Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные особенности современног оцифрового телевидения 10
1.1. Предпосылки к появлению цифрового телевидения 10
1.2. Преобразование аналогового телевизионного сигнала в цифровую форму 15
1.3. Избыточность ТВ изображения и еёустранение 19
1.4. Структура цифрового потока, определяемая стандартом MPEG-2 33
1.5. Выводы по первой главе 44
Глава 2. Современые стандарты цифрового телевизионного вещания и возможности их использования в респулике йемен . 45
2.1. Стандарт наземного цифрового телевидения ATSC 46
2.2. Обработка данных и сигналов в системе ATSC 49
2.3. Система наземного цифрового телевидения DVB-T 57
2.4. Обработка данных и сигналов в системе DVB-T 63
2.5. Выводы по второй главе 67
Глава 3. Обоснование выбора стандарта цифрового телевизионного вещания для республики йемен 69
3.1. Анализ факторов, определяющих выбор стандарта 69
3.2. Сравнительные характеристики стандартов DVB и ATSC 70
3.3. Обоснование выбора стандарта цифрового телевизионного вещания 80
3.4. Перспективы и предложения по внедрения системы цифрового телевидения в республике Йемен 85
3.5. Выводы по третьей главе 96
Глава 4. Оценка качества устройств обработки изображения в тв каналах с компрессией 98
4.1. Искажения и дефекты изображения после компрессии-декомпрессии. 98
4.2. Методы оценки качества дискретизованных изображений 100
4.3. Меры качества дискретизованных изображений 106
4.4. Верность воспроизведения цветных изображений 123
4.5. Формализация методики оценки качества компрессированных изображений 131
4.6. Выводы по четвертой главе 144
Общие выводы 145
Литература 147
Приложения 158
- Преобразование аналогового телевизионного сигнала в цифровую форму
- Система наземного цифрового телевидения DVB-T
- Сравнительные характеристики стандартов DVB и ATSC
- Методы оценки качества дискретизованных изображений
Введение к работе
Телевидение сегодня - это часть нашей жизни, неразрывно связанная с реальностью, влияющая на нее и зависящая от нее. Возрастающие требования к техническому качеству ТВ изображения, дальнейшее совершенствование технологии ТВ вещания приводят р необходимости изыскания новых эффективных методов создания, консервации, передачи и приема сигналов телевизионных программ. В течение многих лет в телевидении использовался аналоговый ТВ сигнал, который на выходе преобразователя светосигнал является электрическим аналогом изображения. Поэтому основные требования к передаче ТВ сигналов сводятся к обеспечению их минимальных искажений. В последние годы, как в Йемене, так и за рубежом все большее внимание уделяется цифровому телевидению.
От качества телевизионного изображения напрямую зависит достоверность восприятия подаваемой зрителю информации. Частотные диапазоны, доступные для массового вещания, в большинстве случаев заняты.
Цифровые ТВ сигналы несут гораздо больше информации, чем аналоговые, а занимают всего лишь часть их стандартной частотной полосы. Цифровые телевизионные сигналы могут надежно передаваться при более низкой мощности несущей, и приниматься с полным разрешением даже при плохих условиях приема сигнала. Более того, сигналы цифрового телевидения могут принадлежать и различным стандартам и форматам изображения - от обычного до изображений высокой четкости. Ко всему вышеперечисленному стоит добавить возможность параллельной передачи дополнительной информации.
Сейчас в ряде стран идет активный процесс внедрения систем цифрового телевидения. В настоящее время разработаны, экспериментально исследованы и введены в эксплуатацию следующие системы цифрового телевидения: европейская DVB, американская ATSC и японская ISDB.
Прошло уже несколько лет с момента принятия стандартов и начала практического применения цифрового спутникового и кабельного телевидения. Почему же наземное цифровое телевидение привлекает такое широкое внимание. Операторы спутникового и кабельного телевидения более или менее свободны в выборе стандарта вещания, а введение наземного телевидения требует решения проблем, связанных с распределением частотного диапазона, с взаимодействием с другими службами и системами связи и, следовательно, со строгим правительственным регулированием. Поэтому стандарты наземного телевизионного вещания принимают страны или группы стран, а на решения такого масштаба неизбежно оказывают влияние политические и экономические факторы. Особенности стандартов значительно влияют на использование частотного диапазона.
Страны собирающиеся переходить к цифровому телевидению, тщательно изучают различные стандарты перед принятием решения. Результаты исследований, проводимых в национальных масштабах, конечно, интересны не только технической общественности.
Сегодня наземное телевидение представляет собой весьма сложную систему. Аналоговое вещание появилось так давно, что смесь телевизионных служб и технических инфрастуктур в каждой стране образует уникальное сочетание, в чем-то подобное национальному фольклору. Технические причины в таком своеобразии играют важную роль, но определяющими являются исторические, географические и политические факторы. Частотный диапазон, в котором ведется наземное вещание, близок к насыщению. Например, в странах Европы используется более 70 тысяч телевизионных передатчиков, многие из которых работают в метровом диапазоне. На частоте одного канала может работать до тысячи передатчиков. В таких условиях введение новых служб наземного цифрового телевизионного (НЦТ) вещания является нетривиальной задачей.
Есть несколько серьезных аргументов в пользу сохранения наземного телевизионного вещания.
• Зрители, которые смотрели лишь программы наземного аналогового телевидения, не должны устанавливать антенны спутникового телевидения и подключаться к сети кабельного телевидения после введения цифрового вещания.
• Прием на переносные телевизионные приемники или на комнатную антенну отвечает за значительный сегмент рынка услуг телевизионного вещания. Наземное телевидение единственный способ доставки телевизионных программ к портативным переносным телевизорам и к приемникам, установленным на транспортных средствах.
• Наземное цифровое телевизионное вещание может оказаться важным фактором ускорения замены аналоговых телевизоров на цифровые и сокращения переходного периода совместного существования аналогового и цифрового телевидения. Цифровое наземное телевидение может дать таким зрителям побудительный мотив для замены аналогового телевизора на цифровой, поскольку оно способно предложить дополнительные платные программы, например кинофильмов и спортивных передач, без спутниковой антенны и кабельной сети (ведь цифровой способ дает возможность передачи нескольких программ в полосе частот одного аналогового канала).
• Люди с достатком выше среднего получают в дом цифровое качество телевидения с домашним кинотеатром, телевидение по запросу, не афишируя этого, так как не требуются спутниковые антенны. В простейшем случае прием возможен на комнатную антенну. Цифровое телевидение обеспечивает также доступ в Интернет с обратным каналом через сотовую телефонию.
• Люди со средним достатком смогут подключить к своим телевизорам недорогие приставки (STB) и получать студийное качество ТВ-программ.
• Люди с низким уровнем жизни тоже выигрывают. Поскольку частотный план многих городов практически исчерпан, увеличение количества каналов невозможно без перехода к НЦТ.
• Владельцы новых телевизионных программ будут предоставлять приемное оборудование кабельным операторам, которые будут распределять программы ЦТ в обычном аналоговом виде. Телезрители при таком построении сети оказываются ближе к источнику телепрограммы, и качество при этом повышается существенно, так как выходной сигнал цифрового приемника имеет студийное качество и гораздо меньше подвержен влиянию каких-либо помех при распределении по кабельной сети. • Телевизионным компаниям выгодно НЦТ, потому что на одной частоте можно передавать несколько программ и, соответственно, затраты на лицензию снижаются. Как следствие, снижение потребности в частотах также неминуемо приведет к уменьшению их стоимости.
Принятие единого мирового стандарта наземного вещания было бы наилучшим вариантом развития цифрового телевидения. Однако этого не произошло в силу многих причин: исторических, экономически и геополитических. Но если ни один из существующих ныне стандартов не окажется безусловным победителем, то повторится ситуация, которая сложилась однажды с системами цветного телевидения NTSC, PAL, SECAM
Важным аспектом внедрения цифрового телевидения является возможность оценки качества ТВ изображения и измерений параметров цифрового ТВ канала. Оценка может проводиться как результат наблюдения человека или группы людей, а также с помощью приборов или программ, фиксирующих изменение качества изображения или искажения ТВ сигнала. Характер искажений в цифровых системах со сжатием отличается от искажений в аналоговых системах и требует новых подходов. В настоящее время опытный глаз остается пока главным инструментом оценки качества изображения, и требуются дополнительные исследования по внедрению в практику методов объективного контроля.
Большой вклад в развитие систем цветного телевидения внесли W.K. Pratt, B.R.Hant, A.V.Oppenheim, J.F. Kaiser, МИ. Кривошеее, Ю.Б. Зубарев, В.П. Дворкович, СВ. Новаковский, Р.Е. Быков, С.С. Садыков.
Важность работы также подтверждается тем ,что при визуальной оценке качества изображений порог заметности искажений имеет высокое значение, что в ряде случаев делает невозможным проведение точного анализа.
Таким образом, в настоящее время в данной области существует ряд неразработанных вопросов, что подтверждает актуальность диссертационной работы.
Преобразование аналогового телевизионного сигнала в цифровую форму
Для преобразования аналогового телевизионного сигнала в цифровой его последовательно подвергают трём преобразованиям:- дискретизация;- квантование;- кодирование отсчётов.
Первый шаг при преобразовании в цифровую форму - дискретизация, т.е. взятие отсчетов сигнала через интервал дискретизации:частота в спектре сигнала.
Максимальная частота спектра, а следовательно разрешающая спосбность, определяются стандартами цветного телевидения PAL, NTSC, SECAM. При передаче черно-белого изображения частота дискретизации определяется формулой (1.2.1). В случае передачи цветного изображения частота дискретизации возрастает максимум в три раза (если на цветоразностные сигналы отводится та же полоса, что и на сигнал яркости), так как необходимо передавать кроме информации о яркости изображения, информацию о его цвете.
В качестве исходного сигнала используется компонентный RGB сигнал. Объясняется это тем, что зачастую в качестве источника видеосигнала используют видеокамеру. В современных видеокамерах используются цветные светофильтры, нанесенные на три ПЗС-матрицы в которых происходит разделение компонентов R,G и В. На выходах этих матриц появляются сигналы изображения R, G и В. Таким образом, на выходе преобразователя свет-сигнал ставится АЦП, чем предотвращается прохождение сигнала по аналоговым цепям. Однако сжимать такой сигнал не выгодно, так как глаз человека значительно чувствительнее к изменениям яркости, чем к небольшим изменениям цветности. Для того, чтобы получить большую степень сжатия сигнал RGB преобразуют в сигнал YUV, где Y-сигнал яркости, U-цветоразностный сигнал B-Y и V-цветоразностный сигнал R-Y. После преобразования сигнал яркости не подвергается обработке, а цветоразностные сигналы прореживаются (ограничиваются по полосе). Эта операция даёт выигрыш при сжатии по сравнению с RGB. Существует три формата прореживания.
Формат 4:2:0. Так как изображение разбивается на элементы, то на каждый элемент изображения приходится по три отсчёта (YUV) и удобнее говорить о разрешающей способности, а не о частоте дискретизации, так как эти понятия взаимоувязаны друг с другом. В этом формате прореживание цветоразностных сигналов происходит таким образом, что разрешение (частота дискретизации) U и V в два раза хуже разрешения Y по вертикали и по горизонтали. Причём должно быть чётное число строк и элементов строки сигнала яркости.
Формат 4:2:2. В этом случае разрешение цветоразностных сигналов будет в два раза хуже разрешения яркостного сигнала по горизонтали и одинаковым по вертикали. При этом в строке должно быть чётное число элементов. Формат 4:4:4. Это формат, в котором цветоразностные отсчёты не прореживаются, т.е. разрешения яркостного и цветоразностных сигналов совпадают
Применение различных форматов позволяет получить различные степени сжатия и различное качество изображение. Формат 4:2:0 позволяет получить наибольшую степень сжатия при наихудшем качестве.
Однако перед тем как произойдёт преобразование RGB-YUV и прореживание цветоразностных отсчётов необходимо произвести квантование и кодирование отсчётов.
Процесс квантования сводится к тому, что отсчёты округляютя до ближайшего уровня квантования. Число уровней квантования выбирается с учётом, количества различаемых человеком градаций яркости и цветов. Если говорить о яркостном сигнале, то практически никто не в состоянии отличить изображение с 64 или 256 уровнями яркости (серого). Такие же результаты получены и для цветных составляющих. Тем не менее, при оцифровке изображений используется 256 уровней квантования для каждой составляющей RGB-сигнала [52].
Процесс кодирования заключается в том, что каждому квантованному отсчёту назначается двоичная последовательность определённой длины. Обычно кодируется номер отсчета, простым переводом из десятичной системы исчисления в двоичную. Количество бит приходящихся на один отсчёт в этом случае определяется следующим образом:
Таким образом, на один элемент цветного изображения приходится 24 бит. Стандартом PAL определено количество элементов равное 441025, которые надо показывать 25 раз в секунду. В результате скорость цифрового потока цветного изображения будет равна:сигнала видеоизображения в цифровую форму не ограничивается тремя стандартными операциями. При преобразовании сигнала проходят следующие этапы обработки :получение компонентного сигнала RGB
Полученные цифровые потоки определяются в стандарте как матрицы, и являются исходными при описании алгоритма сжатия видеоинформации.
В связи с тем, что стандартом охватывается широкий диапазон приложений, скоростей цифрового потока, разрешающей способности и других параметров, возникла задача оптимизация алгоритма с целью получения различного качества изображения для различных приложений. Для этого были введены подмножества называемые профили и уровни.
Профиль - подмножество полного алгоритма построения цифрового потока. В пределах данного профиля, возможно, определить широкое разнообразие характеристик кодеров и декодеров, зависящее от значений, взятых из параметров передаваемых в цифровом потоке. Например, можно определить размеры кадра вплоть до 214 отсчетов по ширине и 214 отсчетов по высоте.Уровень - подмножество профиля, ограничивающее параметры цифрового потока. Это могут быть простые количественные ограничения. В цифровом телевизионном вещании определены профили и уровни представленные на рисунке 1.1.
Система наземного цифрового телевидения DVB-T
Система наземного цифрового телевидения DVB -Т [75-80]принята как Европейский стандарт и соответствует требованиям, согласованным с различными заинтересованными сторонами, то есть журналистами, сетевыми операторами, изготовителями оборудования и непосредственно с компаниями телевещания.
Многоканальная передача в системе основана на использовании COFDM (кодированное ортогональное частотное разделение каналов). Она обеспечивает передачу программ в контейнере данных и таким образом предоставляет возможность выбора конкретных программ и уровней их качества от HDTV до LDTV. При этом не определяется содержание контейнера данных, за исключением того, что это - поток данных MPEG-2.
Технические требования к системе цифрового телевизионного вещания определяют только передаваемый сигнал и, таким образом, не выдвигают требований к приёмным устройствам.
Методы модуляции для Европейских DVB систем (спутникового и кабельного) были определены с учётом оптимальных эксплуатационных показателей в соответствующих каналах при минимальной сложности приемника. Для спутникового цифрового телевидения используется квадратурная фазовая манипуляция (QPSK), а для кабельного квадратурная амплитудная манипуляция QAM для кабельного ТВ.
Выбор вида модуляции для наземного цифрового телевизионного вещания определяется основными параметрами наземного канала связи. Свойства этого канала значительно отличается от спутниковых и кабельных каналов:наземный канал может повреждаться вследствие многолучевого приёма(отражения сигнала от почвы и зданий); количество индустриальных помех может быть высоко; значительное переполнение частотного спектра - интерференция к и от и аналогового и цифрового телевидения.
Характеристики наземного канала изменяются довольно значительно из-за влияния окружающей среды. Количественно они могут быть описаны числом, уровнями и фазами отраженных сигналов.
При анализе характеристик наземных телевизионных систем используются несколько моделей канала связи, отражающие основные особенности распространения электромагнитных волн.
В случае с DVB использовались три модели гауссов канал, где прямой полученный сигнал повреждается только белымшумом; канал «Ricean», где прямой сигнал повреждается несколькимиотраженными сигналами с изменяющимися уровнями и начальными фазами;канал Рэлея в котором присутствуют только отраженные сигналы - те же, что и в канале «Ricean».
Гауссов и более реалистичный канал «Ricean» наиболее характерны для случая приема наружной антенной на крыше, в то время как канал Рэлея характеризует комнатный приём.OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multplexing) - частотное уплотнение с ортогональными несущими. Подобно квадратурной модуляции, этот способ использует ортогональные несущие, но в отличие от квадратурной модуляции частоты этих несущих не являются одинаковыми, они расположены в некотором диапазоне, отведенном для передачи данных путем модуляции(отличается передачей сигнала с использованием большого количества несущих колебаний). Несущие являются ортогональными, что делает возможной демодуляцию модулированных колебаний даже в условиях частичного перекрытия полос отдельных несущих. Однако многолучевое распространение радиосигнала в точку приема (довольно типичное для наземного телевидения) приводит к ослаблению и даже полному подавлению некоторых несущих вследствие интерференции прямого и задержанного сигналов. Решению этой проблемы помогает кодирование с целью обнаружения и исправления ошибок в канале передачи данных. COFDM -кодированный OFDM (Coded Orthogonal Frequency-Division Multplexing). Весь диапазон в полосе вещания (8 МГц в Европе) разбит на множество ортогональных поднесущих. Поток данных разбивается на N субпотоков, несущая каждого из которых модулируется с гораздо меньшей скоростью. Таким образом, каждое несущее колебание имеет умеренную скорость передачи информации. Хотя скорость передачи данных каждого несущего колебания невысока, межсимвольная интерференция имела бы место, если бы не специальные меры. Чтобы избежать межсимвольной интерференции, перед каждым символом вводится защитный интервал. Защитные интервалы состоят из циклических продолжений полезных символов. Это гарантирует, что ортогональность несущих колебаний может быть восстановлена в принятом сигнале, даже при наличии эхо-сигналов. Это справедливо, пока они (эхо-сигналы) не выходят за предел защитного интервала. Ясно, что даже если, защитный интервал и сохранит ортогональность полученных несущих, эхо-сигнал всё равно вызовет замирание сигнала.
Именно поэтому, необходимо использовать «С» (кодирование) в OFDM. Кодирование очень существенно для повышения эксплуатационных показателей системы. Добавляя код для эффективного непосредственного исправления ошибок, и перемежение, можно достичь достаточно низких коэффициентов ошибок в каналах с замираниями, причем при значениях отношений сигнал шум только на несколько dB выше, чем для Гауссова канала. Перемежение улучшает эксплуатационные показатели кодирования, поскольку распределяет поврежденные биты, а это, в свою очередь, позволяет избежать пакетных ошибок.Операция модуляции описывается уравнением [17]:
Сравнительные характеристики стандартов DVB и ATSC
Критерий надежности приема. К сожалению, спецификации стандартов используют разные критерии надежности. Европейский - более жёсткий и ориентирован на передачу данных: вероятность битовой ошибки на входе декодера MPEG-2 должна быть не хуже 10"п, что соответствует частоте ошибок 0.7 бит/ч при скорости передачи бит R$ около 20Мбит/с (HDTV-вещание).
Стандарт ATSC использует иной критерий, ориентированный именно на качественное восприятие изображения на экране телевизора глазом человека. Избыточный для передачи изображения и звука европейский критерий связан с общей концепцией "контейнера" в семействе стандартов DVB, согласно которому различные физические каналы, в том числе и эфирный, должны обеспечивать почти безошибочную передачу данных независимо от их природы. Американский критерий не является пригодным для передачи данных, поскольку допускает до 60 ошибочных бит в секунду. Этот факт не является недостатком ATSC в смысле потенциальной возможности обеспечения надёжности приёма, но его, однако, следует иметь в виду для корректного сравнения стандартов по совокупности критериев.
Следует заметить, что в ATSC вообще отсутствуют нормативные документы на передачу данных. В то же время следует принимать во внимание, что в DVB часть энергии сигнала расходуется с целью борьбы с отражёнными сигналами для снижения вероятности битовой ошибки.
Организация телевизионных сетей. Возможны два типа организации наземных сетей цифрового телевизионного вещания: одночастотная сеть (SFN, Single Frequency Network) и многочастотная сеть (MFN, Multi-Frequency Network). В SFN все передатчики работают на одной частоте. В MFN используются индивидуальные частоты для каждого передатчика в сети. Естественно, оба стандарта позволяют строить MFN, однако лишь в DVB эффективно реализуется SFN. Следует принять во внимание, что потребность в SFN в основном возникает в начальной стадии внедрения цифрового телевизионного вещания, в то время как при широкомасштабном внедрении необходимость в SFN может отсутствовать.
В одночастотной сети приёмник принимает сигналы от передатчиков, расположенных now от лоуга на большом оасстоянии. Эти сигналы аналогичны отражённым эхо-сигналам, задержка которых может превышать длительность защитного интервала в DVB. Из-за несинхронности передатчиков во времени в приёмнике DVB между сигналами может возникать как МСИ ( межсимвольная интерференция), так и МЧИ (межчастотная интерференция), и в целом подобные эхо-сигналы по своему действию близки к широкополосному шуму. В то же время, применение COFDM, обеспечивает принципиальную возможность создания синхронной SFN, в которой приёмнику гарантируется приход эхо-сигнала от соседнего передатчика с задержкой, не превышающей D,. Более того, приёмник может даже "выбрать" лучший по мощности из этих двух сигналов, как это делается в сотовой телефонии. В DVB действительно разработана спецификация на такую сеть, которая успешно прошла проверку на практике.
Синхронная SFN в DVB позволяет использовать группу маломощных передатчиков взамен одного мощного и поэтому обеспечивает достаточно равномерное покрытие территории ТВ-сигналом с надёжным приёмом в любой её точке. Крупномасштабігую синхронную SFN удается построить в режиме 8К, максимальное расстояние между передатчиками в доходит до 67 км при Dt/Tu=l/4. Такие сети целесообразно развёртывать в странах и регионах с большой плотностью населения.
В режиме 2К удаётся сделать небольшую сеть местного масштаба с удалённостью передатчиков лишь до 17 км. В обоих случаях следует учитывать, что построение такой сети телевещания весьма трудоёмко и требует высокоскоростной кабельной сети (PHD, SDH или ATM) для раздачи сигнала от телестудии синхронным наземным передатчикам. Кроме того, эти передатчики требуют и жёсткой частотной синхронизации, для реализации которой используются спутниковые GPS-приёмники. Ясно, что финансовые затраты при этом могут быть весьма значительны.
Стандарт ATSC изначально не был ориентирован на построение SFN, поскольку в США запланирован широкомасштабный переход к ЦТВ на всех частотных каналах. В таких условиях более актуальной является задача обеспечения низкого взаимного влияния ЦТВ и АТВ, что реально и достигнуто. Режим "одночастотности" в США более необходим для покрытия малонаселённых территорий, что достигается ретрансляцией с использованием профессиональных gap-fillers[36] и ремодуляторов. Работа такой SFN основана на простом факте низкого (причём более низкого, чем в DVB) взаимного влияния ATSC-сигналов. При этом технической проблемой является "развязка" направленной приёмной и передающей антенн одночастотных ретрансляторов. Подобные несинхронные SFN могут быть реализованы и в DVB[32,37].
Критерии помехоустойчивости. COFDM - демодулятор для DVB -неоднократно обсуждался в США, где и был признан едва ли не лучшим вариантом для приема изображения в условиях помех от многократного отражения сигнала (ПМОС). Однако главным его недостатком является то, что система, поддерживая на должном уровне качество изображения, при повышении уровня помех, то есть ухудшении условий приема, реагирует на это снижением скорости информационного потока. Комитет Федеральной комиссии (FCC) высказал мнение, что в США при отведенной ширине канала в 6 МГц система DVB не обеспечит скорость потока, необходимую для HDTV. В этом случае (в условиях, аналогичных испытаниям в Австралии)[11] скорость может достичь только 16,41 Мбит/с, что недостаточно. (Здесь необходимо добавить следующее: специалисты ATSC перед испытаниями не имели возможности по техническим причинам перестроить свою систему для работы в канале 7 МГц. Они отрегулировали только отношение сигнал/шум, увеличив его с 14,6 дБ (для канала 6 МГц) до уровня 15,1 дБ, соответствующего порогу сигнал/шум обычного аналогового канала).
При приеме на внешнюю антенну (приблизительно 70% зрителей) ATSC показала свои преимущества по сравнению с DVB. Но что касается приема внутри помещения (30%), а также плохих условий приема вообще, улучшения, судя по результатам, необходимы обеим системам. Как правило, в условиях, когда возникает потеря информации, качество изображения цифрового телевидения по сравнению с аналоговым заметно хуже. Даже при использовании наружных, расположенных на крыще антенн качество аналогового телевидения бывает неудовлетворительным, но, тем не менее, зрители порой с этим мирятся. Что же касается приема внутри помещения, то для его улучшения потребуется и много усилий и ряд существенных доработок.Помехи на частоте канала и помехи от смежного канала. По этому параметру ни одна из систем не имеет явных преимуществ. Система ATSC поддерживает
Методы оценки качества дискретизованных изображений
Конечной целью ТВ вещания является удовлетворение запросов телезрителей, поэтому приоритет в оценке качества отдается субъективной оценке. Даже в хорошо отлаженном мире аналогового телевидения субъективные испытания обязательно проводятся для оценки новых или усовершенствованных систем. В цифровом телевидении с компрессией роль субъективных методов возрастает. Разумеется, для адекватной оценки качества недостаточно мнения одного человека о просмотренном материале. Разные люди имеют разное представление о качестве, оно зависит также от сюжета. Разные виды ухудшений воспринимаются тоже по-разному — «рассыпание» цифрового изображения игнорировать труднее, чем шумы на аналоговом изображении. Субъективная оценка должна принять во внимание тип программного материала, степень заметности ухудшений. Для изображения с цифровой компрессией, в отличие от обычногоаналогового, недостаточно понаблюдать короткий отрезок сюжета и сделать вывод о всей программе, необходимо просмотреть сюжет полностью.
Субъективные экспертизы качества ТВ изображения уже много лет проводятся по методикам Рекомендации МСЭ-Р ВТ.500 [ПО]. В ходе испытаний некоторые эталонные изображения оцениваются в баллах группой экспертов, принимающих решение о степени пригодности для данного применения. Методики нормируют виды тестовых изображений, условия тестирования, шкалу оценок и т.п. В группе должно быть не менее 15 экспертов, сеанс показа должен продолжаться не более 30 мин. Если тестирование проводится для оценки качества системы при оптимальных условиях, используется 5-балльная шкала оценки качества, для оценки ухудшений при неоптимальных условиях применяется шкала ухудшений. Обе шкалы приведены в таблице 4.1.
В Рекомендации ВТ.500 [34]детально описаны несколько методов субъективных испытаний, некоторые перечислены ниже:1)двухстимульный метод с использованием шкалы ухудшений — наблюдателю показывают пары кадров, эталонный и ухудшенный, и просят оценить ухудшение по шкале таблицы 4.1;2)двухстимульный метод с непрерывной шкалой качества — предъявляют пары кадров и просят оценить каждый по абсолютной шкале, от «отлично» до «очень плохо»; во внимание принимается разница в оценке пар;3)одностимульный метод прямого сравнения — предъявляется большое число кадров без эталона и сравнивается их качество с использованием шкалы отношений;4)одностимульная непрерывная оценка качества— демонстрируются не кадры, а программа, которую наблюдатели оценивают каждые несколько секунд. Этот метод подходит для оценки систем компрессии, где важно длительное наблюдение испытательного изображения.
По результатам испытаний проводится статистическая обработка полученных измерений, причем используются оптимальные стандартизованные алгоритмы. Масштабы экспертизы, в зависимости от поставленной задачи, могут варьироваться от единичных испытаний, проводимых группой из нескольких человек, до широкомасштабных полевых испытаний, проводимых многими сотнями экспертов в течение многих месяцев (например, испытания систем ТВЧ в США в 1994-1996 годах).
С появлением цифровой компрессии возникли и новые виды искажений, изменились требования к условиям проведения испытаний: условия просмотра, источники сигнала, выбор сцен, время представления сцен, методы анализа оценок. В частности, появилась возможность использовать в качестве базового изображения для сравнения с испытуемым так называемое D-изображение — блочную структуру изображения после компрессии-декомпрессии, в которой значения всех отсчетов внутри блока заменены постоянной составляющей. Оказалось, что D-изображение практически независимо от сюжета и условий наблюдения занимает довольно стабильное положение на шкале качества МСЭ-Р (в области «очень плохо). Если теперь определить шаг изменения качества изображения, можно получить хорошую шкалу с устойчивым нулем. В [20] предложено считать единичным шагом шкалы изменение качества, которое отмечают 75% наблюдателей.
К преимуществам оценки методом субъективных экспертиз можно отнести следующие факторы: удается получить сравнимые результаты для обычных систем и систем с компрессией; получаемая средняя оценка мнений хорошо работает в широком диапазоне неподвижных и движущихся изображений. Слабым местом этих методов следует признать необходимость рассматривать широкий набор методов и тестовых элементов, значительные затраты средств и времени на подготовку наблюдателей и оборудования, трудоемкость организации и проведения тестирования. Субъективные испытания в их нынешнем виде применимы только для целей разработки и едва ли могут быть рекомендованы для текущего мониторинга, тестирования различных устройств обработки сигналов изображений.
Другим возможным подходом может служить оценка качества изображения после декомпрессии методом объективных измерений. Для приборной оценки качества изображения на выходе цифрового ТВ канала с компрессией необходимо оценить качество обработки сигнала на передающей и приемной стороне (фильтрация, аналого-цифровое преобразование, алгоритмы устранения избыточности, обратные операции на приеме). Канал передачи может вносить искажения типа импульсной помехи, но чаще сигнал или передается, или не передается. Единственным критерием качества его работы можно считать достоверность передачи. Поиски объективных методов сосредоточились на двух направлениях: поиск цифровых испытательных сигналов, по результатам прохождения которых через цифровой ТВ тракт можно было бы достоверно судить о качественных показателях тракта на любом реальном изображении; разработка методов непосредственной оценки качества изображения с учетом природы зрительного восприятия человека.
Первое направление развивает группа британских компаний во главе с Snell&Wilcox в проекте ТСМ (Test card Мр — испытательная таблица «М»). Таблица содержит набор специально разработанных цифровых потоков изменяющейся сложности со строго определенными параметрами. Каждый поток включает один или несколько потоков сжатого видео, звука, дополнительных данных. С их помощью можно протестировать устройства обработки компрессированных сигналов (например, ремультиплексор) и приемники-декодеры. Качество работы компрессирующих устройств ТСМ не проверяет.
Все виды тестовых потоков разбиты на 4 категории: видео (VID), аудио (AUD), данные (DAT), мультиплексирование (MUX). В каждой категории есть разделы по видам испытаний. В зависимости от степени сложности потока для обработки используются 4 уровня стресса: а — низкий; b — средний; с — высокий; х — недопустимый.
Набор тестовых потоков в категории VID охватывает основные группы характеристик ТВ изображения, такие, как передача цветности, линейность, перемежение, двумерная частотная характеристика и другие. Основное отличие предлагаемых испытательных сигналов от традиционных, статических — это подвижные изображения, они содержат плавно движущиеся элементы, не прерывающиеся на границах цикла, что позволяет выявить такие дефекты декодирования, как рассыпание кадра, «замораживание», повтор кадров и т.д.
Потоки VID в разделе (а) записаны в формате ML@MP, они имеют длительность 3 с и содержат подвижное изображение с различными скоростями передачи и разрешающей способностью — от 14 Мбит/с с 1-кадрами и полным разрешением до 2 Мбит/с с разрешением 360 х 576 пике. Каждый поток видео
