ВидеостандартыСигналы, форматы, стыкиВ. Л. Штейнберг Содержание 2Видеостандарты
 Скачать 1.79 Mb.
|
|
Видеокадры. Каждый видеокадр (picture) имеет стартовый код и заголовок, содержащий информацию о структуре кадра, композитному декодированию и т.д. Кадры группируются в ... • Группы видеокадров (GOP). Каждая группа имеет стартовый код и заголовок, содержащий информацию о временном коде и редакторскую информацию. Группы GOP группируются в ... • Последовательности. Каждая последовательность имеет стартовый код и заголовок, содержащий информацию о размере кадра и глобальных параметрах кодирования, таких как используемый уровень и профиль кодирования. Предполагаемые параметры отображения Документ МОС/МЭК 13818-2 не определяет процесс отображения. Однако, заголовок последовательности может содержать описание координат цветности первичных цветов, характеристики оптоэлектронного преобразования и коэффициенты матрицирования, применявшиеся при формировании сигналов яркости и цветоразностных сигналов. Сжатие цифровых потоков 71 Кодер и декодер MPEG-2 Предсказание с компенсацией движения Перегруп- пировка GOP Оценка движения Выбор режима Мульти- плексор Управление Вычитатель Кодер длин серий Буфер ДКП Обратное ДКП Сумматор Обратное квантование Квантование Задержка Рис. 3.6.10 Кодер MPEG-2 Обратное квантова- ние Буфер Демульти- плексор Обратное ДКП Сумматор Декодер длин серий Задержка Предсказание с компенсацией движения Перегруп- пировка GOP Рис. 3.6.11 Декодер MPEG-2 Сжатие цифровых потоков 72 Если алгоритм представляется чрезмерно простым, то ... • Видеокадры могут быть чересстрочными, прогрессивными, отдельными полями или ТВ кадрами, типов I, P или B, причем структура может изменяться на ходу • Макроблоки могут трактоваться как чересстрочные или прогрессивные, целиком или по половинкам, предсказываться вперед, назад, двунаправленно ... всего 384 возможными способами • Векторы движения задаются с точностью до половины элемента и передаются разностным методом с кодированием длин серий • Параметры квантования могут изменяться при переходе от одного макроблока к другому Сжатие звукоданных MPEG-2 Имеется четыре схемы кодирования: MPEG-1 (Слои 1, 2 и 3), и схема MPEG-2: • Звуковой сигнал разбивается на полосы частот и процесс распределения битов позволяетобеспечить маскирование большей части этих полос • Частоты дискретизации выбираются 32, 44.1 или 48 кГц (16, 22.05 или 24 кГц в варианте MPEG-2 Low Sampling Frequency extension) • Цифровой поток звука принимает одно из ряда возможных значений от 32 до 448 кбит/с Слой 1 означает относительно простой кодер, но либо повышенный поток, либо пониженное качество звука. Слой 2, известный также как система MUSICAM (Masking pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing), был первоначально разработан в рамках Европейского Плана Цифрового Радиовещания. Этот слой наилучшим образом отвечает требованиям регулярного вещания. Слой 3 чрезвычайно сложен, но обеспечивает наивысшее качество звука при низких потоках. По схеме MPEG-2 можно кодировать до 5 звуковых каналов в режимах: моно-, стерео-, многоязычном, и круговом. Системный уровень • Обеспечивает мультиплексирование видео и звуковых потоков MPEG совместно со вспомогательными данными в многопрограммные потоки • Вводит Синхроданные (Clock References), необходимые для восстановления видео и звуковых тактовых частот • Вследствие кодирования длин серий задержка распространения сигнала в декодере не постоянна. Системный слой вводит Маркеры времени декодирования (Decoding Time Stamps) и Маркеры времени предъявления (Presentation Time Stamps), что обеспечивает фиксированную задержку в кодеке всех составляющих программы (видео, звука, субтитров) даже при независимой их передаче с разбивкой на пакеты данных. • Системный слой вводит также Таблицы распределения программ (Programme Allocation Tables), Таблицы сетевой информации (Network Information Tables), и Таблицы обусловленного доступа (Conditional Access Tables), которые позволяют декодерувыбирать и восстанавливать конкретную ТВ программу из многопрограммного потока MPEG. При заполнении этих таблиц следует принимать во внимание требования DVB. Сжатие цифровых потоков 73 Цифровые потоки MPEG • Элементарный поток - этокодированный поток видео, звука, или данных MPEG одной ТВ программы. Пакетированный элементарный поток включает маркеры времени и заголовки. • Программный поток - это сборка элементарных потоков, относящихся к одной ТВ программе. Они объединяются общей тактовой частотой. Такой поток состоит из пакетов переменной длины и предназначен для записи или передачи по каналам с малой вероятностью ошибки. • Транспортный поток - другой вид объединения элементарных потоков. Он может содержать несколько программ с независимыми тактовыми частотами. Транспортные потоки состоят из пакетов фиксированной длины и предназначены для передачи по каналам с ошибками. Именно этот тип потока обычно называют просто "сигнал MPEG". Коммутация и редактирование сжатых потоков Поскольку MPEG-2 - это полноправный ТВ сигнал, то возникает потребность в его коммутации и редактировании подобно тому, как это делается с традиционными компонентными или композитными сигналами. Однако простое переключение сигналов MPEG-2 без сброса регистров декодера вряд ли возможно. Как правило, приходится полностью декодировать сжатый поток, переключать обычные видео и звуковые сигналы и вновь сжимать цифровые потоки. Уровни и профили MPEG-2 охватывает весьма широкий диапазон сложности кодирования и качества изображения. Совершенно нереалистично требовать, чтобы все декодеры были способны декодировать все возможные виды потоков MPEG-2. Стандартом определены четыре уровня: Уровень Структура изображения Поток Высокий 1920 x 1152 или менее До 80 Мбит/с Высокий-1440 1440 x 1152 или менее До 60 Мбит/с Основной 720 x 576 или менее До 15 Мбит/с Низкий 352 x 288 или менее До 4 Мбит/с Независимо от выбора уровня имеются пять профилей: Профиль Свойства Структура дискретизации Простой Видеокадры типа B не допускаются 4:2:0 Основной Не допускается расширение изображения 4:2:0 Масштабируемый по С/Ш Масштабируемость 4:2:0 Пространственно масштабируемый Пространственная масштабируемость 4:2:0 Высокий Временная масштабируемость 4:2:0 или 4:2:2 Сжатие цифровых потоков 74 Ожидается, что микросхемы, разрабатываемые для основного профиля основного уровня (MPML), окажутся столь дешевы, что разработка специальных упрощенных микросхем для более низких профилей не будет иметь смысла. Масштабируемость - это свойство кодека обрабатывать упорядоченный набор из нескольких потоков. Более того, масштабируемый кодек обязан выдавать изображение приемлемого качества даже в отсутствие части потоков набора. Минимально необходимый набор потоков называется базовым слоем. Каждый из других потоков набора называется улучшающим слоем (enhancement layer). Декодеры, обеспечивающие определенный профиль определенного уровня, обязаны обеспечивать также все нижележащие профили и уровни. Профиль 4:2:2 • Известен также как Профессиональный Профиль и, в принципе, может стать полноправным отдельным профилем MPEG-2 (вне иерархии) • Призван обеспечить качество изображения, сравнимое с видеозаписью формата D1, и приемлемое качество коммутации • Отличительными свойствами являются структура дискретизации 4:2:2 (в отличие от 4:2:0) и возможность работы с повышенными скоростями (50 Мбит/с вместо 15 Мбит/с, обеспечиваемых Основным Профилем) Повышенные профили • Большинство придерживается Основного Профиля Основного Уровня MPEG-2 (Main Level Main Profile) • Для некоторых применений (например для наземного вещания) представляют интерес масштабируемые профили, в частности, профиль, масштабируемый по отношению сигнал-шум. Однако, пока вообще нет уверенности в целесообразности использования масштабируемых профилей. Профиль, масштабируемый по отношению сигнал-шум Для этого типа масштабируемости характерна передача через улучшающий слой дополнительных данных, уточняющих значения коэффициентов ДКП, вычисленных нижним слоем. Пониженная скорость потока нижнего слоя позволяет обеспечить его повышенную помехозащищенность, что собственно и дало название всему профилю. Сжатие цифровых потоков 75 Сумматор Грубое обратное квантование Тонкое квантование Вычитание Нижний слой Улучшающий слой К блоку обратного ДКП От блока ДКП Тонкое обратное квантование Грубое квантование Рис. 3.6.12 Кодер MPEG-2, масштабируемый по С-Ш Сжатие цифровых потоков 76 Стыки MPEG-2 Различные фирмы для различных применений транспортных потоков MPEG используют множество различных (несовместимых) электрических стыков. Наиболее распространенные показаны в следующей таблице: • DVB LVDS • Divicom M2P • DMV RS422P • STB TTL • ECL serial • ECL parallel • DS3 44 Mbit/s • DVB ASI • DVB SSI • DVB Sat Rx • DVB Cable Rx В качестве примера, ниже приведено подробное описание стыков DVB LVDS и Divicom M2P. Стандартом MPEG предусмотрено мультиплексирование пакетов данных. Рис. 3.6.13 иллюстрирует структуру базового 188-байтового пакета данных транспортного потока. P ayload H eader P ayload unit t t indicator Transport priority P ID Transport scram bling control A dap tatio field control C ontinuity count A dap tation field Transport error indicator S ync byte 1 1 13 2 2 4 ... 1 8 A dap tation field length D iscontinuity indicator R andom access indicator E lem entary stream i it indicator Flags O ptional fields 8 1 1 1 5 ... 188 bytes Рис. 3.6.13 Структура 188-байтового пакета MPEG-2 Однако, канальное кодирование приводит к увеличению размера пакетов, поэтому многие форматы стыков допускают наличие дополнительных (пустых) байтов. Параллельный стык DVB LVDS предназначен для головных станций кабельных сетей DVB CATV/MATV. Этот стык включает 11 линейных балансных передатчиков и 11 линейных балансных приемников. Они должны быть совместимы с требованиями LVDS (подробнее о LVDS, см. документ EIA/TIA SP 3357). D[7:0] Psync Val Clk Передатчик Приемник Рис. 3.6.14 Параллельный стык DVB LVDS Сжатие цифровых потоков 77 В этом формате: D[7:0]: Слово данных транспортного пакета (8 бит: от Data 0 до Data 7). Data 7 - старший бит кодового слова. Val: Флаг действенности данных: данные действительны при состоянии "1". В 188- байтовом режиме этот флаг всегда поднят. В 204-байтовом режиме нижний уровень указывает на отключение байтов кода Рида-Соломона. Psync: Индицирует начало транспортного пакета, отмечая байт синхронизации уровнем "1". Clk: Прямоугольные тактовые импульсы; переход 0-1 (фронт) означает момент считывания данных. Тактовая частота не должна превышать 13.5 МГц. sync 2 1 187 187 186 sync 2 1 D[7:0] Psync Clk Val Рис. 3.6.15 Базовый формат 188-байтового пакета При использовании для защиты от ошибок передачи канального кода Рида-Соломона (RS), размер пакета возрастает до 204 байтов. sync 2 1 187 203 202 sync 2 1 D[7:0] Psync Val Clk Рис. 3.6.16 Формат пакетов с кодом RS (204 байта) Предусмотрен также 204-байтовый формат пакета без кода RS, в котором первые 188 байтов представляют действующие данные, а 16 пустых байтов в конце пакета служат только для совместимости с потоками, которые на самом деле защищены кодом RS. sync 2 1 187 2 187 186 1 16 sync 2 1 D[7:0] Psync Clk Val Рис. 3.6.17 Формат с 188 байтами данных и 16 пустыми байтами Вывод A линейного передатчика имеет положительную полярность относительно вывода B при передаче логического уровня "1" и отрицательную - при передаче логического "0". Если период тактов принять за T, то ширина тактового импульса должна быть в пределах от 0.4T до 0.6T. Сжатие цифровых потоков 78 Характеристики линейного передатчика (Источника) Импеданс выхода: 100 Ом максимум Синфазное напряжение: от 1.125 В до 1.375 В Амплитуда сигнала: от 247 мВ до 454 мВ Длительность переднего и заднего фронтов: не более T/7, измеряется по уровням 20 % и 80 % амплитуды на резистивной нагрузке 100 Ом. Различие переднего и заднего фронтов не должно превышать T/20. Характеристики линейного приемника (Получателя) Импеданс входа: от 90 Ом до 132 Ом Максимальный входной сигнал: 2.0 В (размах) Минимальный входной сигнал: 100 мВ (размах) В стыкеDVB LVDS применен 25-контактный субминиатюрный разъем типа D, распределение контактов которого показано в следующей таблице: Контакт Сигнальная линия Контакт Сигнальная линия 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Такты A Системный корпус Data 7 A (MSB) Data 6 A Data 5 A Data 4 A Data 3 A Data 2 A Data 1 A Data 0 A Val A Psync A Экран кабеля 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Такты B Системный корпус Data 7 B (MSB) Data 6 B Data 5 B Data 4 B Data 3 B Data 2 B Data 1 B Data 0 B Val B Psync B Контакты кабельных разъемов - штеккеры, а приборных - розетки. Должно быть предусмотрено экранирование не только кабелей, но и самих разъемов. Сжатие цифровых потоков 79 Параллельный стык DIV M2P предназначен для параллельного порта M2P оборудования фирмы Divicom. Использование тактовых, информационных и вспомогательных сигналов в этом стыке сходно со стыком DVB LVDS, однако уровни сигналов соответствуют стыку RS- 422, а считывание данных происходит по заднему фронту тактовых импульсов. Стык включает 12 линейных балансных передатчиков и 12 линейных балансных приемников. На выходах линейных передатчиков дополнительно включены пассивные фильтры нижних частот RC типа, подавляющие высокочастотные помехи. D[7:0] Psync Val Clk RClk Передатчик Приемник Рис. 3.6.18 Параллельный стык Divicom M2P Линия RClk служит для обратной подачи опционных возвратных тактовых импульсов, вырабатываемых получателем сигнала. Цель этой операции - обеспечить ведение и работу буферных регистров (FiFo) на обоих сторонах стыка. Типичной является конфигурация системы, в которой источником тактов выступает модем или другое сетевое устройство. При этом с точки зрения канального кодера фаза возвратных тактов определена нечетко вследствие задержек в кабелях и в приемнике данных. При правильном использовании возвратных тактов считывание из буферных регистров должно начинаться, когда они заполнены на 50 %; после этого регистры передатчика и приемника тактируются синхронно, т.е. имеет место ведомый режим. В результате возможен прием пакетов данных любой длины. sync 2 1 187 2 187 186 1 N sync 2 1 D[7:0] Psync Clk Val Рис. 3.6.19 188 информационных и N пустых байтов Стык DIV M2P использует тот же тип разъема (D25), что и стык DVB LVDS, однако распределение контактов сильно отличается, как показано в следующей таблице: Контакт Сигнальная линия Контакт Сигнальная линия 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 RClk + Clk + Psync+ Val+ Data 0 + Data 1 + Data 2 + Data 3 + Data 4 + Data 5 + Data 6 + Data 7 + (MSB) Не используется 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 RClk - Clk - Psync - Val - Data 0 - Data 1 - Data 2 - Data 3 - Data 4 - Data 5 - Data 6 - Data 7 - (MSB) Системы производства программ Телевидения Высокой Четкости 80 3.7 Системы производства программ Телевидения Высокой Четкости В настоящее время имеются две основные системы ТВЧ: 1125/60 and 1250/50. Еще в 1990 году МККР выпустил Рекомендацию 709 (ITU-R BT.709), содержащую требование, чтобы все будущие системы ТВЧ имели 1920 отсчетов в активной части строки, а частота дискретизации должна быть кратна частоте 2.25 MГц. Обе системы (1125/60 и 1250/50) этим требованиям удовлетворяют. Администрация США заявила, что она не поддерживает принципы этой Рекомендации. Параметры аналоговой системы 1125/60 описаны в документе SMPTE 240M; цифровые параметры описаны в SMPTE 260M. Новый стандарт SMPTE 274M фактически заменяет оба стандарта SMPTE 240M и SMPTE 260M в связи с переходом к квадратной форме элемента изображения и возвратом к частоте полей (кадров) 59.94 Гц. Система 1050/59.94 нашла весьма ограниченное применение, но также полностью описана в документах SMPTE. Некоторые модели нового 1125-строчного оборудования способны переключать частоту кадров с 60 Гц на 59.94 (60/1.001) Гц для облегчения понижающего преобразования в сигнал обычного формата NTSC. Американский Комитет по Новым Телевизионным Системам (ATSC) и некоторые другие организации поддерживают формат разложения и стыка с 1080 активными строками и квадратной формой элемента изображения. 1920 активных элементов в строке при формате кадра 16:9 дают 1920 · 9/16 = 1080 строк вместо ранее использовавшихся 1035 строк (см. SMPTE 240M). Уже началось экспериментальное вещание изображений формата 1920 x 1080 посредством сжатых потоков MPEG-2. Параметры разложения и стыка 1920 x 1080 приведены в стандарте SMPTE 274M. Следует подчеркнуть, что по этому стандарту общее число строк в кадре сохраняется равным 1125, а полное число отсчетов в строке сохраняется равным 2200, как в SMPTE 240M. Допускается как прогрессивное, так и чересстрочное разложение. Продолжаются исследования по стандартизации вариантов формата 1920 x 1080 с иными частотами кадров, включая 24/1.001, 24, 25, 30/1.001, 30 и 50 кадров в секунду. Например, документ SMPTE 295M определяет разложение и стык для формата 1920 x 1080 при частоте полей 50 Гц. В США предложен также альтернативный стандарт ТВЧ (SMPTE 296M), с прогрессивной разверткой в формате 1280 x 720. Этот вариант принято обозначать "720P". Параметры аналоговой системы 1250/50/2:1 ("Eureka-95") были в 1992 году дополнены формальным описанием цифровых стыков. Группа DVB работает над новым стандартом MPEG-2 с чересстрочным разложением 1920 x 1080 и частотой полей 50 Гц; этот стандартом принято обозначать "1080I/50". Временная координата во всех этих документах задается двояко: в микросекундах и в периодах дискретизации яркости; тем самым проявляется связь между аналоговым и цифровым представлениями сигнала. Структура дискретизации во всех случаях ортогональна и регулярна по строкам, полям и кадрам. Отсчеты Cr и Cb пространственно совпадают с нечетными (первым, третьим, пятым и т.д.) отсчетами Y в каждой строке. Число отсчетов в цифровой активной части строки равно 1920 в обоих системах. Однако в системе 1125/60 аналоговая активная часть строки либо не определена, либо приравнена к цифровой активной части. Напротив, в системе 1250/50 аналоговая активная часть слегка короче цифровой активной части, как в Рекомендации МККР 601. Ограничение полосы частот сигналов может приводить к распространению выбросов от фронтов гашения в активную часть изображения. Документ SMPTE 274M вводит понятие "производственного окна" ("production aperture") размером 1920 x 1080 элементов. В этом окне должны размещаться все сюжетно важные части изображения. Оно отличается от "чистого окна" ("clean aperture") размером 1888 x 1062 элементов, расположенного симметрично внутри него. Чистое окно должно быть "в основном свободно" от выбросов и краевых эффектов. Длительность активного аналогового видеосигнала, измеренная по уровню Системы производства программ Телевидения Высокой Четкости 81 50 %, по стандарту должна равняться 1920 периодам тактовой частоты. Для сохранения максимальной длительности активной видеоинформации рекомендуется, чтобы длительность аналогового гашения совпадала с длительностью цифровых гасящих интервалов. Однако, допускается расширение аналогового гашения до 6 тактов с каждой стороны цифрового интервала гашения. Системы производства программ Телевидения Высокой Четкости 82 3.7.1. Сигналы и уровни сигналов Документы, описывающие системы ТВЧ 1125/60 и 1250/50 используют одни и те же символы для обозначения сигналов яркости и цветоразностных сигналов, но колориметрические координаты первичных цветов весьма различны. В системе 1250/50 используются стандартные (совпадающие с ТВ обычной четкости) люминофоры и координаты первичных цветов, поэтому не отличаются и формулы для сигналов Pr и Pb (см. раздел 3.2.3). Напротив, в системе 1125/60 применены другие люминофоры и, как следствие, изменены колориметрические коэффициенты в следующих уравнениях: Y = 0.212 R + 0.701 G + 0.087 B Pr = 0.6345 (R-Y) Pb = 0.5476 (B-Y). Обратное матрицирование для получения сигналов RGB в системе 1125/60 производится по следующим уравнениям: R = Y + 1.576 Pr G = Y - 0.477 Pr - 0.227 Pb B = Y + 1.826 Pb Рекомендация ITU-R BT.709 дает несколько иное уравнение яркости: Y = 0.2125 R + 0.7154 G + 0.0721 B. Примечание: В документе SMPTE 274M вычисленные значения различаются в четвертом десятичном знаке от величин, приведенных в документе ITU-R BT.709. SMPTE 274M дает следующее уравнение: Y = 0.2126 R + 0.7152 G + 0.0722 B В студиях ТВЧ применяются, прежде всего, два формата сигналов RGsB и YsPrPb. Некоторые виды оборудования требуют подачи синхроимпульсов по отдельным линиям, а иногда даже раздельных горизонтальных и вертикальных ведущих импульсов (H и V). В аналоговой области система 1250/50 использует двуполярный трехуровневый синхросигнал, который добавляется к сигналу Y, образуя полный сигнал Ys. Допускается также ввод синхросигнала в сигналы Pr и Pb. Стандарт SMPTE 274M (1125/60) требует, чтобы трехуровневый синхросигнал добавлялся ко всем трем аналоговым компонентным сигналам. Характеристики вносимого затухания пред- и постфильтров ТВЧ получены масштабированием характеристик, приведенных в Рекомендации МККР 601, однако характеристики группового времени запаздывания определены иначе. О них сказано только, что они должны быть "достаточно жесткими для достижения хорошего качества, но приемлемыми с точки зрения практической реализации фильтров". "Плоская" частотная характеристика канала яркости ТВЧ обычно регламентируется до частоты 30 MГц (и соответственно до 15 MГц в каналах Pr и Pb). Однако на практике, типичные параметры аппаратуры ТВЧ не соответствуют этим требованиям. Весьма часто АЧХ канала яркости плавно спадает до уровня - 3 дБ или даже - 6 дБ на частоте 30 MГц. Системы производства программ Телевидения Высокой Четкости 83 Параметр 1125/60 и 1250/50 Сигналы: Аналоговые Цифровые Ys, Pr, Pb или R, Gs, B Y, Cr, Cb или R, G, B Уровень гашения сигналов Y, R, G, B Аналоговый Цифровой 0 мВ 16 Опорный уровень белого Аналоговый Цифровой 700 мВ 235 Опорный (нулевой) уровень Pr, Pb Аналоговый Цифровой 0 мВ 128 Опорные (пиковые) уровни Pr, Pb Аналоговые Цифровые ± 350 мВ 16 и 240 Синхросигнал Аналоговый, трехуровневый (S) ± 300 мВ Примечание: Уровни аналоговых сигналов даны на нагрузке 75 Ом. Цифровые уровни даны в 8-битовом представлении. Системы производства программ Телевидения Высокой Четкости 84 3.7.2. Параметры развертки и синхронизации Параметр Единицы измерения 1125/59.94/2:1 1250/50/2:1 Частота кадров Гц 29.97 (30) 25 Частота полей Гц 59.94 (60) 50 Число строк в кадре 1125 1250 Активные строки: Всего Поле 1 Поле 2 1080 21-560 584-1123 1152 45-620 670-1245 Строки полевого интервала гашения 1124-20 561-583 1246-44 621-629 Частота строк Гц 33,750 31,250 Частота дискретизации МГц Яркости Y Цветоразностных Cr, Cb 74.17575 (74.25) 37.087875 (37.125) 72.00 36.00 Номинальный период строк (H) мкс/отсчет 29.66 (29.63) / 2200 32 / 2304 Длина активной строки Цифровая мкс/отсчет Аналоговая мкс/отсчет 25.884 (25.859) / 1920 25.884 (25.859) / 1920 26.67 / 1920 26.00 / 1872 Строчный интервал гашения Цифровой мкс/отсчет Аналоговый мкс/отсчет 3.77 / 280 3.77 / 280 5.33 / 384 6.00 / 432 Передняя площадка мкс/отсчет 0.593 / 44 0.89 / 64 Полуширина строчного импульса мкс/отсчет 0.593 / 44 0.89 / 64 Задняя площадка мкс/отсчет 1.99 / 148 2.67 / 192 Полуширина уравн. импульса мкс/отсчет 0.593 / 44 0.89 / 64 Длительность вертикальной синхрогруппы H 5 0.5 Число уравнивающих импульсов в синхрогруппе 5 0 - Поле 1 1 - Поле 2 Число широких импульсов 10 1 Ширина широкого импульса мкс/отсчет 13.05 (13.04) / 968 8.00 / 576 Сдвиг широкого импульса мкс/отсчет 1.78 / 132 3.56 / 256 Строки с широкими импульсами 1-5, 563-568 625, 1250 Время фронта всех импульсов нс 54 50 Примечание: В формате 1920 x 1035 1125-строчной системы активными являются строки 41-557 и 603-1120, а вертикальный интервал гашения занимает строки 1121-40 и 558-602. В скобках показаны значения параметров для варианта 1125-строчной системы с частотой полей 60 Гц. 1 2 3 4 5 6 7 1123 1125 21 Полевой гасящий интервал (45 строк + стр.гас.инт.) Начало первого (нечетного) поля 0h = начало строки Начало второго (четного) поля 0v = начало поля Уравнивающие импульсы Широкие импульсы 563 564 565 566 567 568 569 560 562 584 Полевой гасящий интервал (45 строк + стр.гас.инт.) 0h = начало строки Рис. 3.7.2.1 Нумерация строк в стандарте 1125/1080 Системы производства программ Телевидения Высокой Четкости 85 В старом формате 1920 x 1035 первое поле содержит 517 активных строк, а второе - 518 активных строк; верхняя видимая строка - это строка 603, а самая нижняя из видимых строк - строка 1120. Однако в новом формате 1920 x 1080 первое поле содержит 540 активных строк и начинается с самой верхней из видимых строк. Второе поле также содержит 540 активных строк и заканчивается самой нижней из видимых строк кадра. Структура вертикального гасящего интервала формата 1280 x 720 (с прогрессивной разверткой) схожа с показанной на рис. 7.2.1. Основное отличие состоит в том, что длительность вертикального гашения составляет 30 строк, а передняя площадка занимает 5 строк. При прогрессивной развертке в соответствии со стандартом SMPTE 274M все 1080 активных строк разворачиваются по очереди сверху вниз. Частота дискретизации яркости при этом составляет 148.5 МГц, а строки распределены следующим образом: • Вертикальный интервал гашения: строки с 1 по 41 включительно (вертикальная синхрогруппа занимает строки с 1 по 6 включительно) и строки с 1122 по 1125 включительно; • Активная часть кадра: строки с 42 по 1121 включительно. 1 2 3 4 5 6 7 1245 1249 45 Полевой гасящий интервал (49 строк + стр.гас.инт.) Начало первого (нечетного) поля 0h = начало строки Начало второго (четного) поля 0v = начало поля Уравнивающий импульс Широкий импульс 625 626 627 628 629 630 631 620 624 670 Полевой гасящий интервал (49 строк + стр.гас.инт.) 0h = начало строки Рис. 3.7.2.2 Нумерация строк в стандарте 1250/50/2:1 Строчный гасящий интервал Двуполярный синхроимпульс 1125/60 1250/50 0h = начало строки Строчный гасящий интервал Двуполярный синхроимпульс 0h = начало строки Рис. 3.7.2.3 Строчные синхроимпульсы в сигнале ТВЧ Системы производства программ Телевидения Высокой Четкости 86 3.7.3. Стыки ТВЧ Наиболее распространенным стыком ТВЧ является параллельный аналоговый компонентный стык с тремя раздельными разъемами BNC для сигналов Ys, Pr, Pb или R, Gs, B. Изредка применяются параллельные цифровые стыки. Документ SMPTE 260M регламентирует параметры 21-проводного 10-битового параллельного стыка с тактовыми частотами 74.25 Mбайт/с в каналах яркости Y и мультиплексированного сигнала Cr/Cb. Этот же документ описывает параллельный 10-битовый стык с 31 парой линий для передачи сигналов R, G и B с тактовыми частотами 74.25 Mбайт/с. При этом должен использоваться специальный многопарный кабель с раздельными экранами для каждой пары. По одной из пар передается тактовый сигнал на частоте дискретизации. Документ SMPTE 274M описывает параметры 93-контактного параллельного стыка. Максимальная длина 31-парного кабеля этого стыка ограничена 20 метрами для чересстрочной системы и 14 метрами для системы с прогрессивной разверткой. Для системы 1250/50/2:1 регламентирован 10-битовый параллельный стык со скоростью 144 Mбайт/с и 50-контактным субминиатюрным разъемом типа D. Для передачи видеоданных Y и Cr/Cb применен формат NRZ (20 пар), а максимальная длина кабеля составляет 30 метров. Тактовый сигнал передается по 21-й паре на скорости вчетверо ниже скорости передачи кодовых слов (т.е. на скорости 36 MГц). Стандарт SMPTE 292M описывает последовательный цифровой стык с коаксиальными и оптическими кабелями для скоростей от 1.3 до 1.5 Гбит/с. Общий формат канального кодирования модифицируется в зависимости от конкретного подварианта системы ТВЧ. Длина коаксиального кабеля ограничена величиной затухания на половине тактовой частоты. Обычно она не должна превышать 20 дБ. Оптический стык при использовании одномодового волокна позволяет передавать сигналы на расстояние до 2 км. Сведения о некоторых других стыках ТВЧ можно найти в документах SMPTE 295M и 297M. Форматы файлов стоп-кадров 87 3.8. Форматы файлов стоп-кадров Форматы файлов стоп-кадров являются переходными между видеоформатами и компьютерными форматами. Они применяются для обмена статическими видеокадрами, например в видеографических рабочих станциях, или для захвата стоп-кадров от "живых" видеоисточников. Существует множество компьютерных форматов графических файлов, таких как *.BMP, *.PCX, *.GIF, и т.п. Однако здесь приведены только форматы, используемые при производстве ТВ программ со структурой дискретизации и уровнями квантования в соответствии с подмножеством 4:2:2 Рекомендации МККР 601. Это следующие форматы: • *.YUV - формат, впервые введенный в обращение фирмой Abekas Ltd, в котором файл содержит последовательность значений Cb,Y,Cr,Y... для активной части кадра с прогрессивной разверткой и квантованием на 8 бит. Размер файла составляет 2*720*576 = 829440 байт в 625-строчном варианте или 2*720*486 = 699840 байт в 525-строчном варианте. Здесь Cb и Cr - это цифровые значения цветоразностных сигналов, а Y - значения сигнала яркости. В хранении какой-либо синхроинформации нет необходимости, поскольку адрес любого байта в пределах файла прямо указывает на геометрическое положение элемента изображения. • Формат *.IMG используется в некоторых блоках захвата стоп-кадров (full-frame grabbers), например модели "Percy", выпускаемых фирмой Viewtronics. Файл содержит последовательность элементов Cb,Y,Cr,Y... для цифровых активных частей строк всех строк ТВ кадра, расположенных в соответствии с чересстрочной нумерацией строк. В 625- строчном варианте файл начинается со строки 1 в полевом гасящем интервале, затем идут значения для 21 строки внутри гасящего интервала, 288 активных строк первого поля, 23 строки следующего гасящего интервала, 288 активных строк второго поля, и в конце следуют еще две строки полевого гасящего интервала. Таким образом, полный размер файла составляет 2*720*625=900000 байт. В 525-строчном варианте файл начинается со строки 1, затем идут 16 строк полевого гасящего интервала, 243 активные строки первого поля, 19 строк гасящего интервала, 243 активные строки второго поля и 3 строки гасящего интервала. Размер файла составляет 2*720*525=756000 байт. Следует отметить, что система нумерации строк в формате *.IMG совпадает с принятой МККР для 625-строчного стандарта, но не совпадает с принятой для 525-строчного стандарта. В странах, применяющих 525-строчный стандарт, счет строк начинается с началом полевого гашения, а в 625-строчных странах он начинается с полевым синхроимпульсом. В файле *.IMG счет строк всегда начинается с полевым синхроимпульсом. • Формат *.DAT используется в блоках захвата стоп-кадров, которые упаковывают 10- битовые отсчеты видеосигнала в 2 байта. Первый байт пары содержит восемь старших битов, а следующий байт - два младших бита. Такие блоки выпускаются фирмой Pixel Power Ltd. Файл содержит все элементы всех строк чересстрочного кадра, плюс 6-байтовый заголовок, что дает размер файла 4*864*625+6=2160006 байт в 625-строчном варианте, или 4*858*525+6=1801806 байт в 525-строчном. Сигналы цветных полос 88 3.9. Сигналы цветных полос Цветные полосы - наиболее часто применяемый тест для проверки и настройки кодеров, декодеров и другого видеооборудования. Обычно этот тест содержит несколько полос первичных и дополнительных цветов. Существует множество вариантов, различающихся последовательностью цветов, ориентацией полос, насыщенностью и интенсивностью. СТАНДАРТНЫЕ ПОЛОСЫ ПОЛОСЫ С КРАСНЫМ ПОЛЕМ РАСЩЕПЛЕННЫЕ ПОЛОСЫ ОБРАТНЫЕ ПОЛОСЫ Рис. 3.9.1 Разновидности цветных полос Последовательность Белый, Желтый, Голубой, Зеленый, Пурпурный, Красный, Синий, Черный является стандартной. В формате RGB сигналы в этой последовательности можно получать просто на выводах 3-разрядного двоичного счетчика. Принято характеризовать уровни сигналов цветных полос (см. Рекомендацию ITU-R BT.471- 1 "Номенклатура и описание сигналов цветных полос") с помощью четырех чисел, разделенных точками или косой чертой и указывающих максимальные и минимальные уровни сигналов RGB в процентах от уровня опорного белого для различных полос в следующей последовательности: Белая_Полоса / Черная_Полоса / Maксимум_ДляОкрашенныхПолос / Mинимум_ДляОкрашенныхПолос. Например, 100/0/100/25 означает уровни R, G и B для белой полосы равные 100 % , для черной полосы равные 0 %, уровень максимального из трех сигналов на окрашенных полосах равен 100 %, а уровень минимального из трех сигналов на окрашенных полосах равен 25 % . Сигналы цветных полос 89 Композитный PAL КРАСНЫЙ + 0.943 В 0 - 0.3 В 0 0.7 В 0 0 0.7 В СИНИЙ 0 - 0.3 В ЗЕЛЕНЫЙ 0.7 В 0 0.7 В 0 0.7 В 0 0 - 0.3 В 0.7 В 0 0.7 В 0 0.7 В 0 0.7 В Б Ж Г З П К С Ч Б Ж Г З П К С Ч Б Ж Г З П К С Ч 0.7 В ГЦП 100/0/100/0 ГЦП 100/0/100/25 ГЦП 100/0/75/0 Рис. 3.9.2 Примеры номенклатуры цветных полос Некоторые тесты цветных полос имеют специальные названия. Например, полосы номенклатуры 100/0/75/0 часто называют "Полосы EBU" или "ГЦП 75%", а полосы 100/0/100/25 известны под названием "Полосы Би-Би-Си" или "ГЦП 95%". Тем не менее, номенклатура МККР из четырех чисел остается единственной надежной и недвусмысленной системой обозначения уровней сигналов цветных полос. В приведенных ниже таблицах все аналоговые уровни даются в мВ по отношению к уровню гашения. Предполагается, что коаксиальный кабель нагружен на 75 Ом. Цифровые уровни даны в дробно-десятичной системе записи 8/10, где дробная часть после десятичной точки представляет 9-й и 10-й биты. Частоты и частотные девиации даны в MГц. Сигналы цветных полос 90 3.9.1 Аналоговый компонентный формат YPrPb [Спецификация EBU] 100/0/100/0 Y Pr Pb Белый 700. 0 0 Желтый 620.200 56.919 -350.000 Голубой 490.700 -350.000 118.115 Зеленый 410.900 -293.081 -231.885 Пурпурный 289.100 293.081 231.885 Красный 209.300 350.000 -118.115 Синий 79.800 -56.919 350.000 Черный 0 0 0 100/0/75/0 & 75/0/75/0 Y Pr Pb Белый 700. 0 0 Серый 525. 0 0 Желтый 465.150 42.689 -262.500 Голубой 368.025 -262.500 88.586 Зеленый 308.175 -219.811 -173.914 Пурпурный 216.825 219.811 173.914 Красный 156.975 262.500 -88.586 Синий 59.850 -42.689 262.500 Черный 0 0 0 В аналоговом компонентном формате существуют два важных специфических варианта цветных полос: 1. Цветные полосы Betacam 75 % цветные полосы в формате YPrPb, но с уровнями сигналов Pr и Pb увеличенными в 1.3333 раза, так что 75 % сигналы Pr и Pb имеют 100 % амплитуду, т.е. 350 мВ. В правой части этого испытательного изображения добавлены тест для установки яркости видеомониторов (вариант известного теста PLUGE) и 100 % белая полоса. В 625-строчном варианте уровень белого равен 700 мВ, а в 525-строчном варианте уровень белого составляет 100 IRE (714.285 мВ) 2. Цветные полосы MII 1. В 625-строчном варианте: совпадают со стандартными полосами 100/0/75/0 в формате YPrPb (уровень белого составляет 700 мВ). 2. В 525-строчном варианте: Полосы номенклатуры 100/7.5/75/7.5 в формате YPrPb, но с уровнем белого 700 мВ (как в 625-строчном варианте), вместо обычного для 525-строчных стран уровня 100 IRE. Амплитуда сигналов Pr и Pb при этом составляет: 0.5 (0.75- 0.075) 700 = ± 236.25 мВ. Сигналы цветных полос 91 3.9.2 Цифровой компонентный формат YCbCr 100/0/100/0 Y Cb Cr Белый 235.00 128.00 128.00 Желтый 210.00 16.00 146.25 Голубой 169.50 165.75 16.00 Зеленый 144.50 53.75 34.25 Пурпурный 106.50 202.25 221.75 Красный 81.50 90.25 240.00 Синий 41.00 240.00 109.75 Черный 16.00 128.00 128.00 100/0/75/0 & 75/0/75/0 Y Cb Cr Белый 235.00 128.00 128.00 Серый 180.25 128.00 128.00 Желтый 161.50 44.00 141.75 Голубой 131.25 156.25 44.00 Зеленый 112.50 72.25 57.75 Пурпурный 83.75 183.75 198.25 Красный 65.00 99.75 212.00 Синий 34.75 212.00 114.25 Черный 16.00 128.00 128.00 Примечание: Уровни даны в дробно-десятичном представлении 8/10 бит. Цифры до десятичной точки означают восемь старших разрядов, а цифры после десятичной точки означают два младших разряда с шагом 0.25. Например, число 165.75 означает 10-битовый код 663, в двоичном представлении 1010010111. Сигналы цветных полос 92 3.9.3 Аналоговые композитные форматы NTSC-M (США), PAL-M 100/7.5/100/7.5 Яркость Цветность Белый 714.2857 0 Желтый 638.9643 591.1193 Голубой 516.7321 835.5836 Зеленый 441.4086 780.2414 Пурпурный 326.4464 780.2414 Красный 251.1250 835.5836 Синий 128.8929 591.1193 Пьедестал (Черное) 53.5714 0 75/7.5/75/7.5 Яркость Цветность Белый 714.2857 0 Серый 549.1071 0 Желтый 492.6164 443.3393 Голубой 400.9421 626.6879 Зеленый 344.4507 585.1807 Пурпурный 258.2279 585.1807 Красный 201.7364 626.6879 Синий 110.0629 443.3393 Пьедестал (Черное) 53.5714 0 Сигналы цветных полос 93 NTSC-M (Япония) 100/0/100/0 Яркость Цветность Белый 714.2857 0 Желтый 632.8572 639.0479 Голубой 500.7143 903.3336 Зеленый 419.2835 843.5042 Пурпурный 295.0000 843.5042 Красный 213.5715 903.3336 Синий 81.4286 639.0479 Пьедестал (Черное) 0 0 75/0/75/0 Яркость Цветность Белый 714.2857 0 Серый 535.7142 0 Желтый 474.6432 479.2857 Голубой 375.5359 677.5004 Зеленый 314.4641 632.6278 Пурпурный 221.2503 632.6278 Красный 160.1784 677.5004 Синий 61.0719 479.2857 Пьедестал (Черное) 0 0 Сигналы цветных полос 94 Существуют два важных специфических варианта цветных полос в формате NTSC: 1. Цветные полосы SMPTE Строчно-матричный тест по документу SMPTE EG 1-1990 "Испытательный сигнал цветных полос для настройки телевизионных мониторов" в котором верхние 67 % высоты кадра занимают семь цветных полос (без черной полосы) с амплитудой 75 %, следующие 8 % высоты занимают полосы установки цвета (New Chroma Set - Синий, Черный, Пурпурный, Черный, Голубой, Черный, Белый), а остающиеся 25 % высоты кадра занимают полосы осей кодирования в последовательности -I, Белый, Q, Черный, и тест для установки яркости экрана (вариант известного теста PLUGE). Насыщенность и фаза цветности на экране монитора традиционно проверяются путем наблюдения декодированных цветных полос при выключенных красном и зеленом электронных прожекторах кинескопа. Четыре видимых синих полосы при правильной настройке должны иметь равную яркость. Использование полос установки цвета (chroma set) существенно повышает точность настройки. В отличие от обычного ГЦП, где надо сравнивать яркости далеко отстоящих полос, здесь сравниваются яркости вертикально смежных полос. Глаз оператора легко замечает малейшие различия в яркости смежных синих полос. Кроме того, устраняются погрешности, связанные с неравномерностью цвета по полю экрана. Тест для установки яркости экрана дает простой двоичный критерий правильности установки. Кроме того, он снижает зависимость результата от окружающего освещения. При правильной настройке темно-серый прямоугольник должен быть виден на черном фоне, а прямоугольник "чернее черного" должен сливаться с черным фоном. 2. Цветные полосы EIA Строчно-матричный тест по документу RS-189-A, в котором верхние 75 % высоты кадра занимают семь цветных (без черной) полос с амплитудой 75 %, (как в полосах SMPTE), а остающиеся 25 % высоты кадра занимают полосы осей кодирования в последовательности -I, Белый, Q, Черный. Сигналы цветных полос 95 PAL, PAL-N 100/0/100/0 Яркость Цветность Белый 700. 0 Желтый 620.200 627.331 Голубой 490.700 885.083 Зеленый 410.900 826.789 Пурпурный 289.100 826.789 Красный 209.300 885.083 Синий 79.800 627.331 Черный 0. 0 100/0/75/0 & 75/0/75/0 Яркость Цветность Белый 700. 0 Серый 525. 0 Желтый 465.150 470.500 Голубой 368.025 663.812 Зеленый 308.175 620.092 Пурпурный 216.825 620.092 Красный 156.975 663.812 Синий 59.850 470.500 Черный 0. 0 100/0/100/25 Яркость Цветность Белый 700. 0 Желтый 640.15 470.500 Голубой 543.025 663.812 Зеленый 483.175 620.092 Пурпурный 391.825 620.092 Красный 331.975 663.812 Синий 234.850 470.500 Черный 0. 0 Сигналы цветных полос 96 SECAM 100/0/75/0 & 75/0/75/0 Строка Dr Яркость Цветност ь Fr Fr-For Белый 700. 214.534 4.40625 0.0 Серый 525. 214.534 4.40625 0.0 Желтый 465.150 183.809 4.3607 - 0.0455 Голубой 368.025 475.969 4.6862 + 0.2800 Зеленый 308.175 431.953 4.6407 + 0.2345 Пурпурны й 216.825 212.318 4.1718 - 0.2345 Красный 156.975 252.300 4.1263 - 0.2800 Синий 59.850 252.165 4.4518 + 0.0455 Строка Db Яркость Цветност ь Fb Fb-Fob Белый 700. 166.724 4.2500 0.0 Серый 525. 166.724 4.2500 0.0 Желтый 465.150 362.786 4.0200 - 0.2300 Голубой 368.025 168.474 4.3276 + 0.0776 Зеленый 308.175 280.321 4.0976 - 0.1524 Пурпурны й 216.825 211.607 4.4024 + 0.1524 Красный 156.975 211.852 4.1724 - 0.0776 Синий 59.850 277.530 4.4800 + 0.2300 Рис. 3.9.3.1 Уровни цветности SECAM в мВ и частоты в MГц |