перезаписей исчисляется единицами, то в цифровом видеомагнитофоне визуальное качество изображения не изменяется после десятков перезаписей. А это уже не просто количественное улучшение. Можно сказать, что предельно допустимое количество перезаписей уже практически не ограничивает возможности создателей телевизионных программ.

    Десятилетия основным носителем в системах видеозаписи  была магнитная лента. Но сейчас запись на диск завоевывает свое место в  видеотехнике. Дисковые системы дороже ленточных и имеют меньшую емкость, но они обладают весьма важным преимуществом - практически мгновенным (в сравнении с ленточными системами) доступом к любому фрагменту записи. Это создает новые возможности для компоновки и монтажа.

    Таким образом, появление цифровой видеозаписи  ознаменовало начало кардинальных изменений  в технологии производства телевизионных  программ. Но цифровая техника порождает  и проблемы. Полоса частот цифровых сигналов значительно шире полосы их аналоговых предшественников. Например, полоса частот, занимаемая телевизионным видеосигналом в цифровой форме, составляет сотни мегагерц. Так, при передаче телевизионного сигнала в цифровой форме требуются каналы связи с пропускной способностью до сотен мегабит в секунду. Использование каналов, не вносящих ошибки в цифровой поток и обладающих столь большой пропускной способностью, может оказаться невозможным или экономически невыгодным. При плотностях записи информации, которые приходится использовать, например, в цифровых видеомагнитофонах, чтобы добиться расхода ленты, сравнимого с расходом в аналоговых аппаратах, ошибки при воспроизведении просто неизбежны. Поэтому сам факт преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и использование двоичных сигналов в качестве носителя информации еще не гарантирует высокого качества.

    Принципиальный  способ решения проблем передачи и записи с высокой степенью помехозащищенности был обоснован Шенноном. Он заключается  в кодировании сигнала. К системам кодирования в цифровой видеотехнике предъявляются весьма многочисленные и часто противоречивые требования. Поэтому на практике кодирование всегда выполняется в несколько приемов. Сейчас принято выделять следующие основные виды: кодирования источника информации с целью преобразования сигнала в цифровую форму и его экономное представление путем сжатия или, как часто говорят, компрессии; кодирования с целью обнаружения и исправления ошибок; канального кодирования с целью согласования параметров цифрового сигнала со свойствами канала связи и обеспечения самосинхронизации. 

    

5. Аналого-цифровое преобразование сигналов

 
 

    Для преобразования любого аналогового  сигнала (звука, изображения) в цифровую форму необходимо выполнить три  основные операции: дискретизацию, квантование  и кодирование.

    Дискретизация - представление непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений (отсчетов ). Эти отсчеты берутся в моменты времени, отделенные друг от друга интервалом, который называется интервалом дискретизации. Величину, обратную интервалу между отсчетами, называют частотой дискретизации. На рис. 1.1 показаны исходный аналоговый сигнал и его дискретизированная версия. Картинки, приведенные под временными диаграммами, получены в предположении, что сигналы являются телевизионными видеосигналами одной строки, одинаковыми для всего телевизионного растра.

    

 
Рисунок 1.1 -  Аналого-цифровое преобразование. Дискретизация. 

    Понятно, что чем меньше интервал дискретизации и, соответственно, выше частота дискретизации, тем меньше различия между исходным сигналом и его дискретизированной копией. Ступенчатая структура дискретизированного сигнала может быть сглажена с помощью фильтра нижних частот. Таким образом и осуществляется восстановление аналогового сигнала из дискретизированного. Но восстановление будет точным только в том случае, если частота дискретизации по крайней мере в 2 раза превышает ширину полосы частот исходного аналогового сигнала (это условие определяется известной теоремой Котельникова).

    Если  это условие не выполняется, то дискретизация  сопровождается необратимыми искажениями. Дело в том, что в результате дискретизации  в частотном спектре сигнала появляются дополнительные компоненты, располагающиеся вокруг гармоник частоты дискретизации в диапазоне, равном удвоенной ширине спектра исходного аналогового сигнала. Если максимальная частота в частотном спектре аналогового сигнала превышает половину частоты дискретизации, то дополнительные компоненты попадают в полосу частот исходного аналогового сигнала. В этом случае уже нельзя восстановить исходный сигнал без искажений. Теория дискретизации приведена во многих книгах.  

    

 

    Рисунок 1.2 Аналого-цифровое преобразование. Искажение  дискретизации. 

    Пример  искажений дискретизации приведен на рис. 1.2 Аналоговый сигнал (предположим опять, что это видеосигнал ТВ строки) содержит волну, частота которой сначала увеличивается от 0,5 МГц до 2,5 МГц, а затем уменьшается до 0,5 МГц. Этот сигнал дискретизируется с частотой 3 МГц. На рис. 2 последовательно приведены изображения: исходный аналоговый сигнал, дискретизированный сигнал, восстановленный после дискретизации аналоговый сигнал. Восстанавливающий фильтр нижних частот имеет полосу пропускания 1,2 МГц. Как видно, низкочастотные компоненты (меньше 1 МГц) восстанавливаются без искажений.

    Волна с частотой 1,5 МГц исчезает и превращается в относительно ровное поле. Волна с частотой 2,5 МГц после восстановления превратилась в волну с частотой 0,5 МГц (это разность между частотой дискретизации 3 МГц и частотой исходного сигнала 2,5 МГц). Эти диаграммы-картинки иллюстрируют искажения, связанные с недостаточно высокой частотой пространственной дискретизации изображения.

    Если  объект телевизионной съемки представляет собой очень быстро движущийся или, например, вращающийся предмет, то могут  возникать и искажения дискретизации  во временной области. Примером искажений, связанных с недостаточно высокой частотой временной дискретизации (а это частота кадров телевизионного разложения), является картина быстро движущегося автомобиля с неподвижными или, например, медленно вращающимися в ту или иную сторону спицами колеса (стробоскопический эффект).Если частота дискретизации установлена, то искажения дискретизации отсутствуют, когда полоса частот исходного сигнала ограничена сверху и не превышает половины частоты дискретизации.

    Если  потребовать, чтобы в процессе дискретизации  не возникало искажений ТВ сигнала с граничной частотой, например, 6 МГц, то частота дискретизации должна быть не меньше 12 Мгц. Однако, чем ближе частота дискретизации к удвоенной граничной частоте сигнала, тем труднее создать фильтр нижних частот, который используется при восстановлении, а также при предварительной фильтрации исходного аналогового сигнала. Это объясняется тем, что при приближении частоты дискретизации к удвоенной граничной частоте дискретизируемого сигнала предъявляются все более жесткие требования к форме частотных характеристик восстанавливающих фильтров - она все точнее должна соответствовать прямоугольной характеристике.

    Следует подчеркнуть, что фильтр с прямоугольной  характеристикой не может быть реализован физически. Такой фильтр, как показывает теория, должен вносить бесконечно большую задержку в пропускаемый сигнал. Поэтому на практике всегда существует некоторый интервал между удвоенной граничной частотой исходного сигнала и частотой дискретизации.

    Квантование представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин - уровней квантования. Другими словами, квантование - это округление величины отсчета. Уровни квантования делят весь диапазон возможного изменения значений сигнала на конечное число интервалов - шагов квантования. Расположение уровней квантования обусловлено шкалой квантования. Используются как равномерные, так и неравномерные шкалы. На рис. 1.3 показаны исходный аналоговый сигнал и его квантованная версия, полученная с использованием равномерной шкалы квантования, а также соответствующие сигналам изображения.

    

 

    Рис.1.3 Аналого-цифровое преобразование. Квантование. 

    Искажения сигнала, возникающие в процессе квантования, называют шумом квантования. При инструментальной оценке шума вычисляют  разность между исходным сигналом и его квантованной копией, а в качестве объективных показателей шума принимают, например, среднеквадратичное значение этой разности. Временная диаграмма и изображение шума квантования также показаны на рис. 1.3 (изображение шума квантования показано на сером фоне). В отличие от флуктуационных шумов шум квантования коррелирован с сигналом, поэтому шум квантования не может быть устранен последующей фильтрацией. Шум квантования убывает с увеличением числа уровней квантования.  

 

    На  рис. 1.4 показаны изображение, квантованное на 4 уровня, и соответствующий такому числу уровней шум квантования, в котором нетрудно разглядеть сюжет исходного изображения.

    Изображение, показанное на рис. 1.5, получено с использованием 128 уровней. При таком уже сравнительно большом числе уровней шум квантования похож на обычный флуктуационный шум. Размах шума упал, поэтому пришлось при получении картинки шума квантования увеличить этот размах в 128 раз, чтобы шум был заметен. Еще несколько лет назад вполне достаточным казалось использовать 256 уровней для квантования телевизионного видеосигнала. Сейчас считается нормой квантовать видеосигнал на 1024 уровня. Число уровней квантования при формировании цифрового звукового сигнала намного больше: от десятков тысяч до миллионов.

    Цифровое  кодирование.

    Квантованный  сигнал, в отличие от исходного  аналогового, может принимать только конечное число значений. Это позволяет  представить его в пределах каждого интервала дискретизации числом, равным порядковому номеру уровня квантования. В свою очередь это число можно выразить комбинацией некоторых знаков или символов. Совокупность знаков (символов) и система правил, при помощи которых данные представляются в виде набора символов, называют кодом. Конечная последовательность кодовых символов называется кодовым словом. Квантованный сигнал можно преобразовать в последовательность кодовых слов. Эта операция и называется кодированием. Каждое кодовое слово передается в пределах одного интервала дискретизации. Для кодирования сигналов звука и изображения широко применяют двоичный код. Если квантованный сигнал может принимать N значений, то число двоичных символов в каждом кодовом слове n >= log2N. Один разряд, или символ слова, представленного в двоичном коде, называют битом. Обычно число уровней квантования равно целой степени числа 2, т.е. N = 2n.