Оценка качества и основы экспертизы телевизоров

Дискретизация — замена непрерывного аналогового ТВ сигнала u(t) последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. 
Наиболее распространена равномерная дискретизация, имеющая постоянный период, основанная на теореме Котельникова.

Из теоремы Котельникова следует, что для точного восстановления исходного сигнала необходимо наличие бесконечно большого числа отсчетов. На практике же сигнал, всегда имеющий конечную длительность, описывается конечным числом отсчетов. Несмотря на несоответствие условиям теоремы, такой способ восстановления сигнала широко используется в цифровом телевидении и точность восстановления при соблюдении определенных требований оказывается достаточной.

За процессом дискретизации при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Квантование (термин этот заимствован из атомной физики) заключается в замене полученных после дискретизации мгновенных значений отсчетов ближайшими значениями из набора отдельных фиксированных уровней. Квантование также представляет собой дискретизацию ТВ сигнала, но осуществляющуюся не во времени, а по уровню сигнала u(t). Для устранения путаницы между этими понятиями и   введена разная терминология.

Фиксированные уровни, к которым "привязываются" отсчеты, называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала u(t) уровнями квантования на отдельные области значений, называемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Последняя может быть как линейной, так и нелинейной, в зависимости от условий преобразования. Округление отсчета до одного или двух ближайших уровней (верхнего или нижнего) определяется положением порогов квантования.

Возможность восстановления в зрительном аппарате человека исходного изображения по его квантованному приближению (в теореме Котельникова эта операция не предусматривается) вытекает из ограниченности контрастной (и цветовой) чувствительности зрительной системы, рассмотренной в предыдущих статьях.

Строго говоря, дискретизированный и квантованный сигнал uкв(nТ) уже является цифровым. Действительно, если амплитуда импульсов дискретизированного сигнала u(nТ) может принимать любые произвольные значения в пределах исходного динамического диапазона сигнала u(t), то операция квантования привела к замене всех возможных значений амплитуды сигнала ограниченным числом значений, равным числу уровней квантования. Таким образом, квантованная выборка сигнала выражается некоторым числом в системе счисления с основанием т, где т — число уровней квантования. Но цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом т. Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня) будет преобразован в кодовую комбинацию символов 0 или 1.

В этом и состоит третья, заключительная операция по преобразованию аналогового сигнала u(t) в цифровой uц(nТ), называемая операцией кодирования. Кодирование, таким образом, есть преобразование квантованного значения отсчета uкв(nТ) в соответствующую ему кодовую комбинацию символов uц(nТ). Наиболее распространенный способ кодирования ТВ сигнала — представление его дискретных и проквантованных отсчетов в натуральном двоичном коде. Этот способ получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Часто всю совокупность перечисленных операций — дискретизации, квантования и кодирования — для краткости называют кодированием телевизионного сигнала. Это имеет определенные технические основания, поскольку все эти три операции выполняются одним техническим устройством — аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи - непременные блоки любых цифровых систем передачи, хранения и обработки изображений.

Исследования ИКМ в телевидении начались сравнительно давно, первые предложения относятся еще к 30-м годам нашего столетия. Но только недавно этот метод стал применяться в вещательном телевидении. Причина столь длительного внедрения, без сомнения, самого перспективного для телевидения принципа обработки и передачи информации объясняется жесткими требованиями к быстродействию устройства преобразования и передачи цифрового сигнала. Чтобы пояснить это, оценим скорость передачи цифровой информации по каналу связи.

При непосредственном кодировании телевизионного сигнала методом ИКМ кодовые комбинации создаются с частотой, равной частоте отсчетов, т.е. частоте дискретизации fд. Каждая кодовая комбинация соответствует определенному отсчету и содержит некоторое число k двоичных символов (битов).

Скоростью передачи цифровой информации называется число передаваемых двоичных символов в единицу времени. За единицу скорости принимается 1 бит/с. Таким образом, скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме будет равна произведению частоты дискретизации fд и числа двоичных символов в одном дискретном отсчете.

Если верхняя граничная частота ТВ сигнала равна 6 МГц, то минимальная частота дискретизации, определяемая по теореме Котельникова, равна 12 МГц. Как правило, в системах цифрового телевидения с ИКМ частоту fд выбирают выше минимально допустимой, определяемой теоремой Котельникова. Связано это с необходимостью унификации цифрового ТВ сигнала для различных стандартов телевидения. В частности, для студийного цифрового оборудования рекомендована для всех стран частота дискретизации f д = 13,5 МГц.

Число двоичных символов k в кодовой комбинации одного отсчета связано с числом уровней квантования т исходного сигнала соотношением.

Число уровней квантования сигнала должно быть выбрано не меньше максимального числа градаций яркости, различимых глазом, которое в зависимости от условий наблюдения колеблется в пределах 100...200. Отсюда k = 3,31 gm = 3,31 g (100...200) ≈ 6,6...7,6.

Очевидно, число символов в кодовой комбинации может быть только целым, а значит, выбор разрядности кодовой комбинации ограничится числом k = 7. В первом случае кодовая комбинация может нести информацию о 128 возможных уровнях сигнала (градациях яр кости). Во втором случае (соответствующем лучшему качеству в передаче градаций) m =2*8=256. Если принять k =8, из (2) и (3) следует, что скорость передачи цифровой информации c = f , k =13,5*8=108 Мбит/с. А если учесть, что кроме сигнала яркости должна быть передана информация о цвете, то общий цифровой поток, формируемый по методу ИКМ, удвоится и будет равен 216 Мбит/с.

Столь высоким быстродействием должны обладать как устройства преобразования ТВ сигнала, так и каналы, связи. Тем не менее, нельзя считать, экономически целесообразной передачу такого большого цифрового потока по каналам связи. Важной задачей для построения экономичных ТВ систем является "сжатие" ТВ сообщения.

Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба качеству воспроизводимого изображения, безусловно, существуют. Эти резервы заключены в специфике ТВ сигнала, обладающего, как показывают исследования, значительной информационной избыточностью.

Эту избыточность обычно разделяют, несмотря на некоторую условность такого деления, на статистическую и физиологическую. Статистическая избыточность определяется свойствами изображения, которое не является в общем случае хаотическим распределением яркости, а описывается законами, устанавливающими определенные связи (корреляцию) между яркостями отдельных элементов. Особенно велика корреляция между соседними (в пространстве и во времени) элементами изображения. Знание корреляционных связей позволяет устранить избыточность в ТВ сигнале, не передавать многократно одну и ту же информацию, сократить цифровой поток.

Второй тип - физиологическая избыточность ТВ сигнала обусловливается ограниченностью возможностей зрительного аппарата. Использовать физиологическую избыточность - значит не передавать в сигнале ту информацию, которая не будет воспринята нашим зрением. 
Уменьшение цифрового потока ТВ сигнала за счет сокращения избыточности в ТВ изображении осуществляется в цифровом телевидении путем применения более эффективных методов кодирования по сравнению с ИКМ.

Подлежащий преобразованию аналоговый сигнал поступает на вход цифровой ТВ системы. Этот сигнал подвергается предварительной обработке для упрощения последующих цифровых преобразующих устройств. Например, полный цветовой сигнал разделяется в устройстве предварительной обработки на сигнал яркости и цветоразностные сигналы с тем, чтобы цифровые преобразования производились с каждым из трех сигналов отдельно.

Можно ввести в аналоговый сигнал определенные предыскажения для улучшения субъективного качества выходного изображения и т.п. Несмотря на то, что многие из этих предварительных операций по обработке могут быть сделаны и в цифровой форме, на определенном этапе развития технически проще их выполнять в аналоговой форме. Далее подготовленный для преобразования аналоговый сигнал поступает на АЦП, в котором он дискретизируется, квантуется и предварительно кодируется (например, по методу ИКМ). Как указывалось, в полученном таким образом сигнале содержится значительная избыточность, которая может быть в определенной степени сокращена путем дополнительного, более эффективного кодирования в блоке цифровой обработки сигнала. Далее сигнал поступает в кодирующее устройство канала. Под каналом здесь понимаются линия связи, устройство консервации ТВ сигнала, устройства коррекции ТВ сигнала и другие звенья, в которых сигнал обрабатывается. Кодирующее устройство канала предназначено для защиты цифрового ТВ сигнала от возможных помех в канале путем применения специальных, более помехозащищенных кодов. Наконец, сигнал в цифровой форме поступает на выходной преобразователь (например, на модулятор передающего устройства) и далее в канал.

Принятый приемным устройством сигнал демодулируется, подвергается обратному преобразованию в декодирующем устройстве канала и поступает в блок цифровой обработки декодирующего устройства цифрового сигнала. В нем лишенный избыточной информации на передающем конце сигнал приобретает исходную форму, затем в ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал. Если на передающем конце тракта использовалась предварительная аналоговая обработка сигнала, то на приемном конце может производиться обратная операция. В зависимости от задач, стоящих перед цифровой системой, она может видоизменяться. Например, система вообще не будет содержать аналоговых звеньев, если использовать преобразователи свет-сигнал и сигнал-свет, генерирующие и преобразующие сигнал в цифровом виде. В другом случае могут отсутствовать устройства, повышающие помехоустойчивость сигнала в каналах связи. Это допустимо при отсутствии протяженных линий связи, и в частности при цифровой обработке сигнала внутри одного телецентра. В этом же случае нет необходимости и в устройствах, устраняющих в ТВ сигнале избыточность и сокращающих цифровой поток.

Дискретизация - первая операция из всего комплекса преобразований аналогового сигнала в цифровой. К настоящему времени разработаны такие методы дискретизации ТВ сигнала, которые позволяют и в этом случае восстановления исходного сигнала избавиться от побочных продуктов. Значимость этих методов сегодня очень велика, поскольку возможное снижение частоты дискретизации позволяет пропорционально уменьшить цифровой поток, т.е. сделать систему цифрового телевидения более экономичной.

Прежде чем рассмотреть эти методы, следует указать на то, что при кодировании телевизионного сигнала чаще всего применяется дискретизация с постоянной частотой. В свою очередь, частота дискретизации может быть связана или не связана с частотой строчной и кадровой разверток. При жесткой связи получается постоянное число отсчетов в строке, соответствующих одним и тем же элементам изображения. На изображении при этом образуется фиксированная структура отсчетов (структура дискретизации).

Кинескопы бывают черно-белого изображения и цветного изображения, отличаются они по конструкции.

Экран кинескопа черно-белого изображения изнутри покрыт сплошным слоем люминофора, обладающего свойством светиться белым цветом под воздействием потока электронов. Тонкий электронный луч формируется электронным прожектором, размещенным в горловине кинескопа. Управление электронным лучом осуществляется электромагнитным способом, в результате чего он последовательно в ходе развертки сканирует экран по строкам, вызывая свечение люминофора. Интенсивность (яркость) свечения люминофора в ходе сканирования изменяется в соответствии с электрическим сигналом (видеосигналом), несущим информацию об изображении.

Экран кинескопа цветного изображения изнутри покрыт дискретным слоем люминофоров (в форме кружков или штрихов), светящихся красным, зеленым и синим цветом под действием трех электронных пучков, формируемых тремя электронными прожекторами. Все кинескопы цветного изображения перед экраном имеют цветоделительную теневую маску. Она служит для того, чтобы каждый из трех электронных лучей, одновременно проходящих через многочисленные отверстия маски в ходе сканирования, точно попадал на "свой" люминофор (первый — на зерна люминофора, светящиеся красным цветом, второй — на зерна люминофора, светящиеся зеленым цветом, третий — на зерна люминофора, светящиеся синим цветом).

Каждый электронный луч модулируется "своим" видеосигналом, что соответствует трем составляющим цветного изображения. Поступая на кинескоп, видеосигналы управляют интенсивностью электронных пучков и, следовательно, яркостью свечения люминофоров (красного, зеленого и синего). В результате на экране цветного кинескопа воспроизводятся одновременно 3 одноцветных изображения, создающих в совокупности цветное изображение.