Квантование телевизионного сигнала

За процессом дискретизации при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Квантование заключается в округлении полученных после дискретизации мгновенных значений отсчетов до ближайших из набора отдельных фиксированных уровней. Квантование представляет собой дискретизацию телевизионного сигнала не во времени, а по уровню сигнала

Нефиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчеты, называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала U(t) уровнями квантования на отдельные области значений, называемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Следствием этого становится появление в сигнале специфических шумов, называемых шумами квантования. Ошибки квантования или шумы квантования на изображении могут проявляться по-разному, в зависимости от свойств кодируемого сигнала. Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изображении в виде ложных контуров. В этом случае 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. Когда собственные шумы аналогового сигнала 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.

Обычно используется линейная шкала квантования, при которой размеры зон одинаковы.

Число уровней квантования, необходимое для высококачественного раздельного кодирования составляющих цветового телевизионного сигнала, определяется экспериментально. Очевидно, что с ростом этого числа точность передачи уровневой информации возрастает, шумы квантования снижаются, но при этом растет информационный поток и расширяется необходимая для передачи полоса частот. С другой стороны, при заниженном числе уровней квантования ухудшается качество изображения из-за появления на нем ложных контуров. Кроме того, слишком велики, а потому и заметны шумы квантования. Недостаточное число уровней квантования особенно неприятно сказывается на цветных изображениях. В этом случае шумы квантования проявляются в виде цветных узоров, особенно заметных на таких сюжетах, как лицо крупным планом, на плавных перепадах яркости.

Пороговая чувствительность глаза к перепадам яркости в условиях наблюдения, оптимальных для просмотра телевизионных передач, по экспериментальным данным около 1%, а это значит, что два соседних фрагмента изображения, отличающихся по яркости на 1%, воспринимаются как раздельные части изображения. Таким образом, кодирование сигнала яркости с числом уровней квантования меньшим или равным 100 ведет к появлению на изображении ложных контуров, что заметно ухудшает его качество. Следовательно, ближайшее число S двоичных символов (битов) в каждой кодовой комбинации, при которой ложные контура не видны, будет равным 7 (S=7). Чтобы сделать оптимальный выбор значения S, следует оценить уровень шумов квантования. Для количественной оценки влияния шумов квантования на качество телевизионного изображения целесообразно использовать специальный параметр - отношение сигнал-шум квантования ψ_кв, дБ.

В случае линейной шкалы квантования отношение сигнал-шум квантования ψ_кв, дБ определяется следующей известной формулой [13].

где ∆U- шаг квантования; m - число уровней квантования; S - длина кодового слова, т.е. число бит, с помощью которых можно записать в двоичной форме любой номер уровня квантования до m включительно (m=2S²) = 2S); m∆U - размах сигнала, подвергаемого квантованию; ∆U/√12 - результирующее напряжение шума квантования.

Если S= 7, то ψ_кв, дБ ≈ 52,8 дБ. Очевидный недостаток семиразрядного квантования заключается в близости к порогу по шумам квантования и ложным контурам. Дальнейшие исследования показали, что для высококачественного раздельного кодирования телевизионного сигнала необходимо, как минимум, 8-битовое квантование. Фактически используются не все 256 уровней 8-разрядного квантования (от 0 до 255), а несколько меньше. Обычно не используют полный динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя (АЦП), если существует опасность его превышения в процессе эксплуатации. На практике превышение динамического диапазона АЦП может возникать из-за эксплуатационной нестабильности уровня видеосигнала, появления выбросов при использовании фильтров с резким ограничением амплитудно-частотной характеристики, переходных процессов схемы фиксации уровня и др. Учитывая это, для аналого-цифрового преобразования видеосигнала предложено выделить только 220 уровней, а уровню черного и номинальному уровню белого поставить в соответствие уровни 16 и 235. Таким образом, предусматривается запас в 16 уровней «снизу» и 20 уровней «сверху» при положительной полярности видеосигнала. Это различие учитывает неодинаковость восприятия возникающих помех дискретизации на черном и белом.