Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
35.Формирование i-го программного потока в цифровой системе ТСЧ для режима 4:2:2.
Для передачи цифровых ТВ сигналов требуются каналы с пропускной способностью примерно от 270 Мбит/с до 3 Гбит/с. Существующие же полосы частот наземных каналов телевидения (6, 7 или 8 МГц) на такие скорости не рассчитаны. Этим и объясняется наличие нескольких форматов цифрового представления компонентных сигналов яркости (СЯ) и цветоразностных сигналов (ЦРС), которое стало только частичным решением данной проблемы. Дополнительно к этому необходимо максимально уменьшить избыточность, путем применения эффективных алгоритмов сжатия MPEG-2/MPEG-4, H.264 AVC.
В передающих камерах формируются три аналоговых сигнала основных цветов U*R, U*G, U*B, которые подвергаются обработке в цветокорректирующей матрице (ЦКМ), по причине того, что спектральные характеристики чувствительности SR(λ), SG(λ), SB(λ) датчиков не соответствуют кривым смешения в системе основных цветов приемника. После ЦКМ формируются сигналы , , . Последние подвергаются гамма-коррекции, а после кодирующей матрицы преобразуются в три сигнала , , . Один из них – сигнал яркости передаёт информацию только о яркости, а два других – ЦРС U'R-Y и U'B-Y – о цветности (цветовом тоне и насыщенности). Каждый из них на выходе кодирующей матрицы занимает полосы частот шириной 0…6 МГц, (в цифровом ТВ ее сокращают до 5,75 МГц).
Системы цифрового ТВ вещания являются компонентными и позволяют, путем временного уплотнения сжатых цифровых СЯ и ЦРС, передавать одновременно несколько цифровых ТВ программ в полосе частот одного ТВ канала, в отличии от аналоговых систем ТВ вещания.
Для цифрового ТВ сигнала в соответствии с международными нормами (Рекомендация МСЭ-Р ВТ.601-7) частота дискретизации принята равной fД = 13,5 МГц (для всех стандартов разложения изображений на 625 и 525 строк), но при этом цветоразностные сигналы (ЦРС) можно дискретизировать с такой же или меньшей частотой. Допустимость ее уменьшения обусловлена свойствами зрительной системы человека, которая имеет разрешающую способность к цветным деталям в 3 – 4 раза меньшую (зависит от цвета), чем к чёрно-белым. Поэтому полосу частот ЦРС можно во столько же раз сократить. В цифровом ТВ, в отличие от аналогового, предусмотрено четыре варианта сокращения полосы частот, занимаемой ЦРС (в NTSC, PAL и SECAM она сокращается до 1,3 МГц, более чем в 4 раза по сравнению с полосой частот СЯ 0..6 МГц для стандартов D/K и L), которые условно обозначают 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, 4:1:1 для ТСЧ.
Поскольку полоса частот ЦРС должна быть в 2 (форматы 4:2:2 и 4:2:0) или 4 (формат 4:1:1) раза меньше полосы частот СЯ, то для унификации оборудования три АЦП работают с одинаковой fД = 13,5 МГц, а далее цифровые ЦРС подвергаются операции прореживания (децимации, т. е. передискретизации с уменьшением числа отсчетов в единицу времени в соответствии с форматом), которая позволяет сократить суммарную скорость потока данных С∑ в 1,5 – 2 раза соответственно по сравнению с форматом 4:4:4.
|
Форматы |
4:4:4 |
4:2:2 |
4:2:0 |
4:1:1 |
|
Полоса частот, занимаемая СЯ ΔFY, МГц |
5,75 |
5,75 |
5,75 |
5,75 |
|
Полоса частот, занимаемая ЦРС ΔFЦРС, МГц |
5,75 |
2,75 |
2,75 |
1,375 |
|
Частота дискретизации яркостного сигнала fД.Y, МГц |
13,5 |
13,5 |
13,5 |
13,5 |
|
Частота дискретизации цветоразностных сигналов fД.ЦРС, МГц |
13,5 |
6,75 |
6,75 |
3,375 |
|
Суммарная скорость потока данных С∑, Мбит/с, m = 10 |
405 |
270 |
202,5 |
202,5 |
Структура расположения отсчётов в пространстве кадра (рис.1) наглядно поясняет принятое обозначение форматов. Максимальную четкость изображения обеспечивает цифровое представление со структурой дискретизации 4:4:4. В этом случае СЯ и ЦРС дискретизируются одинаковым образом, что обеспечивает пол-ное цветовое разрешение системы, как по горизонтали, так и вертикали. В формате 4:2:2 частота дискретизации для цветоразностных компонентов уменьшается в два раза, вследствие чего цветовая четкость в горизонтальном направлении уменьшается также в два раза. В формате 4:2:0 отсчёты ЦРС прорежены в 2 раза не только по горизонтали, но и по вертикали. Этот формат предпочтительнее для систем с 625 строками и полосой частот СЯ 5,0; 5,5 или 6 МГц, а 4:1:1 – для систем с 525 строками и ∆FY = 4,2 МГц. Это объясняется тем, что потеря вертикальной четкости более заметна в ТВ системах с меньшим числом строк, а в системах с большим, более заметна потеря горизонтальной четкости.
Компрессия изображения является вынужденной мерой и аргументируется экономией пропускной способности каналов связи. Использование формата 4:4:4 возможно только в студийных условиях, в вещании он неприменим ввиду высокой скорости суммарного цифрового. Поэтому, цифрового ТВ вещания, как глобальной информационной системы, без компрессии не существовало бы вовсе.
РИС.1 -- Пространственная структура расположения отсчётов – СЯ «» и двух ЦРС «»
32. Основные преобразования сигналов , и для формирования трех компонентных сигналов: яркости и двух нормированных ЦРС и , пригодных для подачи на три ФНЧ, а затем на три АЦП.
Сигналы с выходов предварительных усилителей передающей камеры (ПК) проходят цветокорректирующую матрицу (ЦКМ), на выходе которой образуются сигналы, почти соответствующие основным цветам приемника. Поскольку приемные трубки имеют нелинейные модуляционные характеристики, то сигналы основных цветов на передающей стороне подвергают предварительной гамма-коррекции с показателем степени,
обратным показателю нелинейности кинескопов. В результате образуются гамма-корректированные сигналы основных цветов ,,.
При гамма-коррекции нелинейности передающих трубок и канала передачи предусматриваются такими, чтобы амплитудная характеристика всего тракта от «света до света» была линейной. Сигнал яркости (СЯ) и сигнал цветности (СЦ) формируются в кодирующем устройстве (КУ).
Расчет спектральных характеристик передающих камер ЦТВ производится исходя из реального треугольника основных цветов приемника типа ЕС при опорном белом цвете D 6500 К. В этом случае доля каждого из сигналов ,, в сигнале яркости:
В трехтрубочной передающей камере цветного телевидения формируются три первичных сигнала изображения, ЕR, ЕG, ЕB соответствующих красным, зеленым и синим составляющим цвета передаваемого объекта.
Первичные сигналы изображения широкополосные, однако, ни один из них не может быть использован в качестве сигнала черно-белого телевидения, так как не содержит полной информации о яркости объекта. Поэтому в системе цветного телевидения из трех первичных сигналов формируется четвертый - сигнал яркости ЕY, для чего первичные сигналы сначала балансируются, а затем матрицируются.
Балансировка состоит в уравнивании по размаху сигналов ЕR, ЕG и ЕB соответствующих передаче белого (серого) поля.
Матрицирование - это сложение сигналов в определенной пропорции. Матрицирование сбалансированных сигналов ЕR,ЕG и ЕB при формировании сигнала ЕY производится с учетом спектральной чувствительности зрения: ЕY = 0,30ER+ 0,59 ЕG + 0,11ЕB, где ЕR = ЕG = ЕB. Этот сигнал передается непрерывно на каждой строке развертки в полной полосе частот 6 МГц и позволяет воспроизводить нормальное черно-белое изображение на экранах черно-белых и цветных телевизоров.
поднесущая цветности присутствует в полном цветовом сигнале ВСЕГДА, ее частота меняется от строки к строке, зависит от цвета фрагмента изображения и от изменения цвета фрагмента вдоль ТВ строки, а амплитуда зависит от частоты (в конечном итоге опять же от характера окраски ТВ строки ). Согласно ГОСТ для поднесущей цветности предусмотрен диапазон частот от 3900KHz до 4756KHz.
31. Параметры цифрового представления сигналов ТВЧ.
Внушительный объем данных, полученных в результате многолетнего исследования, показал, что средний зритель (в частности, в США) смотрит телевизор с расстояния, примерно равного семикратной высоте изображения, т.е. при 27-дюймовом экране это расстояние составляет около 10 футов (3 м). При таком расстоянии в системе NTSC с параметрами разложения изображения 525/60/2:1/4:3 практически не заметна строчная структура растра и разрешение по яркости при крупном плане является вполне достаточным.
Приспосабливаясь к техническим недостаткам систем ТСЧ, оператор передает изображение, отвечающее возможностям NTSC, PAL и SECAM. Однако здесь есть и свои минусы, как показывает рисунок 7.1. У среднего зрителя очень узкий угол обзора – около 10 градусов, Усилиями оператора на расстоянии 3 м видео изображение воспринимается "чистым" и адекватным по разрешению. Но тогда картинка становится небольшим "окошком". Между тем "приемлемое" в ТСЧ изображение существенно уступает широкоформатному (широкоэкранному) кино по воздействию на зрителя.
Поскольку ТВЧ предназначено для домашнего использования, оно ориентировано на жилые помещения. Если зрители привыкли смотреть телевизор с расстояния в среднем 3 м, то минимальный размер изображения на экране ТВЧ со средней четкостью, позволяющей при просмотре получить совершенно новое зрительное впечатление, должен составлять 75 дюймов по диагонали. Это значительно больше, чем у нынешних "больших" 27-дюймовых телевизоров NTSC (и PAL/ SECAM). В действительности, как показано на рисунок 7.2, угол обзора составляет около 30 градусов при расстоянии между зрителем и экраном, равным трехкратной высоте изображения. Сравните эти цифры с углом обзора 10 градусов для традиционных систем (рисунок 7.1).
Угол обзора, очевидный из этих рисунков, является весьма важным параметром, хотя и находящимся на уровне подсознания. Поскольку обычное поле зрение человека составляет не 10 градусов, а скорее 30 и даже больше с учетом периферического зрения, то взаимосвязь размера изображения и разрешения определяет возможность получения "новых зрительных впечатлений". Недостаточно просто увеличить размер изображения, чтобы улучшить зрительное восприятие. К сожалению, эта основополагающая предпосылка во многих исследованиях игнорировалась. Более крупное изображение в системах ТВЧ без искажений обеспечивает новое воспроизведение образа, обусловленное увеличенным размером экрана. Необходимо помнить, что пока оператор работает с системой развертки на 525 (или 625) строк, конечное изображение (с точки зрения разрешения) в традиционных системах вполне удовлетворительно. Однако при съемке камерой ТВЧ на 1080 строк и камерой ТСЧ одного и того же кадра (например, футбольного игрока крупным планом) с одним и тем же углом поля зрения объектива и тем же разрешением (в центре изображения), два изображения будут существенно различаться: более крупное изображение ТВЧ содержит гораздо больше информации, что и проиллюстрировано на рисунке 7.1. Изображение ТВЧ показывает больший участок поля – больше игроков и действия в целом. Изображение ТВЧ радикально отличается от изображения ТСЧ. Изображения отдельных игроков передаются на сетчатку глаза с таким же разрешением – на том же относительном расстоянии просмотра – но создают у зрителя принципиально различное впечатление. Изображения ТВЧ гораздо более реалистичны.
Драматическое воздействие ТВЧ на зрителя можно осознать только при наличии двух ключевых условий: размер изображения должен быть не меньше 75 дюймов по диагонали, а содержание изображения должно использовать все преимущества съемки новой камерой в области более широких и естественных для глаз углов поля зрения.
Принятые при производстве программ процедуры предполагают формат кадра 4:3 как для видеопродукции, так и для кинофильмов, предназначенных для просмотра на видео. Такой формат был принят также и для компьютерных систем.
При постановке фильмов, предназначенных для показа в кинотеатрах, обычно не предполагаются ограничения, связанные с традиционными видеодисплеями. Наоборот, для создания максимального драматического и сенсорного эффекта используется полный экран с широким форматом. Следовательно, приходится прибегать к кадрированию изображения по боковым сторонам чаще, чем хотелось бы. Эта проблема особенно остро проявляется при необходимости копировать широкоэкранный фильм для видеопоказа.Одной из причин перехода на формат 16:9 было стремление воспользоваться привычкой зрителей к такому формату кадра, обычно используемому в кинофильмах. В действительности кинофильмы выпускаются в нескольких форматах, включая 4:3 (1.33); 2.35, используемый для 35-мм фильмов; и 2.2 для 70-миллиметрового формата (рисунок 7.3).
Одновременная передача программ вещательного телевидения по системам HDTV и SDTV ведет к интенсивному обмену материалом между аналоговой системой ТСЧ (с форматом 4:3) и цифровым телевидением (DTV), в том числе и ТВЧ (с форматом 16:9). Для развивающихся цифровых каналов DTV будет от крыт регулярный доступ к архивному материалу 4:3. При этом, новый материал, специально предназначенный для широкого экрана канала DTV, также может использоваться в аналоговом канале ТСЧ; транслирование широкоэкранных фильмов сможет иногда проводиться по обоим каналам, и т.д Нет ничего хорошего в двустороннем обмене материалами программы с переходом от одного формата к другому. В принципе, можно получить прекрасное (или, по крайней мере, удовлетворительное) изображение формата 4:3 из оригинала формата 16:9, но никогда не удастся получить удовлетворительное изображение формата 16:9 из формата 4:3.
34. Объясните механизм повышения С/ на выходе ФНЧ, установленного после ЦАП, за счет увеличения в несколько раз частоты дискретизации по сравнению с теоремой отсчетов (Котельникова - Найквиста)
Устройства преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно называются аналого-цифровыми (АЦП) и цифроаналоговыми (ЦАП) преобразователями. Ди с к р е ти з а ц и я – представление непрерывного по времени аналогового сигнала дискретным. Осуществляется на основе теоремы Котельникова - Найквиста: непрерывный по времени сигнал с ограниченным высшей частотой FB спектром (полоса 0…FB) может быть представлен последовательностью импульсных отсчётов (выборок), величина которых равна или пропорциональна мгновенным значениям сигнала в соответствующие моменты времени, причём частота дискретизации (отсчётов) fД должна удовлетворять требованию
Следовательно, на входе АЦП должен быть установлен ФНЧ с частотой
среза fср, равной FВ . Технически дискретизация реализуется с помощью ампли-
тудно-импульсного модулятора, на один вход которого подаётся аналоговый
сигнал (рисунок 6.1, а), а на второй – импульсы дискретизации (рисунок 6.1, б) с
периодом ТД длительностью τ. В дискретизаторе эти импульсы подвергаются ам-
плитудно-импульсной модуляции (АИМ), т. е. они выполняют роль несущего
(сложного) колебания в отличие от синусоидальной несущей при амплитудной
модуляции. Математически дискретизация есть умножение аналогового сигнала
на последовательность импульсов, результатом чего является выходной АИМ
сигнал (рисунок 6.1, в), т. е. промодулированные по амплитуде импульсы. Теоре-
тически длительность τ должна быть бесконечно малой, а площадь импульса
равняться единице (так называемый дельта-импульс), на практике импульсы
дискретизации берутся конечными по длительности.
Таким образом, дискретизатор математически является перемножителем
двух сигналов, а технически реализуется в виде аналогового ключа или ампли-
тудно-импульсного модулятора. Амплитуда отсчётов (рис. 6.1,в) должна быть
пропорциональной аналоговому сигналу в моменты дискретизации t1, t2, ..., t7
(амплитудно-импульсная модуляция второго рода – АИМ-2).
В соответствии с приведённой выше теоремой по полученным дискретным
отсчётам полностью восстанавливается аналоговый сигнал. Это можно показать204
при спектральном представлении сигналов. Если аналоговый сигнал имеет
спектр, приведенный на рисунке 6.1, е, то спектр амплитуд периодической (ТД)
импульсной последовательности содержит постоянную составляющую и сину-
соидальные гармонические составляющие, следующие с частотой fД=1/ТД,
2fД=2/ТД и т. д. Спектр АИМ-сигнала (рисунок 6.1, з) в общем виде содержит
спектр исходного аналогового сигнала в полосе 0…FB, убывающие по амплитуде
гармоники частоты дискретизации fД, 2fД и т. д., промодулированные по ампли-
туде аналоговым сигналом, т. е. боковые полосы fД ...(fД ± FB) , 2fД ...(2fД ± FB)
и т. д.
При амплитудной модуляции спектр содержал бы только несущую с часто-
той fД и две боковые полосы fД…(fД ± FB). Из рисунка 6.1, з следует, что чем боль-
ше fД по сравнению с 2FB, тем дальше разнесены по спектру частоты FВ и fД – FВ
(между ними образуется частотный промежуток Δf) и тем легче выделить (от-
фильтровать) с помощью ФНЧ полезный сигнал при обратном преобразовании
цифрового сигнала в аналоговый на приёмной стороне. Крутой склон амплитуд-
но-частотной характеристики Кфнч(f) реализовать сложнее, к тому же чем резче
спадает АЧХ фильтра, тем более нелинейной становится его ФЧХ и поэтому ис-
кажается форма полезного сигнала, что недопустимо в телевидении.
Необходимо отметить, что в спектре дискретизированного сигнала гармо-
ники частоты fД будут присутствовать только в случае наличия постоянной со-
ставляющей в аналогом сигнале. Если она отсутствует, то останутся боковые по-
лосы, а частот fД, 2fД , 3fД и т.д. не будет.
При нарушении условия (6.1) спектры дискретизированного сигнала пере-
крываются (рисунок 6.1, к) и безыскажённое восстановление аналогового сигна-
ла невозможно. Этот вывод правилен только для дискетизируемых (т.е. аналого-
вых) сигналов со сплошным спектром, например, звуковых. ТВ сигнал, как из-
вестно, имеет дискретный спектр. Поэтому при fД < 2FB и выполнении условий:
Конечное число уровней квантования М и, соответственно, разрядности
кода m является причиной появления ш у м о в к в а н т о в а н и я. При равно-
мерной шкале квантования и равновероятных значениях уровней сигнала отно-
шение (в дБ) мощности сигнала РС к мощности шума квантования РШ.КВ. опреде-
ляется выражением:
РС /РШ.КВ. = 6,02m – 20 1g K+ 4,8 дБ,
где К – пик-фактор сигнала, равный отношению амплитудного значения сигнала
к эффективному.
Его численное значение зависит от вида передаваемого сообщения: для си-
нусоидального сигнала К= √2 (3 дБ); для многоканального телефонного – 4
(12 дБ); для речевого – 5 (14 дБ). Для звукового вещания К зависит от жанра про-
граммы, его среднее значение 4,5 (13 дБ). Поэтому для вещательного сигнала
Рс/РШ.КВ. = 6,02m – 8,2, дБ. (6.5)