ГЛАВА 7. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ

§ 7.1. Кодирование телевизионных сигналов

При цифровых методах обработки видеоинформации создаются условия для реализации многих перспективных предложений по совершенствованию и развитию телевизионных систем. Использование цифровых сигналов позволяет исключить накопление амплитудных, частотных и фазовых искажений в протяженных трактах и при многократной перезаписи изображений.

Путем временных преобразований синхронизируются телевизионные сигналы независимо работающих источников видеоинформации, включая источники, использующие различные стандарты разложения. Использование цифровых корректоров устраняет временные искажения, возникающие в видеомагнитофонах, и приводит к стандартной форме телевизионные сигналы,

воспроизводимые портативными аппаратами различных систем магнитной записи.

Изобразительные средства телевидения обогащаются цифровой системой видеоэффектов, выполненной на основе геометрических преобразований изображений и цветовой фильтрации. Наряду с деформацией изображений, воспроизводимых телевизионными сигналами, поступающими с передающих камер, телекинопроекторов, видеомагнитофонов, в системах видеоэффектов начинают использоваться цифровые устройства видеоживописи и видеографики, синтезирующие новые изображения.

На базе цифровой техники создаются высококачественные телекинопроекторы с непрерывной протяжкой пленки. Цифровые фильтры являются основой новых типов корректоров телевизионного сигнала, таких, как шумоподавители и интерполяторы устройств, восстанавливающих элементы изображений, утраченные из-за дефектов магнитной ленты и кинопленки.

В прикладных ТВС цифровая техника открывает пути для обработки изображений с помощью ЭВМ и решения, таким образом, задач, связанных с автоматизацией процессов анализа видеоинформации и опознаванием образов. Большое влияние как на вещательную, так и на прикладные ТВС, должно оказать освоение цифровой видеомагнитной записи, применение цифровых стекловолоконных линий связи и нахождение эффективных способов сокращения избыточности сообщений. В составе современных ТВС уже используется большое число цифровых устройств с многообразными функциями. Этим устройствам наряду с уже отмеченными достоинствами присущи унифицированность схем, высокая надежность, широкая автоматизация системы управления. Рассматривая тенденции развития телевизионной техники с точки зрения способов и средств обработки информации, можно сказать, что в процессе совершенствования телевизионные системы становятся цифровыми.

Рассмотрим кратко принципы построения основных узлов цифровых телевизионных устройств и характерные для цифровых ТВС преобразования сигналов

Переход от аналоговой к цифровой форме сигнала осуществляется в результате двух операций: дискретизации и квантования. При цервой оиерааии аналоговый сигнал преобразуется в дискретный сигнал, имеющий вид последовательности отсчетов функции определенных для множества равностоящих точек на оси времени. Интервал между соседними точками называют интервалом дискретизации. Вторая операция заключается в оценке каждого отсчета дискретного сигнала числом в двоичной системе с ограниченным числом разрядов.

В соответствии с теоремой Котельникова сигнал со спектром, ограниченным частотой простирающийся от до можно восстановить по равномерно отстоящим временным отсчетам с помощью идеального ФНЧ с полосой пропускания,

ограниченной на частоте если число отсчетов, приходящихся на период верхней частоты, не менее двух:

Здесь — последовательность отсчетов, разделенных интервалами импульсная функция идеального ФНЧ.

Рис. 7.1. Спектр дискретного сигнала

После дискретизации сигнал может быть представлен в виде произведения исходного сигнала и дискретизирующей последовательности, образованной -импульсами, следующими через интервалы времени

Определяя спектр как свертку спектральных плотностей двух сигналов, получаем

где — спектр непрерывного сигнала; — спектр дискретного сигнала; — частота дискретизации.

Из (7.1) видно, что спектр дискретного сигнала является периодической функцией и может рассматриваться как сумма спектров исходного непрерывного сигнала и побочных составляющих такого же вида, повторяющихся со смещением по оси частот (рис. 7.1). Побочные составляющие не создают помех, если они не перекрываются со спектром исходного сигнала. Перекрытие возникает при частоте отсчетов, меньшей . В этом случае ФНЧ о граничной частотой при восстановлении аналогового сигнала не исключает мешающих компонентов дискретного сигнала. В вещательной ТВС при цифровой обработке яркостного сигнала дискретизацию осуществляют с частотой 13,5 МГц, что в 2,25 раза выше частоты МГц, а для дискретизации полного сигнала, энергия высокочастотных составляющих которого увеличена из-за

цветовых поднесущих, выбирают частоту в четыре рача выше одной из поднесущих, например Здесь поднесущая сигнала

После квантования дискретный сигнал принимает форму цифрового сигнала При равномерной шкале и представлении чисел в двоичной системе интервал между двумя делениями шкалы равен где — наибольшее значение сигнала, которое может быть измерено; — число разрядов двоичного кода Величину называют интервалом или шагом квантования Значения отсчетов сигнала, не совпадающие с уровнями квантования, оцениваются с погрешностью, максимальное значение которой равно

При линейном нарастании квантуемого сигнала ошибка изменяется по пилообразному закону. Дисперсия такой ошибки эффективное значение

Отношение наибольшего значения размаха сигнала к эффективному значению ошибки квантования

Погрешность проявляется в виде помехи, называемой щлмоч квантования. Если коэффициент корреляции сигнала далек от единицы и интервал достаточно мал. то спектральную плотность мощности шума квантования в полосе частот, занимаемой сигналом, считают равномерной, а корреляционные связи междч значениями шума пренебрежимо малыми.

Рис. 7.2 Функциональная схема обработки телевизионного сигнала

При принятом в вещательном телевидении значении точном согласовании шкалы квантования с размахом сигнала и одинаковых интервалах отношение сигнал-шум равно 58,8 дБ. Его следует рассматривать как предельное значение, полеченное для идеализированных условий при

Рассмотрим обобщенную структурою схему цифровой обработки сигнала (рис 7.2). Аналого-цифровой преобразователь осуществляет дискретизацию входного аналогового сигнала и его квантование. Демультиплексор понижает тактовою частоту выходною кода АЦП за счет чвеличения числа параллельных каналов и согласовывает количество обрабатываемой в единицу времени информации в каналах цифрового процессора с количеством информации, поступающей за это же время с АЦП Цифровой процессор состоит из двух частой. Первая часть, содержащая блок управления и запоминающее устройство осуществляет временное преобразование цифрового сигнала. Вторая часть,

включающая арифметическое устройство (АУ), работающее совместно с запоминающим устройством, предназначена для цифровой фильтрации сигнала. Временное преобразование производится для синхронизации входного сигнала с опорными импульсными сигналами, используемыми в устройстве фильтрации, и при необходимости для устранения временных искажений входного сигнала.

Процедура временного преобразования заключается в записи сигнала в ЗУ в системе временных отсчетов, связанной с входным сигналом, и считывании сигнала в системе временных отсчетов устройства фильтрации. Выполняемая при этом коррекция временных искажений имеет большое значение, так как временные искажения, проявляющиеся в виде неупорядоченного изменения временного масштаба сигнала, разрушают корреляционные связи и во многих случаях исключают возможность обработки сигнала.

Арифметическое устройство по заданной программе осуществляет сдвиг отсчетов сигнала во времени на заданное число интервалов дискретизации и их взвешенное суммирование. ЗУ используется в этом случае для больших временных сдвигов и позволяет в каждый момент времени вовлечь в операции, выполняемые арифметическим устройством, как предыдущие, так к последующие отсчеты сигнала.

Для запоминания информации одного или нескольких кадров изображения применяют динамические интегральные схемы памяти на МДП-структурах, обладающие сравнительно низким быстродействием Поэтому как временной преобразователь, так и устройство цифровой фильтрации являются многоканальными, с пониженной тактовой частотой кода в каждом канале. После обработки цифрового сигнала в многоканальном устройстве исходный код восстанавливается в мультиплексоре (М).

Операции фильтрации, не связанные с большими задержками телевизионного сигнала, могут быть выполнены без понижения тактовой частоты кода. Работающие таким образом цифровые фильтры объединяют цифровой процессор 2, содержащий быстродействующее устройство запоминания небольшой емкости и арифметическое устройство.

Обработанный аналоговый сигнал получают на выходе цифро-аналогового преобразователя АП).