Цифровое кодирование телевизионного сигнала

Общие сведения.Заключительной операцией в преобразовании аналогового сигнала в цифровой является кодирование квантованных отсчетов в виде последовательности импульсов. Чаще всего эта последовательность реализуется в двоичной форме, где m уровням квантования входной видеоинформации соответствует k = log ₂ m кодовых импульсов. Как уже отмечалось, такой метод кодирования получил название импульсно-кодовой модуляции. Он стал класси­чес­ким и универсальным методом, применяемым при обработке и передаче ви­део­информации. К достоинствам ИКМ следует отнести универсальность двоич­ной формы представления, используемой для всех операций над ТВ сигналами, низкую чувствительность к шумам, интерференционным помехам и искажениям, связанным с передачей и записью сигналов, а также простоту восстановления цифрового сигнала путем регенерации его формы. Однако с точки зрения скорости передачи ИКМ недостаточно эффективна, так как ее практическое применение связано с необходимостью обеспечения высоких скоростей передачи. Объясняется это тем, что импульсно-кодовой модуляции в телевидении присуща значительная избыточность в передаваемой информации. Ведь, несмотря на равновероятность любых из возможных уровней яркости (цветности) для одного элемента изображения, содержание соседствующих с ним элементов мало отличается или не отличается вовсе. Статистический анализ телевизионного изображения устанавливает сильные корреляционные связи между соседними элементами. При поэлементной передаче яркостиили цветности изображения, присущей методу ИКМ, в канал, таким образом, посылается одна и та же или мало отличающаяся по содержанию информация.

В настоящее время существует много приемов по сокращению избыточности телевизионного сигнала. Эти приемы связаны с более эффективным кодированием по сравнению с ИКМ. Весьма условно их можно разделить на три класса: кодирование ТВ сигнала с предсказанием, групповое кодирование с преобразованием и адаптивное групповое кодирование. Рассмотрим все три принципа кодирования.

Кодирование с предсказанием.Как уже отмечалось, наличие сильных корреляционных связей между близко расположенными элементами изображения определяет нецелесообразность передачи полной информации о каждом элементе. Можно ограничиться передачей отсчета одного элемента, а остальные элементы, используя статистические законы, предсказать, т.е. вычислить с помощью специальных технических устройств на приемном конце системы.

Однако, как бы ни был совершенен аппарат, определяющий статистические связи в изображении, предсказание элементов по предыдущему отсчету или их совокупности всегда будет нести ошибку, обусловленную случайным характером распределения в изображения яркости и цветности. Эта ошибка должна быть для каждого элемента изображения учтена, скорректирована. Только при этом условии на приемном конце системы будет воссоздано изображение, соответствующее оригиналу.

Отсюда вытекает принцип кодирования сигнала с предсказанием: передача в каждом отсчете не истинного значения элемента, а кодированной разности между истинным значением и предсказанным, называемой ошибкой предсказания. Логично ожидать, что в сигна­ле ошибки содержится меньший объем информации, чем в полном от­счете.

Рис. 5.10.Структурная схема системы с предсказанием

Чтобы сформировать сигнал ошибки е(пТ), на передающем конце системы устанавливаются устройство предсказания, такое же, как и на приемном конце, и вычитающий каскад. На рис.5.10 вместо послед­него изображено суммирующее устройство, на входы которого пода­ются истинное значение отсчета и(пТ)и его приближенно предсказан­ное значение и(пТ)со знаком «минус». Сигнал ошибки е(пТ), содержащий в общем случае меньший объем информации по сравне­нию с сигналом и(пТ), будучи принят на другом конце системы, скла­дывается в суммирующем устройстве с предсказываемым значением и(пТ). В результате на приемном конце восстанавливается истинное значение сигнала и(пТ).

Из принципа работы системы с предсказанием следует, что чем точнее предсказывается сигнал и(пТ), тем меньше диапазон измене­ния сигнала ошибки е(пТ), тем меньшим числом бит может быть он передан, а значит, кодирование будет с этих позиций более эффектив­ным.

В простейшем случае в качестве предсказанного значения можно использовать значение предыдущего отсчета. Тогда «предсказатель» реализуется в виде задержки сигнала на время передачи одного эле­мента изображения. Указанный прием предсказания на первый взгляд не дает сокращения избыточности. Ведь сигнал ошибки е(пТ) при таком предсказании может принимать любые значения, вплоть до максимальных амплитуд самого сигнала и(пТ), да еще при этом меняя знак (разность между и(пТ)и и(пТ)может быть положительной и отрицательной). Однако, несмотря на увеличенный динамический ди­апазон, сигнал ошибки распределяется внутри него не равновероят­но. Вероятность его распределения аппроксимируется экспоненци­альной функцией с максимумом вероятности вокруг нуля и быстрым спадом вероятности для значений, отличных от него. Следовательно, сигнал ошибки с достаточно высокой достоверностью может быть проквантован значительно меньшим числом уровней, чем исходный отсчет. Это и обеспечивает экономию в объеме передаваемой инфор­мации.

Конечно, данный прием дает хорошие результаты лишь в среднестатистическом смысле, т.е. для всего изображения. Для деталей же изображения, содержащих резкие яркостные переходы и контуры, будут характерны (хотя и редкие в статистическом плане) всплески сигнала ошибки. При грубом квантовании они обусловят появление на изображении соответствующих искажений. Однако, как показыва­ет эксперимент, эти искажения благодаря особенностям зрения ока­зываются малозаметными. Известно, что зрительный аппарат хуже различает яркость мелких деталей; более того, физиологи обнаружи­ли явления, называемые латеральным (боковым) торможением, кото­рые подавляют фоновую составляющую изображения и подчеркива­ют в нем контуры и мелкие детали, выделяя тем самым наиболее информативную его часть. На фоне этих «искажений», обусловливае­мых алгоритмом работы зрительного аппарата, искажения из-за гру­бого квантования сигнала ошибки в области его больших значений становятся менее заметными. Сокращение числа уровней квантова­ния сигнала ошибки оказывается допустимым, таким образом, и для деталей изображения, содержащих резкие переходы и контуры.

Число уровней квантования сигнала ошибки для разных систем кодирования с предсказанием выбирается неодинаковым. Но что важно: шкала квантования существенно нелинейна и несимметрична относительно нуля.

Итак, принцип действия систем кодирования с предсказанием заключается в передаче вместо истинного значения сигнала закодиро­ванной разности истинного и предсказанного значений. В соответст­вии с этим принципом подобные системы кодирования получили еще одно название – системы с дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией (ДИКМ).

Простейшей из систем ДИКМ является система с дельта-модуля­цией. В этой системе сигнал ошибки квантуется всего на два уровня, т.е. фиксируется только знак ошибки. В качестве предсказателя при дельта-модуляции применяется интегратор, который линейно сумми­рует подаваемые на его вход с частотой дискретизации сигналы ошиб­ки ±d (рис.5.11). Поскольку последние в течение интервала дискрети­зации постоянны, суммирование их во времени обу­словит образование сигнала ступенчатой формы. Этот сигнал используется в качестве сигнала предсказания u(t)Вычтя его из исходного сигнала, получим после сумматора разностный сигнал e(t). Квантователь ог­раничивает этот сигнал всего двумя уровнями.

После преобразования полученного сигнала ошибки ±d в двоич­ный код его можно передавать. На приемном конце системы двоичный код сначала превращается в биполярные отсчеты ±d, а в кодирую­щем устройстве, представляющем собой описанный выше интегра­тор, формируется сигнал u(t). Этот сигнал и используется в качестве восстановленного, хотя он заметно отличается от исходного сигнала.

На рис.5.11,б изображены сигналы, формируемые в системе с дельта-модуляцией. Участок А характеризуется передачей относи­тельно резкого перепада яркости. Квантователь в этом случае выдает сигнала ошибки d только одного знака.

Рис. 5.11. Дельта-модуляция:

а – структурная схема системы; б – форма сигналов

Интегратор последовательно во времени их суммирует, образуя напряжение ступенчато-пилообразной формы. При этом последнее «не успевает» за изменением исходного сигнала, поскольку скорость нарастания сигнала предсказания не может превзойти некоторого значения, определяемого d и частотой дискретизации. В результате фронты в сигнале предсказания затягиваются по отношению к возможным быстрым перепадам в исходном сигнале. На участке Б, где исходный сигнал имеет сравнительно медленные изменения, сигнал предсказания достигает примерного равенства с ним. Однако при этом значение сигнала предсказания непрерывно колеблется вокруг значения исходного сигнала. Эти колебания происходят с амплитудой d и частотой дискретизации. Искажения, характеризующие затягивание фронтов в сигнале предсказания, получили название перегрузки по крутизне. Второй вид искажений, обусловленный ступенчатостью формы сигнала, определяет гранулярный шум изображения. Для уменьшения этих искажений в системах с дельта-модуляцией приходится по сравнению с ИКМ значительно увеличивать частоту дискретизации, что снижает эффективность системы в целом. Поэтому дельта-модуляция применяется только в видеотелефонных системах.

Снижения частоты дискретизации по сравнению с рассмотренным случаем удается добиться в системах ДИКМ с многоуровневым квантованием сигнала ошибки (рис.5.12). На вход вычитающего устройства S₁, поступают в аналоговой форме исходный сигнал u(t)иего предсказанное значение (t). Полученный сигнал ошибки e(t)квантуется на определенное число уровней (обычно не более 16) и преобразуется в двоичный код. Эти операции выполняются в АЦП, после чего передается закодированный сигнал ошибки e(t). Этот же сигнал в ЦАП подвергается обратному преобразованию в аналоговую форму и подается на сумматор S₂, в котором складываются ошибка и сигнал предсказания. На выходе сумматора, таким образом, будет восстановлено исходное значение сигнала с погрешностью, определяемой ошибкой квантования (наличие ошибки квантования учтено в обозначениях e'(t)и и'(t) на рис.5.12). По этому значению (а чаще по совокупности предыдущих значений отсчетов) в предсказателе формируется сигнал предсказания (t) последующего отсчета, который подается на вычитающее устройство S₁.

Рис. 5.12. Структурная схема системы с ДИКМ

На приемной стороне в декодирующем устройстве после цифроаналогового преобразования сигнал ошибки e'(t) поступает на декодирующее устройство, состоящее из аналогичных передающему концу системы сумматора и предсказателя.

В целом методами ДИКМ удается сократить число бит на один элемент до 3...5 по сравнению с 7...8 битами при использовании ИКМ. Устранение избыточности в системах с предсказанием не может не сказаться на их помехоустойчивости. Помеха, поразившая один из переданных отсчетов, явится причиной искажений не только этого отсчета, но и всех последующих, поскольку они вычислялись (предсказывались) по предыдущему значению. На изображении образуются характерные искажения – треки ошибок. Уменьшить эти искажения можно более частой передачей «опорных» отсчетов, т.е. самих значений элементов изображения, а не их ошибок. В этом случае действие помехи на изображении прекращается с появлением ближайшего истинного значения сигнала. Конечно, увеличение числа опорных значений в сигнале ДИКМ снижает эффективность кодирования.

Повышает помехоустойчивость системы с предсказанием двумерное кодирование, при котором предсказание производится как по совокупности предшествующих элементов в строке, так и по значениям соответствующих элементов в предыдущих строках. В этом случае улучшается также качество воспроизведения вертикальных яркостных переходов.

Статистические исследования показали, что свойства ТВ изображения, обусловленные межкадровыми связями, аналогичны пространственным свойствам в неподвижном изображении (внутрикадровые связи: межэлементные и межстрочные связи). Коэффициенты корреляции в соседних кадрах получаются часто даже большими, чем для соседних пикселей в одном кадре. Отмеченные свойства ТВ изображений легли в основу стандарта сжатия цифрового потока в системе MPEG.