При обработке и передаче видеосигнала в цифровом виде требуется его перевод в цифровую форму.
Сначала цифровой видеосигнал использовался для передачи телевизионного изображения стандартного разрешения. С таким разрешением работает и аналоговый видеосигнал. Поэтому цифровой видеосигнал на первых порах рассматривался как цифровой эквивалент стандартного аналогового видеосигнала. Фактически необходимо было иметь возможность производить аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование стандартного видеосигнала таким образом, чтобы при преобразовании не было потерь качества телевизионного изображения. С этой целью был разработан стандарт цифрового видеосигнала стандартного разрешения ITU-R BT.601 (он же CCIR-601), а немного позже вышла его обновленная версия ITU-R BT.656 (он же CCIR-656). На этом стандарте остановимся подробнее.
Основными параметрами цифрового сигнала являются частота дискретизации и число уровней квантования по амплитуде. Последний параметр тесно связан с разрядностью используемых АЦП и ЦАП.
В соответствии с вышеуказанным стандартом частота дискретизация выбрана как удвоенная максимальная частота в спектре аналогового видеосигнала (6,5 МГц) с небольшим запасом. В итоге частота дискретизации получилась равной 13,5 МГц.
Рисунок 2.8. Процесс оцифровки видеосигнала в пределах одной строки.
Для частоты 13,5 МГц получилось, что общее число цифровых отсчетов за время одной строки (64 мкс) составляет 864. Из них 144 отсчета соответствуют положению гасящего строчного импульса и не несут информации о яркости. На активную часть строки приходится 720 отсчетов. Поэтому стандартный формат кадра составляет 720х576 пикселов.
Выбор числа уровней квантования определяется следующими факторами. Необходимо, чтобы при оцифровке и последующем восстановлении аналогового видеосигнала не возникло бы яркостных искажений в изображении. Наиболее отчетливо они видны в сценах с протяженными поверхностями, на которых яркость плавно изменяется. Кроме того, необходимо учитывать отношение сигнал/шум в видеосигнале. Для большинства применений отношение сигнал/шум не превышает 42-46 дБ. Поэтому для передачи оцифрованного видеосигнала в большинстве случаев достаточно около 200-250 уровней квантования. Это число хорошо согласуется с 8-разрядным АЦП и ЦАП. Кроме того, 8 разрядов хорошо согласуется с байтовой архитектурой большинства системных шин, разрядностью процессоров и памяти. Это значение разрядности и принято в данном стандарте как базовое. Стандарт предусматривает также расширение разрядности до 10 бит, что дает возможность повысить число уровней квантования в четыре раза.
При реализации стандарта использовалось следующее представление сигнала яркости и сигналов цветности.
Рисунок 2. 9. Уровни сигналов яркости и цветности.
Сигналы несколько ограничиваются с обеих сторон (16 отсчетов сверху и 16 отсчетов снизу). Это связано с наличие дополнительных сигналов, которые будут описаны ниже. Кроме того, сигналы цветности используются таким образом, что их средние значения соответствую отсутствию цветовых составляющих.
Передача видеосигнала предусмотрена как в параллельном, так и в последовательном виде. Как правило, используется передача в параллельном виде с использованием 8-разрядной шины данных.
Так как для передачи цветного видеосигнала требуется передавать не только сигнал яркости, но и сигнал цветности, то предусмотрена их передача в общем потоке с сигналом яркости. При этом реализуется схема 4:2:2. То есть, на каждые четыре отсчета сигнала яркости приходится по два отсчета каждого из сигналов цветности. Таким образом, для передачи цветного видеосигнала требуется 16-разрядная шина данных, по которой передаются сигналы с частотой 13,5 МГц или 8-разрядная шина данных с частотой передачи 27 МГц. Обычно предпочитают последний вариант.
Формат данных для передачи видеосигнала 625 строк 50 Гц представлен на рис. 2.10 .
Рисунок 2.10. Формат данных для передачи видеосигнала 625 строк 50 Гц
Правая часть потока соответствует строчному гасящему импульсу, а правая часть – активному сигналу строки. Как видно из структуры цифрового потока отсчеты сигнала яркости (Y) чередуются с отсчетами сигналов цветности (CR) и (CB). Для передачи полного цветного видеосигнала в пределах периода одной активной строки требуется удвоенное число отсчетов, т.е. 1440.
Цифровая информация, соответствующая положению строчного гасящего импульса может использоваться для передачи дополнительной и служебной информации. Вместе с тем, она используется и для синхронизации цифрового видеосигнала.
Цифровой сигнал строчного гасящего импульса всегда начинается служебной последовательностью EAV (end of active video) и заканчивается другой служебной последовательностью SAV (start of active video). Имеющиеся между ними 280 байт могут использоваться для передачи дополнительной информации.
SAV и EAV состоят из четырех байт. Первые три из них: FF 00 00 – всегда одинаковы. Четвертый байт содержит в себе информацию о типе сигнала (начало или конец строки, поле 1 или 2, кадровый или строчный синхроимпульс).
При передаче цифровой информации, соответствующей кадровому гасящему синхроимпульсу, оказывается свободной и часть сигнала, соответствующая активной части строки. Поэтому в пределах кадрового гасящего синхроимпульса можно передавать только дополнительную информацию, чередующуюся служебными последовательностями SAV и EAV.
Таким образом, наличие служебных последовательностей SAV и EAV позволяют осуществить внутреннюю синхронизацию цифрового видеосигнала без использования дополнительных сигналов строчной, кадровой синхронизации и импульсов полей. Вся необходимая информация содержится в этих служебных последовательностях. Для работы с ними необходим только простой аппаратный декодер сигналов SAV и EAV, который по наличию последовательности FF 00 00 отыскивает служебные сигналы, а дешифрируя следующий за этой последовательностью байт определяет тип следующего за ним сигнала.
Следует отметить, что объем данных, который можно передать в качестве дополнительной информации в участках гасящих импульсов довольно большой. В частности, этот объем позволяет передавать высококачественное звуковое сопровождение без сжатия с параметрами оцифровки (5 каналов, 16 бит, 48 КГц).
Стандарт предусматривает некоторые расширения, связанные с улучшением качества изображения и удобством преобразования цифрового сигнала.
Так, стремление использовать квадратные пикселы привело к тому, что потребовалось ввести коррекцию на частоту дискретизации для разных цветовых стандартов. Например, для стандарта 625 строк 50 Гц потребовалось увеличение частоты с 27 до 29,5 МГц. В связи с этим формат кадра увеличился до 768х576 пикселов. При этом число байт, соответствующее активной части строки увеличилось до 1536, а область между сигналами EAV и SAV увеличилась до 344 байт.
Рисунок 2.11. Оцифровка видеосигнала при использовании квадратных пикселов.
Таким образом, цифровой сигнал стандарта ITU-R BT.656 является универсальным средством передачи видеосигнала в цифровой форме, который не требует дополнительных синхросигналов за исключением тактовых импульсов.
