Информационная скорость источника ТВ сообщения

Из телевизионной практики известно, что изображение высокого качества обладает большой информационной емкостью. Искажения изображения, связанные с потерей информации, неизбежно приводят к снижению, по субъективным оценкам, качества изображения. Поэтому представляется целесообразным оценить минимальное количество информации, достаточное для получения изображения, визуально не отличающегося (или почти не отличающегося) от оригинала.

Количество информации I_э, содержащееся в 1 элементе изображения, измеряется в двоичных единицах (дв. ед.) или битах (бит), численно равно разрядности двоичного кода, описывающего цифровую яркость элемента, и вычисляется по формуле

I_э=log₂m, (1.18)

где m – число различаемых глазом градаций яркости, вычисляемое по формуле (1.11).

Информационную емкость кадра I_к вычислим следующим образом:

I_к=N·log₂m, (1.19)

где N – число элементов разложения, определяемое по формуле (1.12).

Наконец, количество информации C, поступающее ежесекундно с ТВ экрана в направлении к зрителю (это и есть информационная скорость источника телевизионного сообщения, оцениваемая в дв. ед./с), можно рассчитать по формуле:

С= f _кр ·N·log₂m, (1.20)

если предположить, что частота кадров f _к для предотвращения заметности мельканий выбрана исходя из условия:

f _к ≥ f _кр. (1.21)

В развернутом виде с учетом выражений (1.11) и (1.12) формула (1.20) принимает вид:

. (1.22)

Приняв α ₀=12º, β ₀=9º, δ ₀=1¢, к_1пор=0, 02÷ 0, 05, К=L_max/L_min=10÷ 100, получим, что С изменяется в пределах С=(116÷ 156)·10⁶ дв.ед./с. Примем в качестве оценки среднее значение:

С=136·10⁶ дв.ед./с. (1.23)

Требуемая пропускная способность V телевизионного канала связи должна, очевидно, удовлетворять требованию:

V≥ C, (1.24)

причем V вычисляется по формуле:

V=∆ f ·log₂(1+Р_с/Р_ш), (1.25)

где приняты обозначения:

∆ f – полоса пропускания канала;

Р_с/Р_ш – отношение сигнал/шум по мощности.

Требуемая полоса пропускания ∆ f телевизионного канала связи может быть вычислена по формуле, вытекающей из (1.25) с учетом (1.24):

(1.26)

Из телевизионной практики известно, что изображение хорошего качества может быть получено, если P _c /P _ш = 900…1600, что соответствует отношению сигнал/шум Ψ =U _c /s _ш по напряжению (обычно в телевидении для оценки шумовых характеристик канала используется Y), находящемуся в интервале значений

Y=30…40. (1.27)

Приняв для простоты расчета получим из (1.26) с учетом (1.23)

D f ³ 13, 6 МГц. (1.28)

Полученный результат примерно в 2 раза превышает полосу частот реально существующих телевизионных вещательных каналов, которая для разных стандартов изменяется в интервале от 6 до 8 МГц. Это связанно с тем, что в предыдущих расчетах не использован еще один достаточно мощный ресурс сокращения физиологической избыточности ТВ изображения, заключающийся в применении чересстрочной развертки.

 

1.5 Телевизионная развертка – основа современного телевидения

Принцип действия современной системы визуального телевидения основан на использовании процесса развертки, осуществляемого дважды – на передающей и приемной сторонах. В процессе развертки на передающей стороне формируется видеосигнал, при этом происходит пространственно-временная дискретизация, т.е. разложение изображения на кадры, строки и элементы.

Исполнительным органом процесса дискретизации является разлагающая (развертывающая, анализирующая) апертура, в роли которой могут выступать (в различных устройствах) сфокусированный электронный луч, световое пятно, отверстие в непрозрачном экране, элемент матричной структуры. Оптимальный размер апертуры равен размеру элемента изображения. В процессе развертки разлагающая апертура перемещается по закону развертки относительно передаваемого изображения. Мгновенное значение видеосигнала, генерируемого в процессе разложения, пропорционально освещенности опрашиваемого элемента, т.е. того элемента, который совмещен в данный момент с разлагающей апертурой. Траектория движения разлагающей апертуры за время кадра называется растром. К структуре растра, определяемого законом развертки, предъявляются следующие требования: растр должен охватывать все элементы изображения; строки растра должны равномерно заполнять все поле изображения; процедура опроса любого элемента изображения должна быть одинаковой.

В наибольшей степени указанным требованиям отвечают так называемые линейные растры, формируемые с помощью линейных разверток. В телевидении широкое распространение получили два типа линейных разверток – построчная и чересстрочная. На рисунке 1.7, а изображен для примера построчный растр с числом строк z = 5; штриховыми линиями показан обратный ход развертки.

Рисунок 1.7 – Построчная развертка

Здесь же приведены соответствующие данному растру законы строчной X(t) (рисунок 1.7, б) и кадровой Y(t) (рисунок 1.7, в) разверток. Из рисунка видно, что за время кадра Т _к разлагающая апертура совершает пять (по числу строк z) полных циклов строчной развертки с периодом T _c. За счет кадровой развертки каждая последующая строка сдвигается по вертикали на величину d – шаг разложения. После окончания текущего кадра начинается следующий, который в точности повторяет предыдущий (по форме растра). Следует отметить, что оптимальный размер разлагающей апертуры при построчной развертке в двух взаимно перпендикулярных направлениях (горизонтальном – по строке и вертикальном – по кадру) равен шагу разложения d. Параметром изображения является также формат кадра k, определяемый по формуле

(1.29)

где l _p - ширина растра; h _p - высота растра. При использовании построчной развертки частота вспышек ТВ экрана равна частоте кадров, которая из условия незаметности мельканий должна выбираться в соответствии с выражением (1.21).

Принцип формирования чересстрочной развертки поясняет рисунок 1.8, а – в для случая z = 5.

Рисунок 1.8 – Чересстрочная развертка

При чересстрочной развертке каждый кадр разбивается на два одинаковых по длительности поля (полукадра) с периодом Т _п =Т _к /2. Чересстрочный растр возможен при нечетном z, при этом строки четного поля (с номерами 2 и 4 на рисунке 1.8, а) располагаются в середине промежутков между соседними строками нечетного поля, образуя за два поля растр на z строк с результирующим шагом разложения d, равным размеру апертуры. При четном z строки четного и нечетного полей совмещаются, в результате образуется построчный растр с числом строк разложения z/2. В вещательных системах телевидения используется исключительно чересстрочная развертка, так как она позволяет, не снижая качества изображения, уменьшить вдвое верхнюю граничную частоту f _в спектра видеосигнала.