Цифровое кодирование телевизионных сигналов (стр. 4 )

- построении преобразователя кода на выходе АЦП [2.5];

- расслоении полутонового изображения по битовым плоскостям с последующей компрессией совокупности двухуровневых изображений [2.6];

- оптимизации процесса отображения точек сигнального созвездия при модуляции QPSK или M-QAM [2.4].

Таблица 2.4

Примеры некоторых двоичных кодов

Десятичное число	Натуральный двоичный код	Симметричный двоичный код	Код Грея
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1	0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1	0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0

Натуральный двоичный код легко декодируется. Симметричный двоичный код удобно использовать при кодировании биполярных сигналов, когда старший бит (СБ) кодового слова определяет полярность сигнала относительного некоторого среднего уровня, а остальные биты – модуль отклонения от этого уровня. Достоинство кода Грея: при кодировании соседних уровней квантования изменяется содержимое только в одном бите. Это свойство обеспечивает кодам Грея ряд преимуществ перед другими кодами при:

- построении преобразователя кода на выходе АЦП [2.5];

- расслоении полутонового изображения по битовым плоскостям с последующей компрессией совокупности двухуровневых изображений [2.6];

- оптимизации процесса отображения точек сигнального созвездия при модуляции QPSK или M-QAM [2.4].

Кодирование и декодирование десятичных чисел кодами Грея выполняется в два этапа с использованием на промежуточном этапе натурального двоичного кода. Преобразование n-разрядного двоичного кода bnbn-1…b1 в код Грея gngn-1…g1 производится по формулам:

, (2.19)

где индекс n относится к старшему разряду кода, а знак соответствует операции сложения по модулю 2:

(2.20)

Схема, реализующая процедуру (2.19) для 4-разрядного кода, приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Преобразователь двоичного кода в код Грея

Обратное преобразование кода Грея в натуральный двоичный код осуществляется по схеме, приведённой на рис. 2.10. Преобразование выполняется в соответствии с выражениями

(2.21)

Рис. 2.10. Преобразователь код Грея – натуральный двоичный код

Для удобства представления многоразрядных двоичных чисел иногда используются шестнадцатеричные коды [2.7]. Алфавит кода содержит 16 символов, которые представлены в табл. 2.5. Для указания типа используемого кода (системы счисления) шестнадцатеричное число снабжается индексом, например 3316 или 33hex или 33HEX (от слова hexadecimal). Пользуясь табл. 2.5 легко перейти от двоичного числа к 16-ричному и наоборот. Например:

10100100 → A4 HEX;

8D HEX → 10001101.

Таблица 2.5

16-ричный код.

16-ричное число	Двоичное число	Десятичное число
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F	0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

2.2.4. Форматы цифрового представления телевизионных сигналов

Цифровое представление компонентного телевизионного сигнала производится в соответствии с Рекомендацией ITU-T BT.601-5. Аналого-цифровому преобразованию подвергается триада сигналов: яркостью Y и двух цветоразностных CR и CB, для вычисления которых используются соотношения:

(2.22)

Частота дискретизации яркостного сигнала Y принимается равной 13,5 МГц, что соответствует 864 гармонике строчной частоты в стандарте телевизионного разложения 625/50. Для уменьшения визуальной избыточности цифрового изображения и сокращения объёма цифровых данных, частота дискретизации для цветоразностных сигналов CR и CB выбрана равной 6,75 МГц, т. е. вдвое ниже. Кратность частот дискретизации частоте строк обеспечивает неподвижную ортогональную структуру отсчётов по полю изображения [2.8], как показано на рис. 2.11. Данный формат дискретизации обозначается как 4:2:2 (на каждые 4 отсчёта сигнала Y приходится по 2 отсчёта сигналов CR и CB). Используется 10-битовое кодирование сигналов яркости и цветности.

Рис. 2.11. Структура отсчётов в формате 4:2:2

Формат 4:2:2 совместим с двумя мировыми стандартами разложения 625/50 и 525/60 и фактически является единым мировым стандартом цифрового кодирования компонентного видеосигнала для ТВ систем стандартной чёткости, содержащих в активной части строки 720 отсчётов сигнала Y и по 360 отсчётов сигналов CR и CB. Формат широко используется для передачи некомпрессированных данных с помощью параллельного цифрового интерфейса SMPTE-125M или последовательного цифрового интерфейса SDI (Serial Digital Interface), оговоренного стандартом SMPTE-259M.

Используются также и другие форматы. Например, форматы 4:4:4 или 4:4:4:4, используемые для студийной обработки видеоданных; экономичные форматы стандартного разрешения 4:1:1 или 4:2:0, а также форматы с пониженным разрешением 3:1:1 или CIF (Common Interchange Format) и некоторые другие. Как видно из рис. 2.12, отсчёты сигналов CR и CB прорежены вдвое не только в горизонтальном, но и вертикальном направлении, что позволило в формате 4:2:0 уменьшить на 25% объём данных по сравнению с форматом 4:2:2. Стандарт сжатия MPEG-2, как правило, использует сигнал формата 4:2:0 в качестве входного.

Рис. 2.12. Структура отсчётов в формате 4:2:0

Таблица 2.6

Параметры цифрового представления компонентного ТВ сигнала.

Параметр	Стандарт разложения
625/50	525/60
Формат	Формат
4:2:2	4:2:0	4:2:2	4:2:0
Число отсчётов сигнала Y	720x576	720x576	720x480	720x480
Число отсчётов сигнала CR	360x576	360x288	360x480	360x240
Число отсчётов сигнала CB	360x576	360x288	360x480	360x240
С (Мбит/с) при n = 10	270	202,5	270	202,5

В табл. 2.6 приведены характеристики цифрового компонентного сигнала в основных форматах.

Для цифрового представления сигналов звукового сопровождения используется стандарт AES/EBU, сведения о котором приведены на рис.2.13.

Рис.2.13. Цифровой аудиоформат AES/EBU

Форма представления кодовых слов – последовательная. Стандарт поддерживает 2 звуковых сигнала (2 моно или 1 стерео канал), из отсчётов которых формируется кадр. 192 последовательных кадра объединяется в блок данных.

Стандарт AES/EBU допускает ряд частот дискретизации. Наиболее удобной для телевидения является частота 48 кГц, при которой длительность блока составляет 4 мс. При этом устанавливается простое соотношение между частотой дискретизации звука и частотой видеокадров, что упрощает синхронизацию и передачу цифровых сигналов видео и звука по одной линии связи. Скорость передачи звуковых данных при частоте дискретизации 48 кГц составляет 3,072 Мбит/с.

2.3. Коды для сжатия (компрессии) цифровых аудио - и видеоданных

2.3.1. Определения

Переход к цифровому представлению телевизионных сигналов может привести к неустранимым информационным потерям, снижающим качество телевизионного изображения, например, из-за низкого значения частоты дискретизации fд и малого числа уровней квантования m. Низкое качество изображения можно трактовать как следствие низкой скорости формирования (передачи) цифровых данных об изображении