книги / Микропроцессоры в телевидении

По 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

дующему алгоритму. Вначале определяют значения межэлемент­

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

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

замкнутой процедуры. На рисунке использованы следующие обо­

•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

106

Совокупность матриц Х<1> образует новое изображение пони­ женной четкости. Далее образуют матрицы ошибок и знаков оши­ бок

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

Второе приближение для кодируемой группы дается суммой

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-

10 8

" 1

Селектор меняющейся области

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