Квантование сигнала по уровню заключается в нахождении для каждого отсчета сигнала ближайшего к нему уровня квантования из используемого набора уровней квантования или, говоря проще, округлении значений отсчетов сигнала до ближайших уровней квантования. Количество уровней квантования N связано с числом двоичных разрядов АЦП n соотношением NКВ = 2n .
Рассмотрим пример квантования сигнала. На рис. 1.1,а показан дискретный сигнал, содержащий 256 отсчетов (отдельные отсчеты в этом масштабе не различимы), значения уровня сигнала измеряются в вольтах и изменяются непрерывно, т.е. квантования нет. На рис. 1.1,б показан тот же сигнал после квантования с числом двоичных разрядов n = 4, т.е. имеющий 16 уровней квантования. На рис. 5.1,в показаны значения величины ошибки Δu, вносимой в сигнал операцией квантования. При этом предполагается, что квантование осуществляется путем усечения значения сигнала до ближайшего снизу уровня квантования. Величина ошибки квантования Δu изменяется в пределах от 0 до h.
Ошибка квантования является случайной величиной, поэтому ее часто называют шумом квантования. На изображении шум квантования может проявляться различным образом в зависимости от характера изменений яркости или цвета на данном участке изображения.
На участках, состоящих из мелких деталей, квантование приведет к случайным изменениям их яркости или цвета. На участках изображения с плавным изменением уровня видеосигнала квантование может привести к возникновению ложных контуров по тем линиям, на которых уровень видеосигнала переходит с одного уровня квантования на другой. Равномерное квантование телевизионного сигнала, вообще говоря, не является наилучшим. Это обусловлено в первую очередь свойствами зрительного аппарата человека. В соответствии с экспериментальным законом Вебера-Фехнера пороговое превышение яркости объекта над фоном, при котором объект различается наблюдателем, равно 1,5…2,0% от величины яркости фона В0. Таким образом, с ростом яркости фона растет и порог ΔВПОР. Отсюда следует, что в области значений телевизионного сигнала, близких к уровню черного, шаг квантования должен быть меньше, чем в области, близкой к уровню белого.
Рисунок 5.1 Сигнал до квантования (а), сигнал после квантования (б), ошибка квантования (в)
Однако техническая реализация неравномерного квантования существенно сложнее, чем равномерного. Вместо использования переменного шага квантования обычно выполняют предварительное нелинейное преобразование видеосигнала - гамма-коррекцию. При этом решается одновременно две задачи. Во-первых, корректируется нелинейность передаточной характеристики кинескопа и обеспечивается оптимальная форма передаточной характеристики всего тракта телевизионной системы «от света до света». Во-вторых, уменьшается влияние ошибок квантования при малых уровнях яркости изображения.
где UВХ и UВЫХ – напряжения сигналов на входе и на выходе гамма-корректора; UВХ М и UВЫХ М – максимальные значения диапазонов напряжений сигналов на входе и выходе гамма-корректора; γ = 0,42…0,48 – показатель гамма-коррекции. График передаточной характеристики гамма-корректора для случая γ = 0,45 приведен на рис. 1.2.
В системах цифрового телевидения, как правило, применяется равномерное квантование прошедших гамма-коррекцию сигналов с числом двоичных разрядов АЦП n = 8, что дает количество уровней квантования NКВ = 256. При этих условиях шум квантования на изображении практически незаметен. В последние годы все чаще применяется квантование с числом двоичных разрядов n = 10, что позволяет еще улучшить качество изображения.
Рисунок 1.2 Передаточная функция гамма-корректора
Произведя «нумерацию» уровней квантования, можно передавать не сами уровни, а их значения по шкале уровней в двоичном коде. Полученная в результате этого преобразования импульсная последовательность является групповым ИКМ сигналом.
На выходе АЦП полученный номер уровня квантования представляется в виде двоичного числа, т.е. выполняется кодирование (оцифровка). При числе разрядов АЦП, равном 8, значения цифрового сигнала представляются числа ми от 00000000 до 11111111 в порядке нарастания их величины.
Число уровней квантования в цифровом сигнале может изменяться. Пусть, например, цифровой сигнал имел число двоичных разрядов n = 8, а в результате повторного квантования этого сигнала число разрядов уменьшается до n = 4. При выполнении этой операции сначала производится округление каждого 8-разрядного числа до ближайшего 8-разрядного числа, у которого 4 младших разряда равны 0. Так, число 10101010 округляется до 10110000, а число 11010011 - до числа 11010000. Затем 4 младших разряда отбрасываются, и остаются числа 1011 и 1101, соответственно.
Обратную операцию, при которой число двоичных разрядов в цифровом сигнале увеличивается, будем называть деквантованием. Самый простой вариант выполнения деквантования - добавить справа к каждому числу, входящему в цифровой сигнал, нужное количество нулей. Тогда числа из приведенного выше примера превратятся снова в 10110000 и 11010000, но точные значения их младших разрядов, потерянные при повторном квантовании, восстановить нельзя. Поэтому следует запомнить, что квантование вносит необратимые искажения в сигнал. Отметим также, что в последующем изложении повторное квантование, как правило, будет называться просто квантованием.
В Рекомендации 601 для всех сигналов предусмотрено число разрядов квантования n = 8, что дает число уровней квантования Nкв = 256. При этом уровню черного сигнала яркости соответствует 16-й уровень квантования, а номинальному уровню белого - 235-й уровень квантования. 16 уровней квантования снизу и 20 уровней квантования сверху образуют резервные зоны на случай выхода значений аналогового сигнала яркости за пределы номинального диапазона. Особые назначения имеют 0-й и 255-й уровни квантования. С помощью соответствующих им кодов передаются сигналы синхронизации. Аналого-цифровое преобразование сигнала яркости описывается соотношением
Y = Round (219 E’Y) + 16,
где Е’Y - аналоговый сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 0 до 1 В (штрих, как это принято в технической литературе по телевидению, означает, что сигнал прошел гамма-коррекцию); Y - цифровой сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 16 до 235; Round(X) - операция округления числа X до целого.
При квантовании цветоразностных сигналов также предусматриваются резервные зоны - по 16 уровней квантования сверху и снизу. На АЦП поступают не сами цветоразностные сигналы E’R-Y, E’B-Y, а компрессированные цветоразностные сигналы, формируемые в соответствии с соотношениями:
ЕCR = 0,713Е’R-Y, ЕCB = 0,564Е’B-Y
причем значения сигналов ЕCR и ЕCB изменяются в диапазоне от -0,5 В до 0,5 В.
Аналого-цифровые преобразования цветоразностных сигналов, в результате которых получаются цифровые цветоразностные сигналы CR и CB, выполняются в соответствии со следующими соотношениями:
CR = Round (224 Е’CR) + 128,
CB = Round (224 Е’CB) + 128.
Т.к. цветоразностные сигналы являются двуполярными, и максимальные отклонения от нулевого значения в положительную и отрицательную стороны примерно одинаковы, 128-й уровень квантования должен соответствовать нулевому значению этих сигналов. Старший бит в цифровом цветоразностном сигнале показывает полярность аналогового цветоразностного сигнала.
На рис. 1.3 показано соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования для обычного тестового изображения в виде восьми цветных полос.
Рисунок 1.3 Соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования по Рекомендации ITU-R ВТ 601
В состав цифрового телевизионного сигнала согласно Рекомендации ITU-R ВТ 601 входят синхросигналы. Перед началом активного участка каждой строки в конце строчного гасящего импульса передается синхросигнал «Начало активной строки - НАС» (SAV), а после окончания активного участка каждой строки в начале строчного гасящего импульса передается синхросигнал «Конец активной строки - КАС» (EAV) (рис. 1.3). Каждый из сигналов содержит 4 символа, в том числе один символ единиц, два символа нулей (уровни квантования соответственно 1024 и 0, не используемые для видеоданных) и информационный символ, указывающий на тип сигнала и перемежение. Распознавание синхросигналов производится по 8 старшим битам. При выбранной частоте дискретизации 13,5 МГц и стандарте разложения 625 строк на периоде строки укладываются 864 периода, из которых для передачи полезных данных используются только 720, называемые активной частью строки. Начало цифровой строки совпадает с серединой переднего фронта строчного синхроимпульса. Чтобы передать 720 отсчетов сигнала яркости и по 360 отсчетов сигналов СR и СB, тактовая частота выбирается равной 27 МГц (для формата сигнала 16:9 частота дискретизации 18 МГц и тактовая частота 36 МГц). В стандарте 525 строк число циклов несколько меньше, но активная часть строки содержит те же 720 периодов, и формат передачи данных одинаков.
Рисунок 1.4 Структура цифровой строки стандарта 625/50/2:1
