Примерами сигнальных параметров являются амплитуда, частота и фаза сигнала. Сигнальные параметры определяются пространственными и временными координатами.

Дисциплина рЭСБН

Лекция 9

Тема: Цифровая передача и сжатие видеоизображений

Учебные вопросы:

Общие принципы построения систем цифрового телевидения

Статистическая и визуальная избыточность изображений

Классификация основных методов сокращения избыточности изображений

Принципы сжатия видеоизображений

Форматы видеофайлов

Общие принципы построения систем цифрового телевидения.

С момента своего появления и до недавнего времени телевидение было аналоговым. Однако аналоговым системам присущ целый ряд ограничений, которые могут быть устранены только с использованием цифровых сигналов. Цифровые технологии внедрялись в телевидение параллельно с развитием вычислительной техники, созданием интегральных микросхем. Поначалу, цифровая аппаратура применялась только для выполнения отдельных функций. Сейчас полностью цифровые телевизионные вещательные системы стали реальностью и очень скоро войдут в каждый дом.

Физическим переносчиком сообщения является сигнал. Сигнал характеризуется зависящими и независящими от сообщения параметрами.

Параметры сигнала, которые зависят от сообщения, называют сигнальными.

Примерами сигнальных параметров являются амплитуда, частота и фаза сигнала. Сигнальные параметры определяются пространственными и временными координатами.

Аналоговым сигналом называется сигнал, значения сигнального параметра и временная (пространственная) характеристика которого изменяются непрерывно.

Понятие цифрового сигнала тесно связано с определением дискретного сигнала. Дискретным сигналом называется сигнал, сигнальный параметр которого или временная характеристика которого выражается последовательностью значений.

Отсюда следует, что возможно несколько способов преобразования аналогового сигнала в дискретный.

Первый способ заключается в том, что значения аналогового сигнала измеряют через равные промежутки временных или пространственных координат, данная операция называется дискретизацией сигнала.

Наиболее распространенным способом дискретизации является равномерная дискретизация, основанная на теореме Котельникова. Согласно данной теореме любая однозначная непрерывная и ограниченная функция (сигнал на рисунке 9.1, а) реального времени , спектр которой ограничен по частоте величинами , однозначно описывается дискретными отсчетами (рисунок 9.1, б), взятыми через равные интервалы времени, не превышающие . Параметр представляет собой период или интервал дискретизации, а обратная ему величина ¾ частота дискретизации. Последнее неравенство, определяющее выбор частоты дискретизации в теории цифровой обработки, называют критерием Найквиста.

а) б) г) в) Рисунок 9.1 ¾ Преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую

Преимущество дискретной передачи сигналов заключается в экономии времени, которое можно использовать для передачи других дискретных функций в интервалах между отсчетами.

Второй способ преобразования аналогового сигнала, способ квантования по уровню, состоит в округлении значений сигнальных параметров аналогового сигнала до ближайшего отсчёта специальной шкалы, которая называется шкалой квантования. Шкала квантования представляет собой конечный набор уровней квантования, распределённых на интервале значений, которые может принимать сигнальный параметр. Области значений, которые размещены между уровнями квантования, называют шагами квантования. Шкала квантования может быть равномерной и неравномерной. Возможность применения операции квантования сигнала по уровню в телевидении обусловлена ограничениями чувствительности зрительной системы человека к малым изменениям яркости и цвета.

Применяя к аналоговому сигналу операции дискретизации и квантования, получают дискретизированный и квантованный сигнал (рисунок 9.1, в).

Дискретизированный и квантованный сигнал уже может называться цифровым. Действительно, операция квантования приводит к тому, что значения дискретной функции могут характеризоваться ограниченным числом значений, равным числу уровней квантования . Таким образом, квантованная выборка сигнала выражается некоторым числом в системе счисления с основанием . Однако цифровой сигнал в такой форме не особенно эффективен. В цифровых системах дискретизированный квантованный сигнал преобразуют в двоичную форму. При этом номер уровня квантования представляется в виде кодовой комбинации символов «0» и «1» (рисунок 9.1, г). Под цифровым сигналом понимается частный случай кодированных сигналов (в том смысле, что код однозначно определяет уровень квантования).

Совокупность операций ¾ дискретизации, квантования и кодирования ¾ называют аналого-цифровым преобразованием. В любой цифровой системе передачи, хранения и обработки изображений непременно используются устройства, выполняющие преобразование аналогового сигнала в цифровой и наоборот.

Таким образом, цифровой сигнал позволяет представить аналоговый сигнал в виде последовательности двоичных символов (битов). Количество передаваемых двоичных символов в единицу времени определяет скорость передачи цифровой информации. Единицей измерения цифровой информации является 1 бит/с. Скорость передачи сигнала в цифровой форме определяется выражением

, (9.1)

где ¾ число двоичных символов в кодовой комбинации, описывающих уровень сигнала, которое связано с числом уровней квантования выражением

. (9.2)

Техническую скорость передачи цифровой информации измеряют в бодах. Если передаваемое сообщение является двоичным и безизбыточным, то.

Выражение (9.2) позволяет определить требуемую скорость передачи информации в канале вещательного телевидения при соответствующем числе уровней квантования. Так, если принять , то в канале полосой 6 МГц для монохромного телевидения потребуется скорость передачи информации . Если учесть, что кроме сигнала яркости необходимо передать информацию о цвете, то общая скорость передачи информации должна быть по меньшей мере в два раза выше. Создание полностью цифровой системы вещательного телевидения с таким потоком информации является экономически нецелесообразным, поэтому одной из наиболее важных задач разработчиков систем цифрового телевидения стала разработка методов и алгоритмов эффективного сжатия цифровой видеоинформации.