Цифровая обработка видео / Часть 3: Представление видеосигнала

Серия статей про теорию цифровой обработки видеоизображений. Во третьей части обсуждаются форматы представления сигнала.

Какие бывают форматы представления видеосигнала

Как уже отмечалось, низкочастотный телевизионный видеосигнал является композитным, т.е. представляет собой результат сложения яркостного сигнала Y, двух цветовых поднесущих, модулированных сигналами цветности U и V, а также синхроимпульсов, причем частоты цветоразностных сигналов лежат в пределах полосы спектра яркостного сигнала. Но из-за строчной структуры телевизионного разложения в спектральной области все они имеют гребенчатую структуру, расcтояния между соответствующими пиками которых равны строчной частоте. При этом частоты поднесущих выбраны так, чтобы спектральные пики сигналов цветности оказались между пиками яркостного сигнала. В результате путем использования специальных гребенчатых фильтров возможно эффективное разделение этих сигналов. Однако, подобные фильтры весьма сложны и дороги, а потому в основном используются в профессиональной аппаратуре высокого разрешения.

В бытовых устройствах ограничиваются более простыми полосовыми фильтрами, заметно снижающими четкость изображений. Так в видеомагнитофонах и камерах классов VHS (Video Home System) и Video-8 используются только композитные видеосигналы, при этом разрешение ограничено 240 телевизионными линиями. Кроме того, даже полное использование всех различий сигналов все равно не позволяет идеально разделить их. Поэтому более эффективным оказывается использование не единого композитного сигнала, а двух композитных сигналов Y/C: Y, как и ранее, несет яркостный сигнал и синхроимпульсы, а C (Chrominance) - модулированные цветовые сигналы. Такой сигнал называют S-Video, он используется при записи/воспроизведении в аппаратуре классов S-VHS и Hi-8. Считается, что при этом обеспечивается разрешение в 400 линий.

Следующим шагом к повышению качества является переход к компонентному сигналу YUV. Он используется в профессиональной аппаратуре класса Betacam и связан с поддержкой разрешения до 500 линий. И, наконец, последним в этой череде является RGB-представление: при этом отсутствуют какие-либо кодирование и модуляция, наиболее простая и точная передача сигнала. Однако, в силу вышеуказанных особенностей зрительного восприятия человека достигаемое здесь повышение качества уже становится визуально несущественным. Поэтому, подобное представление реально используется только в высокоточной научной измерительной аппаратуре.

За последние несколько лет появилось большое число различных цифровых форматов представления видеосигнала. Аппаратура, работающая в этих форматах выпускается рядом фирм - законодателей мод в видеотехнике, такими как Sony, Panasonic, JVC и т. д. Такая аппаратура стала появляться и на нашем рынке, хотя пока она слишком дорога для "российского" уровня, особенно для бытового. Приведем сводную таблицу существующих форматов, в том числе и цифровых, к которым вернемся в дальнейшем.

Сравнительные характеристики различных форматов записи на магнитную ленту.

Самым "непонятный" в этой таблице столбец это "вид сигнала". Что означают обозначения YUV 4:2:2, YUV 4:1:1 и т. п.? Настало время поговорить о цифровом представлении телевизионного видеосигнала.

Цифровое представление телевизионного сигнала

По своей массе и производственным мощностям аналоговая вещательная аппаратура все еще преобладает, но очень быстро сдает одну позицию за другой. Как и ожидалось, переход к цифровым вещательным комплексам осуществляется, главным образом, за счет поэтапного встраивания цифрового оборудования в аналоговое окружение. Процесс этот идет повсеместно, но в разных странах темпы перехода различны.

В наиболее развитых странах уже сейчас можно говорить о преобладании цифровой аппаратуры, в некоторых она просто отсутствует. Россию в этом плане, пожалуй, следует отнести к слаборазвитым странам. Бурному внедрению цифровых технологий в наше вещание, естественно, препятствует отсутствие необходимых средств у большинства телевизионных и радиовещательных компаний страны. Тем не менее, дело сдвинуто с мертвой точки и идет с впечатляющим ускорением. Что предлагают цифровые технологии на разных стадиях подготовки и распространения вещательных программ, как влияют на художественные возможности, о чем следует помнить, работая с цифровой аппаратурой, и чего надо опасаться, особенно в системах с компрессией сигналов - ответы на все эти вопросы следует знать всем работникам вещательных организаций - инженерно-техническому персоналу и творческим работникам.

Цифровая техника стала постепенно проникать в телевидение в семидесятые годы. Первыми появились цифровые корректоры временных искажений, затем - кадровые синхронизаторы, генераторы специальных эффектов, микшеры, коммутаторы. Но говорить о возможности полномасштабного перехода к цифровому телевидению стали десять лет назад, когда появился первый промышленный цифровой видеомагнитофон, разработанный фирмой Sony. Это - выдающееся событие для телевидения.

Прежде всего надо отметить, что параметры, характеризующие качество воспроизводимого изображения и звука в цифровом аппарате, превосходили те значения, которые были типичными для аналоговых магнитофонов. Но появление цифровой видеозаписи означало не просто значительное улучшение параметров. Эффект накопления искажений, присущий всем аналоговым системам, например, ограничивает предельно допустимое число перезаписей, которые могут быть сделаны на аналоговом магнитофоне. Так, например, перезапись на магнитофонах формата VHS, без потери качества в пределах нормы, не допускается вообще, формат S-VHS допускает 1-2 перезаписи, а Betacam SP три-четыре. А вот цифровые системы практически свободны от эффекта накопления искажений. Если в аналоговом аппарате предельно допустимое число перезаписей исчисляется единицами, то в цифровом видеомагнитофоне визуальное качество изображения не изменяется после десятков перезаписей. А это уже не просто количественное улучшение. Можно сказать, что предельно допустимое количество перезаписей уже практически не ограничивает возможности создателей телевизионных программ.

Десятилетия основным носителем в системах видеозаписи была магнитная лента. Но сейчас запись на диск завоевывает свое место в видеотехнике. Дисковые системы дороже ленточных и имеют меньшую емкость, но они обладают весьма важным преимуществом - практически мгновенным (в сравнении с ленточными системами) доступом к любому фрагменту записи. Это создает новые возможности для компоновки и монтажа.

Таким образом, появление цифровой видеозаписи ознаменовало начало кардинальных изменений в технологии производства телевизионных программ. Но цифровая техника порождает и проблемы. Полоса частот цифровых сигналов значительно шире полосы их аналоговых предшественников. Например, полоса частот, занимаемая телевизионным видеосигналом в цифровой форме, составляет сотни мегагерц. Так, при передаче телевизионного сигнала в цифровой форме требуются каналы связи с пропускной способностью до сотен мегабит в секунду. Использование каналов, не вносящих ошибки в цифровой поток и обладающих столь большой пропускной способностью, может оказаться невозможным или экономически невыгодным. При плотностях записи информации, которые приходится использовать, например, в цифровых видеомагнитофонах, чтобы добиться расхода ленты, сравнимого с расходом в аналоговых аппаратах, ошибки при воспроизведении просто неизбежны. Поэтому сам факт преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и использование двоичных сигналов в качестве носителя информации еще не гарантирует высокого качества.

Принципиальный способ решения проблем передачи и записи с высокой степенью помехозащищенности был обоснован Шенноном. Он заключается в кодировании сигнала. К системам кодирования в цифровой видеотехнике предъявляются весьма многочисленные и часто противоречивые требования. Поэтому на практике кодирование всегда выполняется в несколько приемов. Сейчас принято выделять следующие основные виды: кодирования источника информации с целью преобразования сигнала в цифровую форму и его экономное представление путем сжатия или, как часто говорят, компрессии; кодирования с целью обнаружения и исправления ошибок; канального кодирования с целью согласования параметров цифрового сигнала со свойствами канала связи и обеспечения самосинхронизации.