книги / Микропроцессоры в телевидении
..pdfПо признаку величины Ат группу относят к одному из пяти клас сов Si {1= 1...5): Xm ^Su если 3; xm<=S2, если 4< Л т ^ 8 ; xme S 3, если 9 ^ Л т ^ 1 6 ; xme S 4, если 17<Лт <32; xme S 5, если
Подпроцессор 2 определяет значения межэлементных разнос
тей U со средним |
элементом х3. При этом если xme S 3, то зна |
|
чение х3 округляется до |
шести двоичных разрядов, а если хт е |
|
е $ 4. S5 — то до |
пяти |
разрядов. Вычисления проводят по сле |
дующему алгоритму. Вначале определяют значения межэлемент
ных разностей е2—х2—х3 и |
е4=х4—х3, затем |
значения е2 и е4 |
||
квантуются (см. рис. 3.13): |
|
|
||
ei = sign(ei) (pl |e£|, |
|
(3 .4) |
||
где ф/|е*| |
берется из специальной таблицы [53]. |
|
||
Затем |
определяют оценки |
х2=х3+ё2, ё4=х3+ё4) с помощью |
||
которых вычисляют |
|
|
||
е1 = х1 — х2, |
е6 = х6 — х4. |
|
(3 .5) |
|
Так как при вычислении ех и es учитываются ошибки кванто |
||||
вания 62= 62—е2 |
и 64= 64—ё4, |
то уменьшается |
видность шумов |
квантования и повышается устойчивость системы кодирования к флуктуационным шумам датчика аналогового телевизионного •сигнала.
Г р у п п о в о е к о д и р о в а н и е . Сокращение избыточности при кодировании ТВ сигналов достигается методами группового кодирования, которые основаны на одновременном кодировании групп элементов — фрагментов (участков) изображений. Эти ме тоды можно разделить на две большие группы [53]. Первую со ставляют методы группового кодирования с преобразованием.
Осуществляются обратная математическая операция (преобразо вание) над множеством отчетов сигнала изображения и в даль нейшем кодирование некоторых чисел (трансформант, коэффи циентов), однозначно описывающих это преобразование. Струк турная схема такого метода кодирования показана на рис. 3.14.
Другую группу составляют методы адаптивного группового кодирования, для которых исходным положением является сог ласование со свойствами зрительного восприятия изображений в основном с таким, как способность зрительного аппарата чело века адаптироваться к локальной освещенности участков изобра жения [53].
Основные устройства, реализующие групповое кодирование,— это запоминающие и арифметические блоки управления и вспо могательные узлы. По составу они напоминают микроЭВМ, по этому их удобно реализовывать на основе МП систем. Исполь зуют преобразование Фурье, косинус- и синус-преобразования, преобразования Уолша—Адамара [60], Хаара [61], «наклонное> ;[62] и Карунена—Лоэва [58]. В результате преобразований об-
101
Рис. 3.14. Структурная схема системы, основанной на методе группового ко дирования с преобразованием
разуется некоррелированная матрица коэффициентов (трансфор мант).
При этом число относительно больших трансформант невели ко, что позволяет эффективно их квантовать и кодировать. От бираются трансформанты для передачи обычно одним из двух методов. Согласно первому передают те из них, которые соответ ствуют низким пространственным частотам, согласно второму пе редают те трансформанты, чья амплитуда превышает заданный порог.
При разработке МП систем кодирования с преобразованием следует учесть следующее. Для большинства преобразований су ществуют быстрые алгоритмы, примером которых служит алго ритм быстрого преобразования Фурье (БПФ). Близкие к опти мальным преобразования Адамара и Хаара реализуются без опе рации умножения, но здесь важно выбрать размеры фрагмента изображения. Как правило, размер фрагментов 8x8, 16x16 или 32X32 элемента (отсчета). Можно ожидать выигрыш при при менении фрагмента 256x256 отсчетов, однако такой большой фрагмент усложняет устройство кодирования.
Устройство кодирования, реализующее метод, соединяющий дискретное ко синусное интегральное преобразование с ДИКМ, можно построить на МП эле ментах. При этом достигается скорость передачи ТВ сигнала 0,8 Мбит/с, а пря
102
допущении некоторого ухудшения качества изображения н 0,4 ...0,2 Мбит/с. Поступающий на вход цифровой телевизионной системы аналоговый видеосиг нал дискретизируют, квантуют на 256 уровней и преобразуют в двоичный код. Затем каждую строку преобразованного сигнала разделяют на одинаковые 32* элементные блоки. После этого блоки подвергают косинусному преобразованию, определяя коэффициенты преобразования:
31 |
|
|
(3.6) |
2 2 ffic o s[(/+ l/2 )* ei, |
|
||
/=о |
|
|
|
где А=0—31; 0=2я/64; £< — элементы блока. |
|
||
Далее коэффициенты |
Ch кодируют |
методом межстрочной Д И К М |
в соот |
ветствии с выражениями |
|
|
|
G<n>= # (х) + a G |
х = G(^ - |
a G ^ , |
(3.7) |
где п — номер строки; а — весовой коэффициент; G^"-') — предсказанное значение k-то элемента блока коэффициентов в <(л—1)-й строке; х — ошибка предсказания; R{x) — квантованное значение ошибки предсказания.
На следующем этапе ошибки предсказания перекодируются канальными кодами и через буферное ЗУ поступают в канал связи.
Результаты экспериментов по кодированию изображения С4, передаваемого по каналам вещательного ТВ, продемонстрирова ли, что наилучшее качество при оценке его субъективным мето дом дает кодирование с преобразованием Адамара при размере
фрагмента 16x16 элементов [53]. |
к о д и р о в а н и е . Большой |
А д а п т и в н о е г р у п п о в о е |
интерес с точки зрения реализации с помощью МП систем пред ставляет адаптивное групповое кодирование. Оно основано на том, что ТВ изображение нестационарно и статистически неодно родно. Поэтому кодировать его и добиться высокого качества различных ТВ изображений можно только при условии приспосабливаемости (адаптации) методов и параметров кодирования к существующему на данный момент передачи виду ТВ изобра жения. Кроме того, методы кодирования целесообразно разраба тывать с учетом свойств и особенностей функционирования зри тельного анализатора человека, что и делается при разработке бионического подхода к групповому кодированию [3, 66—68].
Алгоритмы адаптации подразделяют на две группы. Первую составляют алгоритмы, позволяющие получить постоянную вы ходную скорость передачи цифрового сигнала (при этом меняют ся адаптивно другие параметры кодирования), вторую — алго ритмы, приводящие к изменению во времени этой скорости пере дачи. При использовании второй группы алгоритмов приходится применять на выходах устройства кодирования буферы для вы равнивания выходной скорости передачи сигнала. Пример струк турной схемы аппаратуры, реализующей алгоритмы с буфером, показан на рис. 3.15.
Наиболее сложно при адаптивном кодировании выбрать кри терий, по которому классифицируются фрагменты изображений,
|
|
Вычислитель |
|
|
|
статистических |
|
|
|
характеристик ТВ |
|
|
|
изображения |
|
|
|
Формирователь |
|
|
|
управляющих сигналов |
|
управления кодером |
Сигнал управления, |
||
декодером |
|||
|
|
||
Кодер |
Буфер |
Формирователь |
|
выходного сигнала |
|||
|
|
||
Декодер |
ч[ Буфер |
Передатчик | |
Формирование
управляющего
сигнала
Рис. 3.15. Структурная схема кодирующего устройства с буфером
и построить алгоритмы и устройства этой классификации. Раз делять фрагменты можно, например, по суммарной энергии его сигнала, сумме логарифмов трансформант, дисперсии трансфор мант и др. В классификаторе, использующем фиксированные за ранее выбранные пороги, каждый фрагмент классифицируется по его абсолютной энергии и независимо от распределения энергии соседних [103]. На рис. 3.16 приведен алгоритм процедуры клас сификации, который может быть реализован МП системой.
К малым фрагментам изображения может быть применен ме тод рекурсивного, адаптивного кодирования с управляемой обрат ной связью в последующем буфере. Это приводит к самосогла-
104
Рис. 3.16. Алгоритм процедуры классификации:
В — искажение; пк — число фрагментов, относящихся к ft-му классу в соответствии с их
энергией; bj j |
— число двоичных символов для |
траксфорл|аиты ij в классе ft |
|
сующейся |
процедуре кодирования |
с предсказанием |
[103]. На |
рис. 3.17 |
приведен алгоритм определения искажения |
D для не |
замкнутой процедуры. На рисунке использованы следующие обо
значения: |
R —s |
скорость передачи по каналу; R (0 — текущая |
скорость; |
C(t) |
— крутизна кривой зависимости D от R\ D{t) ~ |
•оценка D в момент t\ N — объем буфера; п — число бит, пере даваемых за период A; B{t) — положение нормирующего буфе ра, начальное состояние которого устанавливается отдельно.
Для первого кодируемого фрагмента определяют искажение А>, которое соответствует заданной средней скорости передачи Цифрового сигнала. «Анализатор» старается удержать смещение В буфера в пределах его объема. Отсюда следует, что макси мальными отклонениями от заранее обусловленной скорости мож-
105
Рис. 3.17. Алгоритм определения D
но пренебречь, если размеры изображения значительно превос ходят объем последующего буфера. Описанная процедура весьма адаптивна к локальной структуре изображения [103].
Бионический подход к групповому кодированию основан на моделировании процесса восприятия визуальной информации зри тельным анализатором человека. Алгоритм такого кодирования заключается в следующем {53].
Выбирают из каких-либо соображений размер фрагмента изо бражения п Х р элементов 6ij (возможно, п Ф р ) , индексы i, j обозначают положение элемента на одновременно кодируемом
участке |
изображения (фрагменте). Элементы bij образуют |
мат |
рицу |
|
|
Х = 1М - |
(3.8) |
|
Проводят усреднение: каждый элемент Ьц заменяют средним |
||
по группе значением яркости |
|
|
|
|
(3.9) |
где |
пР м 1=1^ ь“- |
|
106
Совокупность матриц Х<1> образует новое изображение пони женной четкости. Далее образуют матрицы ошибок и знаков оши бок
Rm = |
Ы |
- |
\ь>, - |
Я; s<!) - [S,л» \и -Ы1. |
(3.10) |
где U(x) |
|
О |
при |
х < 0; |
|
■1: при |
х ^ О . |
|
|||
Число положительных членов матрицы |
|
||||
С{2)— 2 |
2^/. |
|
(3.11) |
||
|
/ = i |
i = i |
|
|
|
Сумма положительных элементов матрицы |
|
||||
О ® - i |
£ s u r„. |
|
(3.12) |
||
/ = 1 1=1 |
|
|
|
|
Сумма отрицательных элементов матрицы также так как Б — среднее значение элементов матрицы X.
На следующем этапе формируют новую матрицу Т® путем за мены положительных элементов матрицы R® на среднее значе
ние положительных ошибок £)(2>/С<2\ |
а отрицательных — на сред |
|
нее значение отрицательных ошибок £><2>/ {пр—СЮ) : |
||
Tn)~D<2)[tu], |
|
(3.13) |
где ta * [1/С<2> при SM - 1 ; |
= 0. |
|
\\1[пр— С(Щ при |
|
Второе приближение для кодируемой группы дается суммой
матриц —. суммой двух изображений: |
|
Х(2>- Х (,)+ Т (2). |
(3.14) |
Как и при кодировании с преобразованием, изображение раз ложено на некоррелированные составляющие. Среднеквадрати ческая ошибка от замены исходной матрицы на сумму матриц сравнима с тем, что получается при кодировании с преобразова нием. Существенным достоинством рассматриваемого метода ко дирования является сохранение естественной структуры сообще ния в составляющих, на которые разложено исходное изображе ние [53].
К о д и р о в а н и е с у с л о в н ы м з а м е щ е н и е м . При пе редаче ТВ изображений С2 с достаточно большой частотой кад ров, как в вещательном телевидении, соседние кадры, как пра вило, мало отличаются друг от друга. На этом основан метод межкадрового кодирования с условным замещением. Для реали зации метода необходимо иметь в координирующем устройстве блок памяти, объемом в ТВ кадр.
Первый кадр после преобразования в цифровую форму в ЦАП запоминается и передается на приемную сторону. Затем следую щий кадр сравнивается с запомненным. Если разница превы-
107
Элементы
предыдущего
кадра
Рис. 3.18. Изображение двух смежных ТВ кадров при чересстрочной разверт ке разложения (буквами обозначены элементы изображения.)
шает заранее заданный порог, то элементы с разными значения ми заменяются в блоке памяти на элементы со старыми значе ниями. На приемную сторону передают координаты этих элемен тов и их новые значения для соответствующей коррекции пре дыдущего кадра. Повторение указанных операций составляет ос нову рассматриваемого способа кодирования. Хорошие результа ты такой метод дает для ТВ систем, предназначенных для пере дачи малоподвижных сюжетов. Кроме блока памяти на кадр на передающей стороне кодирующее устройство должно иметь бу фер для выравнивания скорости передачи сигнала.
Скорость кодирования можно дополнительно уменьшить, если также учесть корреляционные (пространственные и временные) связи этих элементов, расположенных не слишком далеко друг от друга. Для этого рассмотрим изображение двух смежных кад ров (рис. 3.18). Используем метод кодирования с предсказанием. Примеры алгоритмов предсказаний [103] для элементов, обведен ных кружочком, приведены в табл. 3.4.
На рис. 3.19 показана структурная схема межкадрового ко дера с условным замещением, использующего линейное предска зание. Предсказание Рх для каждого элемента х определяется по значениям предыдущих закодированных элементов изображе ния. Затем разностный сигнал х—Рх квантуется и кодируется. Если элемент х относится к изменяющемуся участку ТВ изобра жения, который обнаруживается селектором, цифровой разност-
Таблица 3.4
Передаваемый сигнал
Межкадровая разность Межэлементная разность
Межэлементная разность .межкадровой разности Межстрочная разность межкадровой разности Межполевая разность Межэлементная разность межполевой разности
Предсказание
М
Н
M + H -L M + B -J
H + ( E + S ) / 2 - ( D + R)/2^
10 8
" 1
Селектор меняющейся области
|
Формирователь адреса| |
I |
I |
|
||
|
I |
----- 1---- . |
|^°канал |
|||
|
|
|
|
|
s,»p |
|
|
|
|
|
|
|
связи |
|
|
|
I Цифровой |
1 |
|
|
Кодер ИКМ |
|
|
I разностный |
|
~1 |
|
|
Сигнал |
|
|сигнал |
|
| |
|
| |
изображения |
|
|
|
Ж? |
|
< |
5 |
4 |
|
|||
|
|
|||||
|
t |
t |
t |
|
|
Закодиро- |
|
Линия задержки |
|
|
ванное |
||
|
|
|
изображение |
|||
|
|
|
|
|
|
на кадр с отводами
Рас. 3.19. Структурная схема межкадрового кодера с условным замещением, обрабатывающим элементы меняющейся области изображения с помощью ли нейного предсказания
ный сигнал и информация о координатах (адресе) элемента по ступают в буфер, а значение элемента — в память на кадр для последующего кодирования.
Большая сфера применения МП систем, мини-ЭВМ на МП — моделирование методов кодирования для выбора оптимального по заданным критериям. При этом возникают две задачи: первая — моделировать процесс кодирования как такового и вторая — мо делировать работу звена, воспринимающего результаты кодирова ния, а именно зрительного анализатора человека для определе ния критерия качества кодированного изображения. По резуль татам решения второй задачи можно смоделировать поиск опти мального по выходным параметрам кодирования, чтобы затем искать такой метод, который позволит получить требуемые опти мальные параметры.
109
Глава 4.
МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В ТЕЛЕВИЗОРАХ. ТВ ИГРЫ
4.1. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В СИСТЕМАХ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ КАНАЛОВ, УПРАВЛЕНИЯ, ИНДИКАЦИИ ВРЕМЕНИ
Системы переключения каналов. Одной из сфер применения МП в телевизорах являются блоки настройки на какой-либо канал — системы переключения. Такое применение МП очень экономично. Цифровые системы переключения (ЦСП) можно разделить на три группы: 1 — с синтезатором управляющего напряжения на варакторе гетеродина; 2 — с синтезатором частоты, реализую* щее принципы систем АПЧ с преобразованием частоты; 3 — то же, но с фазовой АПЧ. Назначение МП — генерировать и за поминать постоянные напряжения, подаваемые на варикапы ка налов; включать эти напряжения при касании сенсоров на панели ТВ или на пульте дистанционного управления; обеспечивать инди кацию на экране телевизора номера канала; по требованию пе реключать каналы в порядке номеров; позволять исключать неко торые из них; обеспечивать возможность тонкой настройки, авто матической и ручной; регулировать силу звука.
При разработке ЦСП с МП следует вначале выбрать подхо дящий МП. Как правило, подходящим является МП на 16, 12 и 8 бит. Далее составляют карту логических операций в определен ной последовательности и согласовывают с МП. Так, фирмой «Шарп» (Япония) разработана БИС LR 3790Х для систем настрой ки телевизоров. Интегральная схема позволяет формировать нап ряжения смещения для варикапов настройки телевизора по циф ровым кодам каналов, хранящимся в электрически перепрограм мируемом ЗУ, и аналоговым сигналом автоподстройки и управ ления. Встроенный МП, функционирующий по программе, занесен ной в ПЗУ объемом 4096 9-разрядных слов, вырабатывает цифро вые коды напряжений смещения варикапов, которые преобразу ются в аналоговое напряжение 14-разрядным ЦАП. Аналоговые входные сигналы преобразуются в цифровые коды 4-разрядным АЦП. В МП для служебных целей имеется ОЗУ емкостью 128 4-разрядных слов. Электрически перепрограммируемое ЗУ запол няется пользователем. Его емкость 50 16-разрядных слов. Разра ботанная БИС обеспечивает, кроме того, управление жидкокрис таллическим дисплеем с 48 символами.
В [73] описан всеканальный варакторный переключатель ТВ каналов (ПТК) с программируемым электронным управлением и цифровым индикатором номера канала. Основная БИС ПТК пред ставляет собой цифро-аналоговый синтезатор управляющего нап ряжения, которое подается на варактор ПТК и определяет часто ту его настройки. Он содержит генератор тактовых импульсов с
по