Источником телевизионного сигнала является передающая камера или видеомагнитофон. В цифровой телевизионной системе (рис. 7.1) используется компонентное кодирование, при котором отдельно преобразуются в цифровую форму яркостные и цветоразностные сигналы.
Рис.7.1. Структурная схема цифровой телевизионной системы
После преобразования в цифровую форму эти сигналы поступают на кодер изображения, в котором скорость передачи двоичных символов уменьшается во много раз, благодаря последовательному применению нескольких методов эффективного кодирования.
В телевизионной системе обязательно должен передаваться сигнал звука. Он также преобразуется в цифровую форму и кодируется в соответствующем кодере. Метод кодирования звука будет кратко описан несколько позже. Кодированные сигналы звука и изображения объединяются в общий поток данных в мультиплексоре. Далее цифровой сигнал поступает на блок канального кодирования и модуляции. Здесь осуществляются помехоустойчивое кодирование сигнала и модуляция несущей. Сведения об этих операциях были изложены ранее.
Сигнал цифровой телевизионной системы на несущей частоте передается по каналу связи и поступает в приемник. Здесь производится демодуляция несущей и декодирование помехоустойчивого кода. Затем из общего потока данных выделяются цифровые сигналы изображения и звука, поступающие на соответствующие декодеры. На выходе декодера изображения получаются яркостный и цветоразностные сигналы. После преобразования в аналоговую форму эти сигналы поступают на монитор, на котором воспроизводится цветное телевизионное изображение. Декодированный сигнал звука также преобразуется в аналоговую форму и поступает на усилитель низкой частоты монитора.
Так как параметры радиочастотного канала связи в цифровой телевизионной системе остаются такими же, как в стандартных аналоговых телевизионных системах, высокочастотная часть телевизионного приемника, включающая селектор каналов и усилитель промежуточной частоты изображения, в принципе остается такой же, как в обычных современных телевизорах.
Наиболее важная и специфическая часть цифровой телевизионной системы – это кодер и декодер изображения. Отдельные методы эффективного кодирования видеосигнала были рассмотрены в разделах 5 и 6. Совокупность этих методов, обеспечивающая необходимую степень сжатия потока информации, определяется стандартом MPEG–2. Следует отметить, что этот стандарт определяет только наиболее важные принципы построения системы, оставляя простор для выбора ряда ее параметров. Рассмотрим структурную схему кодера изображения по стандарту MPEG–2 (рис. 7.2).
Рис.7.2. Структурная схема кодера изображения
Как уже говорилось выше, в цифровой телевизионной системе используется два основных метода кодирования: внутрикадровое кодирование, основанное на использовании дискретного косинусного преобразования в блоках изображения размером 8x8 элементов с последующим квантованием коэффициентов этого преобразования, и межкадровое кодирование с предсказанием и компенсацией движения.
Часть кадров должна обязательно передаваться только с внутрикадровым кодированием. В стандартах MPEG–1 и MPEG–2 принято разделение последовательности кадров на группы по 15 кадров в каждой. В группе есть кадры трех типов:
I–кадры, которые передаются с внутрикадровым кодированием и являются опорными для декодирования остальных кадров;
Р–кадры, которые передаются с межкадровым кодированием путем предсказания с компенсацией движения по предшествующему I–кадру или Р–кадру; В–кадры, которые формируются в приемной части системы путем интерполяции по ближайшим к ним как спереди, так и сзади I–кадрам и Р–кадрам. Порядок следования кадров в передаваемой последовательности таков:
IBBPBBPBBPBBPBBIBBPB... . (7.1)
Кадры разделяются на макроблоки 16x16 элементов. Для Р–кадров для каждого макроблока передается вектор движения, показывающий смещение данного макроблока по сравнению с его положением в предыдущем I–кадре или Р–кадре. Для В–кадров для каждого макроблока передаются два вектора смещения: относительно предыдущего I– или Р– кадра и относительно последующего. Это необходимо для выполнения интерполяции В–кадров в приемной части.
Стандарт MPEG–1 предназначен только для систем с построчной (прогрессивной) разверткой, при которой каждый кадр состоит из одного поля. Стандарт MPEG–2 предназначен для телевизионного вещания с чересстрочной разверткой. В нем возможны кадровый и полевой режимы работы, в которых макроблоки выделяются или в целом кадре, то есть включают строки, как первого, так и второго поля, или же в одном из двух полей.
Таким образом, кодер изображения имеет два режима работы: внутрикадровый, в котором кодируются I–кадры, и межкадровый, в котором кодируются Р–кадры и находятся векторы смещения для Р–кадров и В–кадров. На структурной схеме наличие двух режимов отображается с помощью переключателя, направляющего на блок внутрикадрового кодирования ВКК или непосредственно входной сигнал в режиме внутрикадрового кодирования (положение 1), или разностный сигнал с вычитателя, представляющий собой ошибку сделанного с учетом оценки движения предсказания передаваемого кадра. Последний случай соответствует межкадровому кодированию (положение 2).
В блоке ВКК выполняются операции внутрикадрового кодирования. в основном совпадающие со стандартом JPEG, рассмотренным в лекции5. Кратко напомним, что при внутрикадровом кодировании выполняются разбиение кодируемого изображения на блоки 8×8 элементов, дискретное косинусное преобразование (ДКП) в каждом блоке с получением матрицы 8×8 коэффициентов ДКП, квантование этих коэффициентов, считывание полученных квантованных коэффициентов в зигзагообразном порядке, кодирование получаемых последовательностей чисел с помощью кодов с переменной длиной кодового слова. Сжатие данных происходит в первую очередь за счет квантования, при котором различные пространственно– частотные составляющие квантуются с разным шагом, в зависимости от заметности их квантования для человека. Количество бит информации, необходимых для передачи данного блока, при этом существенно сокращается. Пространственно–частотные составляющие, имеющие низкий уровень, вообще отбрасываются. Дополнительное сжатие достигается с помощью кодирования с переменной длиной кодового слова (энтропийного кодирования).
В соответствии с изложенными принципами построения кодеров ДИКМ с ОС для предсказания в режиме межкадрового кодирования используется не сам предыдущий входной кадр, а результат внутрикадрового декодирования (ВКДК), формируемый соответствующим блоком. В блоке ВКДК в обратном порядке выполняются декодирование кодов с переменной длиной кодового слова, формирование матрицы коэффициентов ДКП каждого блока, восстановление исходного количества бит всех коэффициентов, обратное дискретное косинусное преобразование (ОДКП), объединение блоков 8×8 элементов в единое изображение. Мультиплексор объединяет данные, поступающие с выхода блока ВКК, и векторы движения макроблоков, поступающие с блока оценки движения. Важную роль в работе кодера изображения играет буфер, представляющий собой ЗУ достаточного объема со схемами управления. Основная функция буфера – согласование неравномерного во времени потока данных на выходе кодера изображения со строго постоянной скоростью передачи двоичных символов в канале связи. Неравномерность потока данных на выходе кодера изображения обусловлена в первую очередь наличием разных типов кадров. При передаче I–кадра поток информации будет самым большим, так как происходит передача изображения только с внутрикадровым кодированием. При передаче Р–кадров поток информации меньше, так как передается разность предсказанного и действительного кадров, а также векторы движения, имеющие относительно небольшой объем данных. Наконец при передаче В–кадров передаются только векторы движения, и поток информации будет наименьшим. Буфер работает по принципу «первым вошел – первым вышел». Запись данных в буфер производится по мере их поступления с блока ВКК. Считывание данных из буфера осуществляется с постоянной скоростью, определяемой скоростью передачи двоичных символов в канале связи. Степень заполненности буфера будет колебаться во времени, возрастая при увеличении потока данных с блока ВКК и уменьшаясь при уменьшении этого потока. Помимо различия типов кадров на степень заполнения буфера может влиять характер передаваемого изображения. Если в изображении много мелких деталей, возрастает количество и уровень высокочастотных составляющих пространственно–частотного спектра, то есть количество отличных от нуля коэффициентов ДКП. Это приводит к увеличению потока данных на выходе блока ВКК. Обратно, при передаче «гладких» изображений количество отличных от нуля коэффициентов ДКП уменьшается, так как изображение имеет в основном низкочастотные составляющие пространственно–частотного спектра.
Для оптимизации работы системы желательно поддерживать уровень заполнения буфера приблизительно постоянным. Если буфер переполняется, то, очевидно, будет происходить потеря части данных, то есть ухудшение качества изображения на выходе системы. Если же буфер полностью опорожняется, то по каналу связи приходится передавать «пустые» блоки, что приводит к снижению эффективности его использования. Чтобы избежать обоих нежелательных случаев в кодере изображения, имеется обратная связь с буфера на квантователь в блоке ВКК.
Сущность действия этой обратной связи заключается в следующем. Если передается мелкоструктурное изображение, и заполнение буфера увеличивается, то под воздействием обратной связи увеличивается шаг квантования коэффициентов ДКП. При этом количество бит на каждый коэффициент уменьшается, и величина потока данных поддерживается примерно постоянной. Наоборот, при передаче «гладких» изображений квантование становится более точным. Такой метод соответствует свойствам человеческого зрения: на мелкоструктурных изображениях меньше заметны неточности в передаче уровней яркости, так как в первую очередь воспринимаются контуры деталей. Изменение шага квантования может осуществляться или после кодирования каждого кадра с учетом его типа, или в пределах одного кадра после кодирования каждой его части. Рассмотрим структурную схему декодера изображения в приемной части системы (рис. 7.3).
Рис.7.3. Структурная схема декодера изображения Поток данных, поступающий с демодулятора, разделяется в демультиплексоре на кодированные сигналы изображения и векторы движения. В блоке внутрикадрового декодирования осуществляются, как уже пояснялось раньше, декодирование кода с переменной длиной кодового слова, восстановление количества уровней квантования, обратное дискретное косинусное преобразование, сборка изображения из принятых блоков. Так же как и в кодере, имеется два режима работы. При приеме I– кадров на выходе блока ВКДК формируется цифровой сигнал самого кадра. Коммутатор на структурной схеме при этом находится в положении 1, и сигнал с блока ВКДК направляется на выход. При приеме Р–кадров и В–кадров коммутатор находится в положении 2. В этом случае формирование выходного сигнала происходит путем сложения поступающих с блока ВКДК значений межкадровых разностей с предсказанным кадром, формируемым на основе ранее принятых кадров блоком предсказателя. На этот блок поступают с мультиплексора принятые в общем потоке данных векторы движения, с помощью которых осуществляется компенсация движения. Буфер на входе декодера выполняет функцию согласования постоянной скорости передачи двоичных символов в канале связи с процессами в декодере, при которых данные из буфера считываются неравномерно во времени. Кодирование и декодирование яркостного и цветоразностных сигналов осуществляется раздельно, а получаемые при кодировании потоки данных объединяются в общий поток.Стандарт MPEG–2 определяет методы кодирования не только видеосигнала, но и звука. На рис. 7.4 и 7.5 приведены структурные схемы, соответственно, кодера и декодера звука.
Рис.7.4. Структурная схема кодера звука
Дискретизация звукового сигнала в АЦП осуществляется с частотой 32,0, 44,1 или 48,0 кГц. Цифровой сигнал поступает на блок разложения на частотные поддиапазоны, содержащий набор цифровых полосовых фильтров. Число частотных поддиапазонов равно 32. В каждом поддиапазоне отсчеты звукового сигнала группируются в блоки по 12 или по 36 отсчетов в зависимости от типа кодера. В блоке вычисления масштаба определяется максимальное значение сигнала в каждом блоке, и устанавливается соответствующий масштабирующий коэффициент. В блоке БПФ выполняется быстрое преобразование Фурье полного звукового сигнала. Для БПФ берутся участки звукового сигнала по 512 или по 1024 отсчета. По результатам обработки полученного частотного спектра в блоке распределения бит определяются параметры квантования сигнала в разных частотных поддиапазонах. В тех поддиапазонах, в которых искажения звука, вызываемые квантованием, менее заметны для слушателя или маскируются большим уровнем сигнала в других поддиапазонах, квантование делается более грубым. Благодаря этому удается существенно уменьшить количество передаваемой информации. Затем выполняется квантование с различным шагом квантования для разных частотных поддиапазонов и с учетом масштабирующего коэффициента. В мультиплексоре объединяются данные с выходов квантователя, блока вычисления масштабирующего коэффициента и блока определения распределения бит.
L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAJqnaCMIA AADeAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbERPS2sCMRC+F/wPYQRvNVFEymoUEYQeFNttvQ/J7EM3 k3WT6vrvTaHQ23x8z1mue9eIG3Wh9qxhMlYgiI23NZcavr92r28gQkS22HgmDQ8KsF4NXpaYWX/n T7rlsRQphEOGGqoY20zKYCpyGMa+JU5c4TuHMcGulLbDewp3jZwqNZcOa04NFba0rchc8h+nYY/9 5Fp+nLd4MKrA3akw+f6o9WjYbxYgIvXxX/znfrdp/lTN5vD7TrpBrp4AAAD//wMAUEsBAi0AFAAG AAgAAAAhAPD3irv9AAAA4gEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQ SwECLQAUAAYACAAAACEAMd1fYdIAAACPAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAuAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQ SwECLQAUAAYACAAAACEAMy8FnkEAAAA5AAAAEAAAAAAAAAAAAAAAAAApAgAAZHJzL3NoYXBleG1s LnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQAmqdoIwgAAAN4AAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAJgCAABkcnMvZG93 bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABAD1AAAAhwMAAAAA " adj="0,,0" path="m,l215954,e" filled="f" strokeweight=".39661mm">
| Рис.7.5. Структурная схема декодера звука |
