Телевидение Методические указания по выполнению лабораторной работы

Примеры решения задач
контрольной работы
Электротехника
Общая электротехника
Примеры решения задач
Физика
Методичка
Лекции и конспекты
Лабораторные работы
Телевидение лабораторные
Расширенный конспект лекций
по курсу «Физика»
Примеры решения задач по физике
Измерительные системы
Лекции по термодинамике
Двигатели внутреннего сгорания
Механика, термодинамика
Атомная энергетика
Атомные электрические станции
Описание реакторной установки
Реакторы типа РБМК-1000
Физические принципы атомной энергетики
Черчение
Инженерная графика
Сопромат
Выполнение курсовой работы по сопромату
Машиностроительное черчение
Архитектурные стили
Французский стиль в русской архитектуре
Искусство борокко
Готика Франции
Эпоха Возрождения
Романский стиль
Художественная роспись тканей
Ручная роспись тканей
Роспись тканей в Японии
Декоративное искусство Японии
Японские мотивы в тканях модерна
Холодный батик
Математика
Дифференциальные уравнения
Ряды
Интегралы
Примеры вычисления интегралов
Элементарная математика
Высшая математика -
лекции , примеры решения задач
Информатика
Информационная безопасность
Модели управления доступом
Разграничение доступа
Вычислительные комплексы
Учебник по информатике
Общие принципы построения
вычислительных сетей
Основы передачи дискретных данных
Базовые технологии локальных сетей
Построение локальных сетей по
стандартам физического
и канального уровней
Сетевой уровень
Глобальные сети
Средства анализа и управления сетями
Почтовые программы
Примеры скриптов на JavaScript
Примеры программирования на Java
Иллюстрированный самоучитель по Java

Лабораторная работа 10

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИСКРЕТНОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ


Цель работы: изучение процессов дискретизации, квантования и восстановления сигнала изображения в ЦТВС, исследование влияния погрешностей дискретизации и интерполяции на качество изображения.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) – один из самых распространенных цифровых методов передачи информации по каналам связи. Этот метод широко используется и для передачи изображений. Для получения в цифровой телевизионной системе (ЦТВС) сигнала ИКМ производятся временная (пространственная) дискретизация сигнала, его квантование (дискретизация по динамическому диапазону) и кодирование с целью передачи по каналу связи (рис. 10. 1). В приемной части ЦТВС цифровой поток декодируется и преобразуется снова к аналоговому виду путем интерполяции отсчетов.

Дискретизация одномерного сигнала  сводится к умножению его на дискретизирующую функцию  – последовательность -функций, следующих с интервалом временной дискретизации :

.

В результате формируется модулированная последовательность, в которой вес каждой -функции пропорционален входному сигналу. Спектральная плотность (спектр)  функции  также дискретна – с шагом, равным частоте дискретизации .

По теореме о свертке перемножение сигналов  и  во временной области соответствует свертке их спектров в частотной области:

.

Таким образом, спектр дискретизированного сигнала изображения  представляет собой бесконечно повторяющийся (с периодом  спектр исходного (аналогового) сигнала. Если верхняя частота сигнала , то возможно восстановление  при помощи идеального низкочастотного фильтра с прямоугольной частотной характеристикой и частотой среза .

Техническая реализация ЦТВС, однако, исключает соблюдение всех условий теоремы отсчетов, что является причиной искажений восстановленного сигнала. В реальных ситуациях эти искажения сводятся к двум видам:

спектр аналогового сигнала изображения не равен нулю в интервале частот  (рис. 10. 2, б);

при восстановлении используется фильтр с неидеальной частотной характеристикой (рис. 10. 2, г).

В первом случае восстановление сигнала на приемной стороне при помощи идеального фильтра приведет к интермодуляционным искажениям – строб-эффекту из-за появления ложных низкочастотных компонент. Для устранения этих искажений необходимо либо выбирать частоту дискретизации в соответствии с условиями теоремы отсчетов, либо (несмотря на потерю продольной четкости изображения) ограничивать полосу входного сигнала. Можно также учесть дискретный характер спектра телевизионного сигнала для малоподвижных изображений. Частоту дискретизации, при этом, следует выбрать так, чтобы гармоники частоты 25 Гц основного и побочных спектров перемежались друг с другом (рис. 10. 2, в).

Применение специального реконструирующего (гребенчатого) фильтра на приемной стороне позволяет разделить эти спектры и тем самым правильно восстановить исходный сигнал изображения.

Второй род искажений, связанный с восстановлением сигнала неидеальным фильтром (рис. 10. 2, г), вызван биениями высокочастотных составляющих основного и побочного спектра и приводит к так называемому муар-эффекту.

При дискретизации по динамическому диапазону минимальный перепад яркости квантованного сигнала не должен превышать зрительного порогового контраста.

Для воспроизводимого на экране кинескопа изображения макси­мальный контраст составляет около 100, при этом из-за нелинейной контрастной чувствительности глаза число уровней квантования (объем квантования) должно быть не менее 230. (Эта величина может быть представлена 8-разрядным двоичным кодом).

Разница между исходным сигналом и проквантованным на 2n уровней определяет шумы квантования, которые, в зависимости от детальности изображения, проявляются по-разному. На плавных длительных изменениях яркости они приводят к появлению резких перепадов – ложных контуров, отсутствующих в исходном изображении. На малоразмерных деталях шумы квантования практически незаметны даже при малых значениях n.

На практике процедуры дискретизации и квантования выполняются одним устройством – аналого-цифровым преобразователем (АЦП), который фактически производит измерение входного сигнала в фиксированные моменты времени. При необходимости перед АЦП устанавливается фильтр, обеспечивающий подавление частот, превышающих  (рис. 10. 1). На выходе АЦП формируется последовательность цифровых кодов, которые пропорциональны весу d-функций дискретизированного сигнала . Для правильного восстановления сигнала изображения требуется сформировать амплитудно-модулированную последовательность d-функций и пропустить ее через идеальный фильтр. Поскольку эта операция физически нереализуема, то обычно применяют цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который формирует в течение интервала  уровень сигнала, пропорциональный очередному приходящему цифровому коду.

ЦАП может быть рассмотрен как фильтр, импульсный отклик которого равен 1 на интервале дискретизации  и нулю за его пределами. В частотной области это соответствует характеристике вида
(рис. 10. 2, г). Очевидно, что для подавления побочных спектров необходим корректирующий фильтр с частотой среза max, причем в пределах полосы пропускания фильтр должен иметь характеристику, обратную частотной характеристике ЦАП.

10.1. Лабораторная установка

Лабораторная установка (рис. 10. 3) содержит источники телевизионных сигналов, систему ИКМ, видеоконтрольные устройства (ВКУ) и осциллограф. Для исследования процедур обработки сигналов в установке используются тестовые транспаранты с изображениями различной детальности.


В установке сигнал изображения преобразуется (в модуле АЦП) в цифровой код с переменными параметрами пространственной и амплитудной дискретизации и затем восстанавливается в модуле ЦАП.

Блок АЦП содержит видеоусилитель с управляемой схемой фиксации, генератор с изменяемой (в пределах 2...12 МГц) частотой дискретизации и АЦП с варьируемым объемом квантования .

Параллельный двоичный код с выхода АЦП поступает на ЦАП, выходной сигнал изображения с которого подается на ВКУ.

Для визуального определения качества изображений используют экспертные оценки. Балл качества изображения по шкале оценки качества устанавливается экспертом субъективно на основе наблюдения только принимаемого изображения. Для сравнительной оценки исходного и прошедшего тракт ИКМ изображений применяется шкала снижения качества:

Шкала оценки качества

5 баллов – отличное качество;

4 балла – хорошее качество;

3 балла – удовлетворительное;

2 балла – плохое;

1 балл – неприемлемое качество.

Шкала снижения качества

5 баллов – искажения незаметны;

4 балла – заметны, но не мешают;

3 балла – заметны, слабо мешают;

2 балла – заметны, мешают,

1 балл – заметны, сильно мешают.

10.2. Программа экспериментальных исследований

10.2.1. Подготовка к выполнению работы

До выполнения работы необходимо предварительно изучить рекомендуемую литературу [3], [9], [5, лабораторная работа № 12] и по заданию преподавателя определить установочные параметры лабораторного макета: номинальную частоту дискретизации и объем квантования. Рассчитать информационную емкость ЦТВС с ИКМ и требуемую пропускную способность канала при выбранных параметрах [9].

Студентам рекомендуется оформить результаты своей подготовки в виде материалов к отчету, содержащих структурную схему установки и ожидаемые результаты в виде расчетов, оценочных значений, ожидаемых осциллограмм и т.п.

10.2.2. Порядок выполнения работы

Подать на вход макета линейно изменяющийся сигнал с генератора Г6-8, установить на макете номинальные частоту дискретизации и объем квантования. Снять осциллограммы сигналов в контрольных точках макета.

Снять осциллограммы выходного сигнала ЦАП при изменении объема квантования (2, 4, 8, 16, 32, 64 градации).

Для оценки качества изображения в ЦТВС подать на вход макета сигнал с телевизионной камеры. Установить перед камерой тестовое изображение среднего плана.

При номинальной частоте дискретизации произвести экспертную оценку изображения ближнего плана (крупная структура) для различных объемов квантования. Построить график зависимости оценки по шкале снижения качества от объема квантования.

Произвести экспертную оценку изображения для различных частот дискретизации (2, 4, 8, 12 МГц) и при номинальном объеме квантования. Построить график зависимости экспертной оценки от частоты дискретизации.

Повторить измерения по пп. 5, 6 для изображения дальнего плана (мелкая структура).

Физика, электротехника решение задач