ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА ВИДЕОСИГНАЛА

Цифровое представление изображения

В прикладной телевизионной технике возможности аналоговой обработки сигнала оказываются недостаточными для решения многих практических и особенно исследовательских задач. Это положение подтверждается, по крайней мере, двумя обстоятельствами. Во-первых, усложнение и увеличение числа обрабатывающих аналоговых звеньев в системе, а также увеличение дальности передачи телевизионных сигналов неизменно влечет за собой ухудшение качества передаваемого изображения, связанное с потерей информации. Во-вторых, современные сложные способы обработки сигнала, такие как пространственная фильтрация, геометрические преобразования, получение межкадровой разности и т. д., требуют использования ЭВМ как универсального типа, так и специализированных. В первом случае применение цифровой техники позволяет максимально сохранить качество передаваемого изображения, во втором — использовать для обработки сигнала существующий и вновь создаваемый парк вычислительных машин, в том числе микропроцессоров и микроЭВМ.

Практически в большинстве случаев приходится иметь дело с передачей плоских, монохромных и неподвижных (в пределах одного кадра) изображений с яркостью Lx, у). Эта функция обычно бывает задана в ограниченной области (0, *тах) х (0, утах)• Для представления в цифровой форме функцию яркости необходимо подвергнуть трем последовательным операциям — дискретизации, квантованию и кодированию.

Дискретизация изображения представляет собой преобразование вида

где k = 0,1, ..., N - 1 при N - хтдсх/Ах I - 0,1, ..., М - 1 при М — Ут&х/^У’

Таким образом, цифровое изображение — это матрица отсчетов Lk, I). Параметры Ах и Ау называются разрешающей способностью дискретизации по пространственным координатам.

Квантование и последующее кодирование изображения есть представление отсчетов матрицы m-разрядным двоичным кодом.

При квантовании изображения каждому элементу матрицы присваивается ближайший разрешенный уровень яркости (например, нижний), число которых равно Nq = 2т. В результате этой операции получается так называемый шум квантования, равный для линейной шкалы уровней

Операция кодирования представляет собой преобразование квантованных значений отсчетов матрицы в соответствующие им кодовые комбинации.

В телевизионной технике (в отличие, например, от фотографии) двухмерное оптическое изображение передается с помощью одномерного электрического сигнала. Это позволяет операции дискретизации и квантования производить не на исходном изображении, а на электрическом сигнале (видеосигнале), что оказывается намного проще. Операция дискретизации в интервале длительности кадра Тк представляется тогда в виде

где k = 0,1, ..., N — 1 при N = TK/At.

Шаг дискретизации At выбирается на основе теоремы Котельникова: At = 1/(2/в), где /в — верхняя граничная частота спектра передаваемого сигнала. Выбор шага дискретизации по Котельникову гарантирует сохранность в дискретном представлении видеосигнала всей информации о его спектральном составе.

После квантования видеосигнала по уровням каждому отсчету присваивается своя кодовая комбинация, т. е. в целом осуществляется преобразование, получившее название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Основные операции над сигналом при цифровом кодировании для трехразрядного кода, которому соответствует N0 = 2s = 8 уровней квантования (3 бит/элемент), показаны на рис. 6.1 [55]. На рисунке обозначены: UBX — напряжение исходного аналогового сигнала; t/д — напряжение сигнала после дискретизации; UK — напряжение квантованного сигнала; U — напряжение кодированного сигнала.

Перейдем теперь к количественной оценке шага (частоты) дискретизации и числа уровней квантования. При верхней частоте стандартного телевизионного сигнала, примерно равной 6 МГц, частота дискретизации будет 12 МГц, т. е. At = 83 нс. Очевидно, что за это время должна быть передана вся кодовая комбинация.

Выбор числа уровней квантования диктуется назначением системы. При передаче полутоновых изображений замена непрерыв-

Графическая интерпретация операций дискретизации, квантования и кодирования видеосигнала

Рис. 6.1. Графическая интерпретация операций дискретизации, квантования и кодирования видеосигнала

ного сигнала квантованным приводит к появлению на приемном конце ступенчатых перепадов яркости, что может, в свою очередь, привести к искажениям в воспроизводимом изображении, например, к смещению границ крупных деталей (появлению «ложных контуров»). Количество уровней квантования должно быть достаточным с точки зрения незаметности подобных искажений, а также должно быть согласовано с числом воспроизводимых системой градаций яркости ALnop. Многочисленными экспериментами показано, что для получения высококачественного изображения необходимо выбрать порядка 128 уровней квантования, т. е. иметь информационную емкость отсчета 7 бит/элемент, а в некоторых случаях 256 уровней (8 бит/элемент). При передаче цветных изображений недостаток числа уровней квантования приводит к нарушению цветопередачи.

Если считать, что в кадре содержится 500 000 элементов, а длительность кадра составляет 40 мс, то для Nq = 256 цифровой поток (пропускная способность канала связи) окажется равным 100 Мбит/с. Для передачи такого мощного цифрового потока требуется создание специальных каналов связи, что в значительной степени сдерживает внедрение цифровых методов в телевизионном вещании. В связи с этим необходимо отметить, что телевизионная система обладает, как правило, большой информационной избыточностью за счет наличия тесных статистических связей соседних элементов изображения. Учитывая это, можно уменьшить информационную избыточность и таким образом «сжать» телевизионное сообщение. По отношению к цифровым системам это означает, что следует применять более эффективные способы кодирования, чем ИКМ [11, 51].

В заключение отметим, что цифровая телевизионная система относится к разряду весьма широкополосных систем. Полоса частот цифровой системы возрастает примерно на порядок по сравнению с аналоговой. Можно считать, что в цифровой системе происходит обмен динамического диапазона входного сигнала, который приобретает только два уровня, на полосу частот.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >