Аналого-цифровоепреобразованиевидеосигналов

Государственное образовательное учреждени E             высшего профессионального образования

«донецкий национальный технический университет»

 

                                                                                               Кафедра АТ

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу

«ОсНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ И РАДИОВЕЩАНИЯ»

для студентов специальности 11.03.02

«Инфокоммуникационные технологии и сети связи»

 

 

Утверждено на заседании кафедры

автоматики и телекоммуникаций

Протокол № 8 от 19.08.2016 г.

 

 

Утверждено на заседании учебно-издательского совета ДонНТУ

Протокол № ___от ___________ г.

 

Донецк - 2016 г

Конспект лекций по курсу «Основы телевидения и радиовещания» для студентов специальности 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и сети связи». Сост.: Лозинская В.Н.; Яремко И.Н. - Донецк: ДонНТУ, 2016. – 64с.

 

Конспект лекций содержит основные теоретические сведения и рекомендации к выполнению лабораторных работ для изучения типов и характеристик неподвижных изображений, а также способов их цифровой обработки и анализа.

 

Составители: Лозинская В.Н., Яремко И.Н.

Рецензент:

Ответственный за выпуск: Лозинская В.Н.

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Тема 1. Классификация телевизионных систем. Основные понятия. 5

1.1    Телевизионные системы.. 5

1.2    Принцип развертки. 8

1.3    Аналого-цифровоепреобразованиевидеосигналов. 9

1.4    Цифровоепредставлениекомпонентноговидеосигнала. 11

Тема.2 стандарт JPEG.. 13

2.1    Классификация методов сжатия. Основные характеристики. 13

2.2    Сжатие по стандарту JPEG.. 17

Тема 3. Процесс передачи цветного изображения. Физические основы построения телевизионного приемника.. 19

3.1    Передача цветного изображения. 19

3.2    Физические основы построения телевизионного приёмника. 21

3.3    Получение цветного изображения. 22

Тема 4. Геометрические преобразования и привязка изображений. 24

4.1    Геометрические преобразования и привязка изображений. 24

4.2    Геометрические преобразования на плоскости и в пространстве. 25

4.3    Восстановление изображения в преобразованных координатах. 26

4.4    Привязка изображений. 27

4.5    Фотограмметрия и стереовидение. 28

Тема 5. Мультисервисные сети передачи данных.. 28

5.1    Принцип передачи видео по сети IP. 29

5.2    Форматы вещания. 29

5.3    Протокол IGMP. 31

5.4    Составляющие части комплексной системы IPTV.. 33

Тема 6. Технология CD- и DVD-дисков, DVD-Video. 35

6.1    Технологиякомпакт-дисков. 35

6.2    Компакт-дискиCD-R.. 37

6.3    Компакт-дискиCD-RW... 39

6.4    ФорматыCD-DA(CDAudio),DataCD,VideoCD,SuperAudioCD(SACD),SuperVideoCD(SVCD)исмешанныеформаты 41

6.5    Файловыесистемыкомпакт-дисков. 44

6.6    ТехнологияDVD.. 45

6.7    УстройствоDVD.. 45

Тема 7. Работа со звуком. MPEG-1. MPEG-2. 48

7.1    Общие сведения. 48

7.2   .СтандартMPEG-1. 50

7.3    СтандартMPEG-2. 51

7.4    СтандартMPEG-4. 53

7.5    СтандартMPEG-7. 54

7.6    МетодсжатиязвукаOggVorbis. 54

7.7    МетодсжатиязвукаMusePack. 56

7.8    ФорматWindowsMediaAudio(WMA) 56

7.9    ФорматсжатиязвукаQDesignAIF. 57

7.10 ФорматсжатиязвукаРАС.. 58

Тема 8. Программные и аппаратные средства обработки звука 58

8.1    Динамическаяобработказвуковыхсигналов. 59

8.2    Частотнаяобработказвуковыхсигналов. 63

8.3    Эквалайзеры.. 63

8.4    Устройствапространственнойобработки. 65

8.5    Методыиустройствадлясозданияспециальныхзвуковыхэффектов.. 66

ПЕРЕЧЕНЬ литературы для самостоятельного изучения.. 69

 

 

Тема 1. Классификация телевизионных систем. Основные понятия.

 

Телевизионные системы

Вовременавраждыв50–60-егодыпрошлоговекаправительствастрансоседейстарались всяческиоградитьсвоенаселениеот«тлетворного»влияния,глушарадиопередачииделаяневозможнымприемтелевиденияиз-заграницы.Многиепреуспеливэтом,придумавсобственныестандарты,несовместимыеспринятымивдругихстранах.Сыграласвоюрольикоммерция–никтоведьнехочет,чтобыегофильмыбесплатносмотрелимиллионызрителейдругогогосударства.Такипоявилосьмножестворазноликихстандартов–сначалачерно-белого,азатем ужецветноготелевидения(рис. 1.1).

 

 

Рисунок 1.1.Стандартытелевидения

 

Досередины60-хгодовXXвеканашиспециалистывобластителевидениявосновномориентировалисьнаамериканскийстандартNTSC,вещаниевкоторомначалосьвСШАещев1953году.НодажевбогатойАмерикецветныетелевизорыструдомнаходилидорогувдомазрителей.Стоилионидовольнодорого,нонеэтоглавное–краскинаэкранах были далеки от реальности.

СтандартNTSCобеспечиваетвысокуючеткостьпоцвету,нокрайне привередлив к качеству канала передачи.ПробныепередачивстандартеNTSCвначале60-хлетвелисьиунасвМоскве,телевизионнаяпромышленностьготовиласьсделатьроднойстранеипартиитрудовойподароккочередномусъездуилижекпразднику.Нопринашихмасштабах–отМосквыдоВладивостока–затратынамодернизациюлинийсвязимоглипревыситьтекущиефинансовыевозможности в стране.Нотутнаступил1965год,ипрезидентФранцииДеГользахотелвдругвыйтиизНАТО.Советскоеруководствопришлоотэтоговвосторгирешилосделатьрядвстречныхшаговпосближению.Ивовремяодногоизвизитовнавысшемуровне,безкакихбытонибылоконсультацийсоспециалистами,нашизаявилиопринятиифранцузскогостандартаSECAM.Послеэтогоминиструсвязиоставалосьответить«Есть!»изапроситьденьгина технологию и оборудование из Франции. Так в СССР и в«братскихстранахсоциалистического лагеря» появиласьсистема,несовместимая с общепринятой в большинствестран Западной Европы.

Немцы,долгиегодынаблюдавшиесосторонызамучениямиамериканцевсихсистемойNTSC,тоженедремали.В1963годуВальтерБрухизкомпанииTelefunkenпродемонстрировалсистемуPAL,вкоторойцветоваяинформацияпередаваласьдваждывдвухсоседнихстроках,новпротивофазе.За счет усреднениясигналовудавалосьпочтиполностьюподавитьхарактерные цветовые искажения.Конечно,четкостьвцвете приэтомснижаласьвдвое,однаконаглазэтобылопрактическинезаметно.Посуществу,PAL–этоусовершенствованнаяNTSC,толькодляеереализациитребуетсяпрецизионнаялиниязадержкисигналанаоднустроку.Сегодняэтонаиболеераспространеннаясистемацветноготелевидения,которуюиспользуетоколостастранЗападнойЕвропы,АзиииАфрики.Даженекоторыенашибывшиесоседипосоцлагерю,Польша,кпримеру,полностьюперешлинаPALивлилисьвевропейскоесообщество.Надотакжезаметить,чтоограниченностьзонывещания–этооднаизобъективныхпричинпоявлениянасветмножестванесовместимыхстандартов.

СепаратныйSECAM. ФранциявсегдашласвоимособымпутемиприпоявлениицветноготелевидениявспомнилаобизобретенииинженераАнридеФранса.Ещев1954годуонсоздалсистему,свободнуюотнедостатковамериканской.SECAMвпереводесфранцузскогоозначает«поочереднаяпередачацветовипамять»,ивполномсоответствиисэтимвнейвразныхстрокахпоочереднопередаютсякрасныйисинийсигналы,авприемникедлявосстановлениянедостающейинформацииимеетсялиниязадержки(память)наоднустроку.Носамоеглавное,чтодляпередачисигналовцветностивнейиспользуютсячастотнаямодуляция,делающаяеенечувственнойкпомехамиискажениямвканалахсвязи.КакиPAL,SECAMснижаетцветовуючеткость вдваразапосравнениюс NTSC.

Послезаключенияполитическогосоглашенияв1965годусистемаещепарулетдорабатываласьсовместноспециалистамиФранциииСССР,ипослерядамодификацийонанаконец-тобылапринятадлявещанияодновременно у нас и во Франции.

ЗапрошедшиегодысмоментапринятияSECAMвнашейстранемногоразвозникалиспоры:стоилолиравнятьсянафранцузовине сменитьлинамстандартнаболеераспространенныйPAL.Сейчас,всвязисинтенсивнымпереходомкцифровымтехнологиямэтиспорыпоутихли–«цифра»гарантируетнетолькополнуюсовместимостьвсехтелевизоровновогопоколения,ноигораздоболеевысокуючеткость,стабильностьикачествоцветовкартинки.Втаблице1.1приведенысравнительныехарактеристикителевизионных систем.

 

Таблица 1.1 - Разновидности видеосигналов телевизионных систем

Типсистемы	NTSC	PAL	SECAM
Вертикальнаячастота развертки,Гц	60	50	50
Горизонтальная частота развертки, кГц	15.374	15.625	15.625
Число строк вкадре	525	625	625
Число видимых(активных)строк вкадре	480	576	576
Типмодуляциицветовойподнесущей	Амплитудная	Амплитудная	Частотная

 

ВнастоящеевремявсетелестудииСШАвмассовомпорядкепереходятнацифровойстандартATSC(AdvancedТelevisionSystemsCommittee).ВЕвропевнедряетсяназемноецифровоетелевидениевстандартеDVB-T(DigitalVideoBroadcastingTerrestrial),аспутниковоеунихужедавнопочтивсецифровое.ЯпонияразработаласвойстандартISBD(IntegratedServicesDigitalBroadcasting),который,однако,являетсямодификацией европейского стандарта. Такимобразом, в мире налицопериодсовместногосуществованияаналоговогоицифровогоназемногоТВ.ДажеунасвРоссииведутсяпередачивстандартеDVB-T,амногиесотнитысячдомовоснащенытарелкамиицифровымиресиверамидля приемапередачсоспутников.Болеетого,цифровоетелевидениесегодняприходит в дома жителей крупных городов по кабелю. Такчто«лучшецифрмогутбытьтолькоцифры»,носещеболеевысоким разрешением.

ВРоссиипринятстандартSECAMD/K(перваябукваотноситсякдиапазонуметровыхволн,вторая–дециметровых),воФранции–SECAME/L,Монако–SECAMC/L,Иране–SECAMВ,Германии–PALB/G,Англии – PALA/I, Бельгии – PAL В/Н,Бразилии – PAL М/М,Китае – PALD/K, в США, Японии и Тайване – NTSCМ/М.

 

Принцип развертки

Основная задача телевизионной системы – это преобразование видимого изображения в сигнал для последующей передачи методами электросвязи. Чтобы решить основную задачу, необходимо найти ряд существенных упрощений и отказаться от передачи по каналу связи ряда параметров. Упрощения в основном связаны со свойствами зрения.

Например, можно ограничиваться получением и передачей плоского черно-белого (одноцветного) изображения. Так, исключаются координата z и цветовая характеристика Y. Если ограничиться передачей неподвижного изображения, то параметр t также можно исключить. Таким образом, неподвижное черно-белое изображение может быть описано уравнением В = f (x, y), что дает распределение яркости в каждой точке плоскости изображения.

Чтобы снизить требования к каналу связи, изображение передают не сразу, а последовательно, по частям, путем его развертки.

Изображение разбивается на элементы с координатами х, у. Чем больше таких элементов, тем меньше их различимость глазом. Соответственно с точки зрения требуемой разрешающей способности может быть определено некое оптимальное число элементов разложения и количество передаваемой информации (пропускная способность канала связи) как некоторый компромисс между ними.

Развертка заключается в последовательном обходе всех элементов в определенном порядке с определенной скоростью. В процессе развертки средняя яркость каждого элемента преобразуется в сигнал изображения пропорционально этой яркости. Закон развертки может быть, вообще говоря, любой, например по спирали. Однако для формирования прямоугольного кадра используется так называемая прогрессивная развертка (построчная или чересстрочная).

Кадр состоит из последовательности строк, прочерчиваемых сверху вниз, слева направо с постоянной скоростью V _х в пределах строки (прямой ход развертки) и быстрым возвращением в начало следующей строки (обратный ход развертки). В электронно-лучевых трубках (ЭЛТ), например, это достигается путем формирования пилообразного напряжения для горизонтальной и вертикальной отклоняющей системы.

 

Аналого-цифровоепреобразованиевидеосигналов

Дляпреобразованиялюбогоаналоговогосигнала(звука,изображения)вцифровуюформунеобходимовыполнитьтриосновныеоперации: дискретизацию, квантование и кодирование.

Дискретизация–представлениенепрерывногоаналоговогосигнала последовательностьюегозначений(отсчетов).Этиотсчетыберутсявмоментывремени,отделенныедруготдругаинтервалом,которыйназываетсяинтерваломдискретизации.Величину,обратнуюинтервалумежду отсчетами, называютчастотой дискретизации.

Нарис.2.2.показаныисходныйаналоговыйсигналиегодискретизированнаяверсия.Картинки,приведенныеподвременнымидиаграммами,полученывпредположении,чтосигналыявляютсявидеосигналамиоднойстроки,одинаковымидлявсеготелевизионногорастра.

 

Рисунок 1.2.Процессдискретизациианалоговогосигнала

 

Понятно,чточемменьшеинтервалдискретизациии,соответственно,вышечастотадискретизации,темменьшеразличиямеждуисходнымсигналомиегодискретизированнойкопией.Ступенчатаяструктурадискретизированногосигналаможетбытьсглаженаспомощьюфильтранижнихчастот.Т. о.иосуществляетсявосстановлениеаналоговогосигналаиз дискретизированного.Новосстановлениебудетточнымтольковтомслучае,если частота дискретизации покрайней мерев 2 раза превышаетширинуполосычастотисходногоаналоговогосигнала (этоусловиеопределяетсяизвестнойтеоремойКотельникова).Еслиэтоусловиеневыполняется,тодискретизациясопровождаетсянеобратимымиискажениями.

Квантование представляетсобойзаменутекущейвеличиныотсчетасигналаближайшимзначениемизнаборафиксированныхвеличин –уровнейквантования.Другимисловами,квантование–этоокруглениевеличиныотсчета.Уровниквантованияделятвесьдиапазонвозможногоизменениязначенийсигналанаконечноечислоинтервалов–шаговквантования.Расположениеуровнейквантованияобусловленошкалойквантования.Используютсякакравномерные,такинеравномерныешкалы.Искажениясигнала,возникающиевпроцессеквантования,называютшумомквантования.Приаппаратнойоценкешумавычисляютразностьмеждуисходнымсигналомиегоквантованнойкопией,авкачествеобъективныхпоказателейшумапринимают,например,среднеквадратичноезначениеэтойразности.фильтрацией.Шумквантованияубываетсувеличениемчислауровнейквантования.

Цифровоекодирование. Квантованныйсигнал,вотличиеотисходного(аналогового),можетприниматьтолькоконечноечислозначений.

Этопозволяетпредставитьеговпределахкаждогоинтерваладискретизациичислом,равнымпорядковомуномерууровняквантования.Всвоюочередьэточисломожновыразитькомбинациейнекоторыхзнаковилисимволов.Совокупностьзнаков(символов)исистемаправил,припомощикоторыхданныепредставляютсяввиденаборасимволов,называюткодом.Конечнаяпоследовательностькодовыхсимволовназываетсякодовымсловом.

Рисунок1.3.Аналого-цифровоепреобразование

Квантованныйсигналможнопреобразоватьвпоследовательностькодовыхслов.Этаоперацияиназывается кодированием. Каждоекодовоесловопередается впределаходногоинтерваладискретизации.Длякодированиясигналовзвукаиизображенияширокоприменяютдвоичныйкод.

Кодовыесловаможнопередаватьвпараллельнойилипоследовательнойформах(рис.1.3).Дляпередачивпараллельнойформенадоиспользоватьnлинийсвязи(впримере,показанномнарисункеn=4).Символыкодовогословаодновременнопередаютсяполиниямвпределах интервала дискретизации.