Цифровая обработка видео / Часть 6: Цифровое представление сигнала и синхронизация

Серия статей про теорию цифровой обработки видеоизображений. Во шестой части обсуждаются цифровое представление композитного и звукового сигнала, а также их сведение - синхронизация.

Цифровое представление композитного сигнала

Композитный сигнал по системам PAL и NTSC дискретизируется с частотой 4fsc, равной четвертой гармонике цветовой поднесущей. Рис. 15 иллюстрирует дискретизацию и квантование композитного телевизионного видеосигнала (в качестве сигнала показан сигнал цветных полос). В системе NTSC строка содержит 910 отсчетов, из которых 768 образуют активную часть цифровой строки. В системе PAL на интервал аналоговой строки приходится нецелое число отсчетов с частотой 4fsc. Это обусловлено тем, что в системе PAL помимо четвертьстрочного сдвига используется дополнительный сдвиг частоты поднесущей на частоту кадров (25 Гц).

Рис.15 Кодирование композитного видеосигнала (4fsc)

Для сохранения непрерывного цифрового потока отсчетов, следующих с постоянной частотой 4fsc, в системе PAL длительность цифровой строки принята не равной длительности аналоговой строки. Все строки поля (за исключением двух) содержат по 1135 отсчетов, а две - по 1137.Длина кодового слова - 10 бит (в первоначальном варианте - 8). Необходимость цифрового кодирования фронта и среза синхроимпульсов композитного аналогового сигнала приводит к тому, что для диапазона от номинальной величины черного до номинального белого выделяется примерно на 30% меньше уровней квантования, чем для сигнала в компонентной форме. Скорость передачи данных для цифрового сигнала в системе NTSC составляет 143 Мбит/с, а в системе PAL - 177 Мбит/с. Несколько слов надо сказать о цифровом представлении звукового сигнала, так как многие цифровые устройства обработки видеосигналов имеют и звуковую часть, необходимую для синхронной обработки звука и изображения. Особенно это относится к нелинейным видеомонтажным платам и системам.

Цифровое представление звукового сигнала

Для передачи звукового сопровождения в телевидении применяются цифровые сигналы стандарта AES/EBU. В соответствии с этим стандартом при аналого-цифровом преобразовании звука используется импульсно-кодовая модуляция с линейной шкалой квантования, причем на один отсчет для собственно звуковых данных отводится до 24 бит (рис. 16). Форма представления кодовых слов - последовательная. К каждому слову звуковых данных добавляются биты корректности отсчета V, состояния канала C, данных пользователя U. Эта группа из 27 бит, дополненная битом четного паритета P и синхрословом из 4 бит, образует субкадр из 32 бит.

Рис.16 Цифровое представление звукового сигнала AES/EBU

Стандарт поддерживает два звуковых сигнала (например, 2 моно или 1 стерео канал), из отсчетов которых формируется кадр. 192 последовательных кадра объединяются в блок данных. Объединение в блок значимо лишь постольку, поскольку в пределах блока с помощью битов C передается информация, например, о характере сигнала (моно или стерео), о внесенных предискажениях. В пределах блока группируется и информация пользователя. Стандарт AES/EBU допускает ряд частот дискретизации, из которых наиболее удобной для телевидения является частота 48 кГц, при которой длительность блока составляет 4 мс. При этом устанавливается простое соотношение между частотой дискретизации звука и частотой видеокадров, что упрощает синхронизацию и передачу цифровых сигналов видео и звука по одной линии связи. Скорость передачи звуковых данных при частоте 48 кГц составляет 3,072 Мбит/с.

О синхронизации

Мы "перевели" аналоговый видеосигнал в цифровой вид. А что дальше? Как, например, смикшировать два видеоизображения? Скажем честно, в аналоговом виде, имея два асинхронных видеоисточника это сделать невозможно. Переведенный в цифровой вид видеосигнал должен пройти через кадровый синхронизатор, который "привязывает" по времени один видеосигнал к другому. По сути дела кадровый синхронизатор представляет собой буфер специальной видеопамяти, обычно на один кадр. Специальная арбитражная логика позволяет через независимые шины данных одновременно и асинхронно записывать и считывать из него видеоинформацию. Скорость считывания может задаваться синхросигналами, выделенными из другого видеосигнала. Следовательно, выходной поток информации видеобуфера будет синхронным с видеоинформацией второго видеоисточника. Пример построения кадрового синхронизатора приведен на рис. 17.

Рис. 17 Блок-схема кадрового синхронизатора

К сожалению, видеосигнал, выдаваемый аналоговыми видеоисточниками, особенно формата VHS и Video-8 не является стабильным. Длительность строки может изменяться на несколько микросекунд, тогда как для качественной и стабильной видеокартинки требуется высокая стабильность временной базы. Специальные сигнал генераторы могут выдавать временной интервал с точностью до 2 nS. Теперь представим, что в качестве второго видеоисточника в описанном выше кадровом синхронизаторе мы будем использовать этот стабильный генератор временной базы. При этом видеоинформация будет выводиться "привязанной" к стабильной временной базе независимо от "флуктуаций" входного видеосигнала. Такие устройства называются корректорами временных искажений (time base corrector).

Иногда в целях упрощения временной корректировке подвергается только строчная информация, т. е. восстановление сигнала происходит по сигналу предыдущей строки. При оцифровке нестабильного видеосигнала и "привязке" его к стабильной временной базе существует масса "подводных камней", например, если оцифровывать видеосигнал стабильной частотой дискретизации, то в разных строках будет разное число пикселей и встает вопрос что делать с "лишней" и где взять "недостающую" информацию. Разные фирмы решают этот вопрос по-разному, используя различные "фирменные" алгоритмы обработки сигналов. В простейшем случае "лишняя" информация просто отбрасывается с последующей фильтрацией нелинейных искажений. Этот фильтр может быть довольно сложным. Например, модно использовать адаптивный рекурсивный цифровой фильтр для устранения шумов из "зашумленной" видеокартинки.

Еще одна функция time-base корректора - это транскодирование и цветокоррекция видеоинформации. Используюя на входе аналоговый или цифровой мультистандартный декодер, а на выходе аналогичный кодер, можно преобразовывать сигналы из одной системы кодирования цвета в другую (например, PAL в SECAM или NTSC и наоборот). Также при наличии в time-base корректоре кадрового синхронизатора возможны некоторые спецэффекты, например, стоп-кадр ("заморозка" картинки), стробоскоп, мозаика, смазывание и т. д.

Устройства синхронизации видеоисточников

Начав говорить о синхронизации, мы уже рассказали о двух устройствах, которые выполняются в виде отдельных блоков - кадровом синхронизаторе и time-base корректоре. Еще одним специализированным функционально законченным устройством является синхронный видеокоммутатор. По сути дела это вышеописанный кадровый синхронизатор со специальной кросс-коммутационной матрицей и буферными видеоусилителями. Видеокоммутатор позволяет коммутировать m входов на n выходов, обычно так и обозначается коммутатор 4х2, 8х4, 16х2 и т. п. Синхронная коммутация видеосигналов очень важна при монтаже и особенно в условиях "живого" эфира при коммутации, например, транслирующих видеокамер. Некомпетентные люди пытаются использовать для этих целей несинхронные дешевые коммутаторы или монтажные видеомикшеры с ведущим несинхронным каналом, искренне при этом удивляясь почему у них в момент коммутации происходит срыв изображения.

Надо заметить, что практически все устройства обработки видеосигналов имеют стандартизованные интерфейсы управления и возможность синхронизироваться от внешнего сигнала, что позволяет для повышения стабильности и качества обработки видеоизображения использовать специальный сверхстабильный синхрогенератор. Структура видеостудии с отдельными блоками отличается повышенной мобильностью перекомпоновки и улучшения характеристик при минимальных последующих затратах, но требуют изначально более весомых затрат при организации видеостудии. В небольших (а тем более домашних) видеостудиях почти все функции возлагаются на видеомикшер, обычно сочетающий в себе вышеописанные устройства и который является "сердцем" видеостудии . Итак, какие бывают видеомикшеры?

Видеомикшеры

Микшеры живого эфира

Как правило, это большие по размеру и по предоставляемым возможностям устройства. Их назначение обеспечение трансляций событий, происходящих в реальном времени. В основном это эфир новостийных выпусков, концертов, спортивных соревнований, и т. д. Число источников часто превышает два десятка. Среди них преобладают видеокамеры, затем идут записывающие устройства и один-два источника графики. Соответственно такому количеству устройств, предусматривается и число входов на микшере. Преимущества: нет необходимости использовать матричный видеокоммутатор на входе, что облегчает работу в эфире. Звук, обычно, микшируется отдельно. Такие микшеры нередко применяются и традиционном монтажном производстве. Если производитель подразумевает работу в прямом эфире, то все основные функции должны быть вынесены на отдельные кнопки. Цена качественных микшеров живого эфира не ниже 150-200 тысяч долларов.

Монтажные видеомикшеры

Там, где не так много источников, необходимость использования больших микшеров не возникает. В настоящий момент это наиболее распространенный случай в практике наших телекомпаний и видеостудий. Многие студии используются в свободное от эфира время в качестве аппаратных монтажа. Именно поэтому в качестве универсальных устройств в региональных видеостудиях используются недорогие и надежные монтажные видеомикшеры. Такие, как Sony DFS-500, 300, Panasonic WJ-MX 20, MX30 , MX50. В последнее время к ним прибавились модели Magic DaVE фирмы Snell&Wilcox, JVC 3000 и JVC 5000. Magic DaVE подкупает тем, что это очень недорогое устройство является одновременно микшером и генератором видеоэффектов (DVE-digital video effects). Цены на эти устройства от единиц до нескольких десятков тысяч долларов.

Выходные эфирные микшеры

Выходные эфирные микшеры являются устройствами узкой специализации. Их единственной задачей является окончательное формирование выходного эфирного сигнала телекомпании с возможностью оперативного выбора. Кроме "развитых" компаний, их используют в составе многоканальных эфирных комплексов или в комплексах, ведущих одновременное вещание в нескольких часовых поясах. Цена рассмотренных устройств от 20000 долларов.