Число двоичных символов к в кодовой комбинации одного отсчета связано с числом уровней кван­тования т исходного сигнала соотношением

Выбор числа уровней квантования определяется требованием к минимизации ошибок (ошибок квантования), возникающих из-за замены истинных значений отсчетов сигнала их квантованными (при­ближенными) значениями. Ошибки квантования носят случайный характер и называются шумами квантования. На изображении они про­являются 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.

Такие искажения хорошо заметны при «грубом» квантовании, когда число уровней квантова­ния недостаточно. В этом случае плавные яркостные переходы пре­вращаются в ступенчатые. Наиболее заметны ложные контуры на изображениях с крупными планами. Этот эффект усугубляется на подвижных изображениях. Ложные контуры перестают восприниматься, если число уровней квантова­ния превышает 100-200, а шум квантования не превышает 0,5...1 % размаха сигнала.

Если собственные шумы аналогового сигнала достаточно велики и превышают шаг квантования, то искажения квантования проявля­ются уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно рас­пределенные по спектру. Изображение начинает казать­ся более зашумленным.

Недостаточное число уровней квантования неприятно сказывается на цветных изображениях. Шумы квантования про­являются в виде цветных узоров, особенно на таких сю­жетах, как лицо крупным планом.

В отношении линейной шкалы квантования рекомендуется использовать де­сятиразрядную шкалу с квантованием на 1024 уровня. Хотя раньше считалось вполне удовлетворительным квантование на 256 уровней (восьмиразрядной шкалой).

Спектр дискретизированного сигнала пред­ставляет собой сумму исходного спектра и «побочных» или дополнительных спектров того же вида, но сдвинутых один относи­тельно другого на f_д, 2f_д,.. .и т.д. (рис. 5.3). Из рисунка видно, что с помощью идеального фильтра нижних частот (ФНЧ) с частотой среза f_фнч можно выделить спектр исходного сигнала, если выпол­няются условия:

1) f_д ≥ 2f_гр; 2) f_гр ≤ f_фнч ≤ f_д ^— f_гр.

Если же частота отсчетов выбрана из условия f_д < 2f_гр, то по­сле дискретизации побочные спектры будут перекрывать основной (рис. 5.4), и восстановить исходный сигнал без помех невозможно.

При полосе частот яркостного сигнала, рав­ной 6 МГц, частота дискретизации должна быть выбрана не менее 12 МГц. Реально эта частота должна быть увеличена.

Необходимым требованием АЦП телевизионного сигнала является условие, чтобы частота дискретизации была кратной часто­те строк. Кроме того, желательно удовлетворение этому требованию одновременно для двух мировых стандартов разложения: 625/50 и 525/60. Вариантом, отвечающим этим условиям, является частота 13,5 МГц. В этом случае строка изображения для обоих стандартов состоит из 720 пикселей, Для более высокого формата разрешения частота дискретизации должна быть пропорционально увеличена.

Скорость цифрового по­тока яркостного сигнала для к = 10 –число 2-х символов в одном отсчете и f_д = 13,5 МГц:

Т.к, кроме сигнала яркости должна быть переда­на. информация о цвете, то общий цифровой поток, формируемый по методу ИКМ, удвоится и будет равен 270 Мбит/с. Нельзя считать экономи­чески целесообразной передачу такого большого цифрового потока по каналам связи. Поэтому важной задачей для построения более экономичных ТВ систем является сжатие или компрессия ТВ сообщения.

Использование визуальной и других избыточностей для компрессии ТЛВ сигнала и их влияние на восприятие программ

Для уменьшения цифрового потока без заметного ущерба качеству воспринимаемого изображения используется инфор­мационная избыточность ТЛВ сигнала. Эта избыточность разделяется на статистическую, физиологическую и структурную.

Статистическая избыточность определяется свойствами изо­бражения, которое имеет определенные связи (корреляцию) как между яркостями отдельных элементов, так и между их цветностями. Особенно велика корре­ляция между соседними (в пространстве и во времени) элементами изображения. Использование корреляционных связей позволяет не передавать многократно одни и те же данные и сокращать за счет этого объем сообщения. При этом устранение статистической избы­точности в ТВ сигнале может происходить без потери информации, и исходные данные будут полностью восстановлены.

Визуальная или физиологическая избыточность ТВ сигнала связана с ограниченностью зрительного аппара­та. Эта избыточность используется в виде устранения из сигнала той информации, которая не будет воспринята на­шим зрением. Такое устранение связано с частичной потерей информации, но той, которая почти не воспринимается зрением, и ее потеря хотя и влияет на качество воспринимаемого изображения, но не очень сильно.

Структурная избыточность опре­деляется структурой видеосигнала: наличием в сигнале гасящих импульсов. В цифровом потоке соответ­ствующие им временные интервалы можно исполь­зовать для передачи другой информации, например звукового со­провождения.

Уменьшение цифрового потока ТВ сигнала за счет сокращения статистической и визуальной избыточности в изображении осу­ществляется применением более эффективных мето­дов кодирования по сравнению с ИКМ. Наиболее широко распространены следующие виды кодирования: кодирование с предсказанием, кодирование с линей­ным ортогональным преобразованием, взвешенное квантование, эн­тропийное кодирование или кодирование с переменной длиной. Существуют стандарты компрессии, которые определяют основные правила эффективного кодирования и декодирования цифровых потоков. Эти стандарты получили общее на­именование MPEG.

В Европе в качестве основно­го стандарта для цифрового телевизионного вещания принят стандарт сжатия MPEG-2, хотя раз­работаны и другие подмножества стандарта, отвечающие различным сферам применения и качеству изображений.

Эффективность компрессии, достигнутая к настоящему времени, очень велика. Так, для стандарта MPEG-2(разрешение 720x576 пикселей) требуется битовая скорость порядка 15 Мбит/с (против приведенного выше значения 270 Мбит/с некомпрессированного ИКМ сигнала). Качество воспринимаемого изображения конечно при этом снижается, но в допустимых пределах.

Необходимость канального кодировании цифровых ТЛВ сигналов

Цифровые сигналы с высоким уровнем компрессии весьма уязви­мы для помех в канале передачи. Поэтому они нуждаются в эффек­тивном обнаружении и исправлении ошибок. В цифровом телевизионном вещании интенсивность ошибок должна быть порядка 10^-10 ... 10^-12 бит. Это соответствует появле­нию за один час передачи не более 0,1... 10 ошибочных бит. Подобных каналов в реалии не существует.Тем не менее условия передачи с такими жесткими тре­бованиями к безошибочности передачи цифровой информации долж­ны быть выполнены.

Для этого предпринимаются меры, которые гарантируют, что ошибки, вызванные физической средой передачи, будут обнаружены и по возможности скорректированы. С этой целью сигнал подвергается помехоустойчивому кодированию, при котором в сигнал вводится избыточность, позволяющая обнаруживать ошибки и исправлять их. Из помехоустойчивых кодов наиболее широко при­ме'ним код Рида-Соломона.

Компрессированный цифровой сигнал подвергается и другим операциям, которые в совокупности с помехо­устойчивым кодированием относят к разряду процедур канального кодирования. Производится: опера­ция скремблирования данных с целыо более равномерного распре­деления энергии сигнала и перемежение, которое позволяет длинные пакеты ошибок распределить на отсчеты, дале­ко отстоящие друг от друга.