Первой операцией процесса цифрового кодирования аналогового ТВ сигнала является его дискретизация, которая представляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U(t) последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой лежит теорема Найквиста-Котельникова. Частота дискретизации f, выбранная в соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова, равна: f = 2f, где f - верхняя граничная частота спектра ТВ сигнала. (Для отечественного вещательного ТВ стандарта f = 6,25 МГц).

В системах цифрового телевидения с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) частоту дискретизации f выбирают несколько выше минимально допустимой, определяемой теоремой Найквиста-Котельникова. Связано это с условием отсутствия перекрытия побочных спектров в спектре дискретизированного сигнала, обеспечивающего гарантированное исходное качество сигнала при его обратном преобразовании в аналоговую форму с помощью низкочастотной фильтрации. Поэтому при верхней граничной частоте f - 6,25 МГц f должна выбираться не менее 12,5 МГц.

Выбор f во многом зависит от вида структуры отсчетов, т.е. от относительного их положения на ТВ экране, которая может быть фиксированной (отсчеты располагаются на одних и тех же позициях в соседних кадрах) или подвижной (отсчеты меняют свое положение). Искажения, возникающие в процессе дискретизации, менее заметны в фиксированных структурах дискретизации. Различают следующие виды фиксированных структур дискретизации: строчно-шахматную, кадрово-шахматную и ортогональную. В строчно-шахматной структуре используется строчное чередование точек, образованное в результате сдвига на половину интервала дискретизации отсчетов соседних строк данного поля. Кадрово-шахматная структура образуется путем сдвигаотсчетов соседних полей на половину интервала дискретизации. Практическое применение получила фиксированная ортогональная структура, отсчеты которой расположены на ТВ экране вдоль вертикальных линий периодично по строкам, полям, кадрам. Позволяя суммировать соседние поля чересстрочного разложения без потери разрешающей способности по горизонтали и вертикали, ортогональная структура дискретизации идеальна для выполнения различных интерполяций в преобразователях стандартов, аппаратуре видеоэффектов, устройствах сокращения избыточности информации. Это обстоятельство явилось основным при выборе ортогональной структуры для базового стандарта цифрового кодирования.

Ортогональная структура отсчетов получится при выборе частоты дискретизации, кратной частоте строк. При этом следует учитывать, что в ТВ вещании еще долго будут использоваться основные стандарты разложения 625/50 и 525/60. В связи с этим параметры цифрового кодирования ТВ сигнала необходимо согласовывать с двумя стандартами разложения. Последнее обусловливает следующее требование: f должна быть кратна частоте строк систем с разложением на 525 и 625 строк. С другой стороны, эта частота должна быть по возможности низкой, чтобы не увеличивать скорость передачи цифрового потока. Наименьшее кратное двум значениям строчной развертки f(625) = 15625 Гц и f(525) =15734,266 Гц соответствует значению частоты 2,25 МГц. Поэтому для дискретизации ТВ сигналов подходят частоты 11,25, 13,5 и 15,75 МГц, кратные 2,25 МГц (множители 5, 6 и 7). Из них выбрана частота 13,5 МГц, поскольку это значение является единственным, которое обеспечивает перечисленные выше требования. Оно дает возможность получить 864 отсчета в строке с разложением на 625 строк и 858 отсчетов при разложении на 525 строк. За процессом дискретизации при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Квантование заключается в округлении полученных после дискретизации мгновенных значений отсчетов до ближайших из набора отдельных фиксированных уровней. Квантование представляет собой дискретизацию ТВ сигнала не во времени, а по уровню сигнала U(t).

Фиксированные уровни, к которым "привязываются" отсчеты, называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала U(t) уровнями квантования на отдельные области значений, называемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Следствием этого становится появление в сигнале специфических шумов, называемых шумами квантования. Ошибки квантования или шумы квантования на изображении могут проявляться по-разному, в зависимости от свойств кодируемого сигнала. Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изображении в виде ложных контуров. В этом случае плавные яркостные переходы превращаются в ступенчатые, и качество изображения ухудшается. Наиболее заметны ложные контуры на изображениях с крупными планами. Этот эффект усугубляется на подвижных изображениях. Когда собственные шумы аналогового сигнала превышают шаг квантования, искажения квантования проявляются уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно распределенные по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигнала как бы подчеркиваются, изображение в целом начинает казаться более зашумленным.

Обычно используется линейная шкала квантования, при которой размеры зон одинаковы.

Число уровней квантования, необходимое для высококачественного раздельного кодирования составляющих цветового ТВ сигнала, определяется экспериментально. Очевидно, что с ростом этого числа точность передачи уровневой информации возрастает, шумы квантования снижаются, но при этом растет информационный поток и расширяется необходимая для передачи полоса частот. С другой стороны, при заниженном числе уровней квантования ухудшается качество изображения из-за появления на нем ложных контуров. Кроме того, слишком велики, а потому и заметны шумы квантования. Недостаточное число уровней квантования особенно неприятно сказывается
на цветных изображениях. В этом случае шумы квантования проявляются в виде цветных узоров, особенно заметных на таких сюжетах, как лицо крупным планом, на плавных перепадах яркости.

Пороговая чувствительность глаза к перепадам яркости в условиях наблюдения, оптимальных для просмотра ТВ передач, по экспериментальным данным около 1%, а это значит, что два соседних фрагмента изображения, отличающихся по яркости на 1% воспринимаются как раздельные части изображения. Таким образом, кодирование сигнала яркости с числом уровней квантования меньшим или равным 100 ведет к появлению на изображении ложных контуров, что заметно ухудшает его качество. Следовательно, ближайшее число S двоичных символов (битов) в каждой кодовой комбинации, при которой ложные контура не видны, будет равным 7 (S = 7). Чтобы сделать оптимальный выбор значения S, следует оценить уровень шумов квантования, для количественной оценки влияния шумов квантования на качество ТВ изображения целесообразно использовать специальный параметр - отношение сигнал-шум квантования Y, дБ.

В случае линейной шкалы квантования, отношение сигнал-шум квантования Y, дБ определяется следующей известной формулой

Y, дБ = 20 lg= 6,02S + 10 lg12 6S + 10,8,

где - шаг квантования; m - число уровней квантования; S - длина кодового слова, т.е. число бит, с помощью которых можно записать в двоичной форме любой номер уровня квантования до m включительно (m = 2); m - размах сигнала, подвергаемого квантованию; / - результирующее напряжение шума квантования.

Если S = 7, то , дБ = 52,8 дБ. Очевидный недостаток семиразрядного квантования заключается в близости к порогу по шумам квантования и ложным контурам. Дальнейшие исследования показали, что для высококачественного раздельного кодирования ТВ сигнала необходимо, как минимум, 8-битовое квантование. Фактически используются не все 256 уровней 8-разрядного квантования (от 0 до 255), а несколько меньше. Обычно не используют полный динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя (АЦП), если существует опасность его превышения в процессе эксплуатации. На практике превышение динамического диапазона АЦП может возникать из-за эксплуатационной нестабильности уровня видеосигнала, появления выбросов при использовании фильтров с резким ограничением амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), переходных процессов схемы фиксации уровня и др. Учитывая это, для аналого-цифрового преобразования видеосигнала предложено выделить только 220 уровней, а уровню черного и номинальному уровню белого поставить в соответствие уровни 16 и 235. Таким образом, предусматривается запас в 16 уровней "снизу" и 20 уровней "сверху" при положительной полярности видеосигнала. Это различие учитывает неодинаковость восприятия возникающих помех дискретизации на черном и белом. Результаты вышеназванных исследований вошли в Рекомендацию Международного консультативного комитета по радио (МККР) 11/601, разработанную в 1982 г. для цифрового телевидения, в которой приводятся значения основных параметров цифрового кодирования ТВ сигнала для АСК телецентров, работающих со стандартом разложения как на 625 строк, так и на 525. После вхождения МККР в состав Международного союза электросвязи (МСЭ) данная Рекомендация получила обозначение МСЭ-Р601. В соответствии с этой Рекомендацией предложено осуществлять раздельное кодирование яркостного Е и цветоразностных сигналов Е и E. Причем для сигнала Е частота дискретизации выбрана 13,5 МГц. С учетом необходимости образования общего цифрового потока и фиксированной структуры отсчетов, выбранная частота дискретизации цветоразностных сигналов равна половине частоты дискретизации сигнала яркости, т.е. 6,75 МГц. Поэтому стандарт цифрового кодирования условно обозначается соотношением 4:2:2, что отражает соотношение частот дискретизации сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов, а также одновременность их передачи. При этом яркостный и цветоразностные сигналы подвергаются 8-разрядному квантованию, т.е. S=8. Рекомендация МСЭ-Р601 учитывает, что исходные аналоговые сигналы Е, Е, Еявляются гамма-корректированными, т.е. их получают путем матрицирования гамма-корректированных цветоделенных сигналов Е, Е, Евидеодатчика. Обработка негамма-корректированных видеосигналов требует увеличения разрядности квантования по крайней мере до 11 бит, чтобы избежать заметности помех квантования в области черного. При использовании стандарта цифрового кодирования 4:2:2 путем объединения цифровых потоков яркостного и цветоразностных сигналов в случае S = 8 суммарная скорость передачи цифровой информации равна 216 Мбит/с.

На практике внедрение стандарта цифрового кодирования 4:2:2 уменьшает отличие между основными стандартами разложения 625/50 и 525/60 и обеспечивает более высокий уровень их совместимости. Это достигнуто унифицированием длительности активной части строки в двух системах развертки и выбором одинакового числа отсчетов на активной части ТВ строки: для сигнала яркости 720 отсчетов, а для каждого из цветоразностных сигналов - по 360 отсчетов. Для получения более высокого качества изображения необходим стандарт с использованием широкополосных сигналов основных цветов R, G, В (или сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов) и частоты дискретизации не ниже 13,5 МГц для каждого из них (условное обозначение 4:2:2). Скорость цифрового потока при этом стандарте составит 324 Мбит/с. Предусмотрена возможность применения стандарта более низкого уровня (например, для комплексов видеожурналистики) с условным обозначением 2:1:1 (частоты дискретизации соответственно равны 6,75 МГц и 3,375 МГц). Таким образом, создается иерархия (семейство) совместимых стандартов цифрового кодирования. Требование совместимости семейства стандартов цифрового кодирования заключается в сравнительно простом переходе от одного стандарта к другому. Если учесть, что все стандарты базируются на ортогональной структуре дискретизации, то, например переход от стандарта 4:4:4 к 4:2:2 получается отбрасыванием каждого второго отсчета цветоразностных сигналов, а переход от стандарта 4:2:2 к 4:1:1 осуществляется отбрасыванием каждых трех отсчетов (рисунок 9.1). Аналогично переход от стандарта 4:1:1 к стандартам 4:2:2 и 4:4:4 будет заключаться в восстановлении недостающих отсчетов цветоразностных сигналов.

Рисунок 9.1. Графическое представление стандартов цифрового кодирования телевизионного сигнала

Современный прогресс технологии интегральных микросхем позволил начать промышленный выпуск 10-разрядных АЦП и ЦАП для кодирования и декодирования ТВ сигналов, что дает возможность разработчикам студийной ТВ аппаратуры особо высокого класса качества перейти от 8-разрядного к 10-разрядому кодированию. В данном случае одним из ключевых моментов является уровень шума квантования. Видеосигнал с 8-битовым квантованием может иметь отношение сигнал-шум, равное 58,8 дБ, с 10-битовым квантованием - до 70,8 дБ. При этом следует учесть, что в некоторых аналоговых устройствах отношение сигнал-шум уже достигает 65 дБ. Это и определяет соответствующие требования к цифровому оборудованию. Кроме того, по ряду ответственных операций, например, микширования, рир-проекции, монтажа 8-битовое квантование не обеспечивает требуемого качества, а в некоторых случаях, например, в цифровых ТВ камерах, необходимо даже 14-битовое квантование.

В настоящее время десятибитовые цифровые видеомагнитофоны уже выпускаются в ряде стран, а в ближайшем будущем 10-битовое квантование будет являться одним из основных требований в ТВ производстве и вещании. Поэтому в последних редакциях международных документов (1994, 1995 гг.) предусматривается использование совместимых систем цифрового кодирования с 10- и 8-битовыми кодовыми словами. При этом предполагается, что 10-битовые системы цифрового кодирования в конечном итоге придут на смену и полностью заменят существующие в настоящее время 8-битовые. В результате это приведет к увеличению в 1,25 раза скорости передачи цифровой информации в цифровом телевидении (до 270 Мбит/с). Разрабатываемые системы ТВЧ имеют примерно удвоенную разрешающую способность по вертикали и, как минимум, удвоенную разрешающую способность по горизонтали. К настоящему времени для целей студийного производства (в АСК) и ТВ вещании предложено два стандарта: 1125/60/2:1 и 1250/50/2:1. Непосредственно для производства и международного обмена программами ТВЧ предлагаются стандарты: 1080/25/1:1, 1080/30/1:1, 1080/50/1:1, 1080/60/1:1, 1080/50/2:1, 1080/60/2:1. Кроме того, в последнее время предложен стандарт 1080/24/1:1, который использует частоту кадров 24 Гц при прогрессивной развертке. Следует заметить, что подобная частота смены кадров применяется в кинематографе. Поэтому, благодаря этому стандарту, электронная и киноверсия кинофильма совпадают, что облегчает международный обмен кинопрограммами, которые редактируются в электронном виде и могут передаваться по цифровым каналам связи. Таким образом, на основе цифровых технологий впервые удалось эффективно объединить интересы ТВЧ вещания и массового электронного кинематографа.

Использование цифровых методов в ТВЧ позволило во многом унифицировать множество предложенных стандартов за счет применения единого формата (16:9) изображения ТВЧ, предусматривающего 1080 активных строк в кадре с чересстрочным или прогрессивным разложением при 1920 отсчетах в активной части строки для яркостного сигнала (для цветоразностных сигналов число отсчетов в активной части строки установлено равным 960). Предполагается переключаемая частота кадров 24, 25, 30 кадров в с при частоте полей 50/60 полей в с. (Рекомендация МСЭ-Р ВТ.709.3, принятая в июне 1999 г.). Формат 16:9 означает формирование квадратной структуры отсчетов, что соответствует квадратным элементам изображения на экране, обычно используемым в компьютерной технике.

Разработка Рекомендации МСЭ-Р ВТ.709-3 впервые в мировой практике позволяет создать единую линейку студийного цифрового оборудования, удовлетворяющего требованиям видео и кинопроизводства, а также международного обмена передачами ТВЧ. Основные параметры цифрового кодирования вещательных стандартов ТВЧ, согласованные в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.709-3, приведены в таблице 9.1.

Таблица 9.1. Параметры цифрового кодирования вещательных стандартов ТВЧ

Наименование параметра	Значения основных параметров
	1125/60/2:1	1250/50/2:1
Частота дискретизации сигнала яркости E, МГц	74,25 (332,25)	72 (322,25)
Частота дискретизации цветоразностных сигналов E, E, МГц	37,125 (33/22,25)	36 (33/22,25)
Вид кодирования	Линейное, 8 или 10 бит для каждого сигнала	Линейное, 8 или 10 бит для каждого сигнала
Скорость результирующего цифрового потока при 8-битовом кодировании, Мбит/с	1188	1152
Скорость результирующего цифрового потока при 10-битовом кодировании, Мбит/с	1485	1440

Выбор значений частоты дискретизации яркостного сигнала в разных вещательных стандартах, кратных частоте 2,25 МГц, обеспечивает ортогональную структуру дискретизации, удобную для пространственной обработки изображений.

Таким образом, при реализации цифровых способов кодирования ТВ изображений, основанных на классической ИКМ, необходимо оперировать с высокой скоростью цифрового потока, достигающей нескольких сотен или даже полутора тысяч (в случае ТВЧ) Мбит/с и это рождает много проблем как при передаче видеоданных по каналам связи, так и при их обработке, например, консервации, т.е. записи. Снизить указанные скорости цифрового потока позволяют методы эффективного сокращения объемов психофизиологической и статистической избыточности составляющих видеоинформации, например, разработанные на их основе способы видеокомпрессии, являющиеся ключевыми процессами цифровых технологий.

В конце 70-х годов значительным прорывом в технике цифрового кодирования видеосигналов в режиме реального времени стало появление первой эффективной системы цифрового сжатия с использованием дискретно-косинусного преобразования (ДКП). В середине 80-х годов появились кремниевые микропроцессоры, позволившие увеличить вычислительную мощность и уменьшить габариты процессоров - вычислителей, которые используются при цифровом преобразовании ТВ сигналов.

В ранних системах цифрового сжатия использовались разные способы формирования мультиплексированного цифрового потока, содержащего видео, звукоданные и данные других служб. Это означало, что ни одна из первых систем цифрового телевидения не могла совместно работать с другими системами, что явилось главным ограничением для их практического внедрения. Постепенно специалистами телевещания была осознана необходимость устранения этого серьезного ограничения, в результате чего был разработан стандарт компрессии звуковых и видеосигналов МРЕG-2, обеспечивающий взаимную работоспособность ТВ аппаратуры различных цифровых стандартов.