Квантование телевизионного сигнала

Полученные после дискретизации исходного сигнала u(t)отсчеты и(пТ)могут принимать произвольные значения в пределах своего динамического диапазона. В результате операции квантования должна быть произведена замена всех возможных значений и(пТ)рядом разрешенных значений, названных уровняли квантования (см. рис. 5.1, б). По своему смыслу операция квантования, таким образом, обязательно предполагает появление ошибки между истинным значением сигнала u(t)и его квантованным приближением и_кв(пТ). Эта ошибка D = и(пТ) – и_кв(пТ)называется ошибкой квантования. Ошибка D в существенной степени зависит от того, до какого из двух ближайших уровней квантования (верхнего или нижнего) округляется истинное значение сигнала. Устройство квантования сделает выбор между этими двумя уровнями путем сравнения истинного значения квантуемого сигнала с выбранными порогами квантования. Если истинное значение меньше некоторого уровня, называемого порогом квантования, то оно округляется до ближайшего уровня квантования, расположенного ниже данного порога (см. рис.5.1, в). Таким образом, от того, как расположены пороги квантования внутри шкалы квантования, образованной ее уровнями, будет зависеть максимальная ошибка квантования. Например, если пороги кван­тования совместить с уровнями квантования, то ошибка квантования может быть равна разности между двумя этими уровнями, т.е. шагу квантования. Нетрудно доказать, что среднеквадратическая ошибка квантования будет мини­мальна, если пороги квантования располагаются посередине между уровнями квантования.

Ошибки квантования, называемые также шумами квантования, на изображении могут проявляться по-разному, в зависимости от свойства кодируемого сигнала. Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изображении в виде ложных контуров. Такие искажения хорошо заметны при «грубом» квантовании, когда число уровней квантования недостаточно. В этом случает плавные яркостные переходы превращаются в ступенчатые и качество изображения ухудшается. Наиболее заметны ложные контуры на изображениях с крупными планами. Этот эффект усугубляется на подвижных изображениях.

Эксперименты показывают, что ложные контуры перестают восприниматься, если число уровней квантования превышает 100...200, т.е. шум квантования не превышает 0,5... 1% размаха сигнала. Эти данные хорошо согласуются с понятиями о контрастной чувствительности зрения, рассмотренными в предыдущих главах, и выбором разрядности кодовой комбинации для передачи цифрового сигнала ( где При d=0,02-0,04, N=100, m=115-230). То есть при семи- или восьмиразрядном коде получаем 128 или 256 уровней, что превышает полученный экспериментальным путем необходимый минимум числа градаций, при котором отсутствуют ложные контуры в изображении.

Выше было рассмотрено влияние шумов квантования на качество изображения в условиях, когда собственные шумы в аналоговом сигнале невелики. Когда же они превышают шаг квантования, искажения квантования проявляются уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно распределенные по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигнала как бы подчеркиваются, изображение в целом начинает казаться более зашумленным.

Недостаточное число уровней квантования особенно неприятно сказывается на цветных изображениях. Шумы квантования проявляются в виде цветных узоров, особенно заметных на таких сюжетах, как лицо крупным планом, на плавных перепадах яркости и т.д.

Сократить цифровой поток телевизионного сигнала можно путем при­ме­нения нелинейной шкалы квантования. Как известно, по закону Вебера-Фехнера ощущение приращения яркости от L₁ до L₂ пропорционально логарифму отношения L₂ к L₁. Поэтому шкала, в которой шаги квантования увеличиваются от нижней части к верхней, более соответствует природе зрения. Эксперимент подтверждает, что применение логарифмической шкалы квантования позволяет уменьшить число уровней квантования вдвое по сравнению с линейной шкалой без ущерба качеству изображения, т.е. уменьшить на один разряд кодовую группу при ИКМ. Иными словами, квантование на 2⁷ уровней по логарифмическому закону дает изображение того же качества, что и квантование на 2⁸ уровней при равномерной шкале. Равномерная шкала оказывается более избыточной относительно логарифмической.

Сокращения цифрового потока можно достичь, используя и другие осо­бенности зрения. При оценке необходимого числа уровней квантования сигнала яркости в расчет принималось значение порогового контраста d = 0,02 ... 0,05. Однако эти данные справедливы только для крупных деталей. В общем случае пороговый контраст существенно зависит от размера наблюдаемого объекта. Для объектов, угловые размеры которых примерно несколько минут, пороговый контраст возрастает в десятки раз и приближается к единице; маленькое пятно становится заметным, когда его яркость превышает фон на величину, сравнимую с яркостью самого фона. Это означает, что небольшие детали в изображении, места резких перепадов яркости можно квантовать на значительно меньшее число уровней, чем крупные участки изображения с постоянной или плавно меняющейся яркостью.

В этой особенности зрительного восприятия, как и в факторе наличия сильных корреляционных связей между элементами изображения, кроется большой резерв по сокращению числа уровней квантования, реализация которых, однако, методами ИКМ невозможна. Должны быть применены более эффективные приемы кодирования сигнала, рассматриваемые в следующих разделах.