Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Измерение характеристик телевизионных систем при цифровом многопрограммном вещании

В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Измерение характеристик телевизионных систем при цифровом многопрограммном вещании

При освоении новой цифровой ТВ-системы надо быть уверенным, что она будет обеспечивать качество ТВ-изображения не хуже аналоговой системы ЦТ СЕКAM, вместо которой она вводится. Если новая система будет вносить большие искажения, чем аналоговая система, и иметь худшее качество ТВ-изображения, она будет неприемлема для телезрителей

Сложность контроля за качеством работы кодеков MPEG-2 заключается в том, что оценка их работы по известным измерительным сигналам аналогового телевидения не дает полной картины возникающих при компрессии видеоданных искажений - таких, как смазывание подвижных частей изображения, появление прерывистости движения и т.п. [1].

Объясняется это разницей характера преобразования ТВ-изображения в ТВ-сигналы в аналоговых и цифровых ТВ-системах с компрессией видеоданных.

В аналоговом телевидении структура ТВ-изображения складывается из отдельных строк, а в системах с компрессией видеоданных по стандарту MPEG-2 изображение разбивается на квадратные блоки размером 8 строк по вертикали на 8 отсчетов по горизонтали. В этом случае структура ТВ-изображения напоминает структуру шахматной доски.

Существующие стандартные методы измерений хорошо согласованы со строчной структурой представления ТВ-изображения, то есть они рассчитаны на измерение искажений для одномерного представления ТВ-сигнала. Поэтому такие методы оказываются малоэффективными при оценке искажений изображения с двухмерной структурой в виде квадратных блоков.

В особенной степени эта несогласованность проявляется при оценке качества подвижных ТВ-изображений. Дело в том, что известные испытательные сигналы создают на экране телевизора изображения с неподвижной структурой, поэтому с их помощью принципиально невозможно обнаружить дефекты, возникающие в цифровой системе с компрессией при передаче подвижных объектов (например, субъективное ощущение пониженной четкости ТВ-изображения при отличной сквозной АЧХ кодека, измеренной по сигналам испытательной строки).

Тем не менее проверка кодеков MPEG-2 с помощью стандартных аналоговых испытательных сигналов весьма полезна, так как она позволяет быстро выявить дефекты в аналоговых частях кодека, не связанных с компрессией видеоданных. В частности, так можно проверить неравномерность АЧХ входных и выходных фильтров АЦП и ЦАП кодека, от величины которой также зависит четкость ТВ-изображения.

Все вышеперечисленное позволяет сделать вывод о необходимости разработки новых методов и испытательных сигналов для оценки качества ТВ-изображений при компрессии видеоданных.

Особенности аналоговых и цифровых ТВ-сигналов с информационным сжатием

Сигнал аналогового вещательного телевидения отличается значительной избыточностью (низкой плотностью) текущего спектра. Соответственно, для систем аналогового вещательного телевидения характерна недостаточная эффективность использования частотного ресурса канала связи, что определяет технические требования к точности контроля амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик сети аналогового вещательного телевидения.

Методы и устройства контроля, удовлетворяющие техническим требованиям к системам аналогового вещательного телевидения, представленные, например, в книгах д.т.и. проф. М.И. Кривошеева, определили основные направления развития телевизионной измерительной техники в нашей стране приблизительно с 1950 годов и до настоящего времени.

Характерной чертой данных методов является учет тонкой специфики функционирования и характеристик систем аналогового вещательного телевидения. Указанной особенностью обусловлен выбор испытательных сигналов, таблиц и контролируемых параметров. При этом учитывалась не только специфика систем телевидения, но и накопленный в ходе эксплуатации систем аналогового телевидения практический опыт.

В итоге предпочтение было отдано интегральным методам контроля с использованием прямоугольных, синус-квадратичных, сложных синус-квадратичных импульсов, ступенчато-пилообразных сигналов, пакетов синусоидальных (косинусоидальных) колебаний с фиксированным (ступенчато изменяемым в пределах испытательной строки) уровнем и частотой колебаний, распределенных в пространстве растра испытательных изображений: градационные клинья, миры и т.д. Весь этот набор испытательных сигналов и изображений был жестко согласован со спецификой основных характеристик и контролируемых параметров систем аналогового вещательного телевидения. При относительно ограниченном количестве разработанные испытательные изображения и сигналы позволяли надежно контролировать функционирование и характеристики аналоговых систем в целом (интегральный контроль) и частных функциональных элементов таких систем (дифференциальный или адресный контроль). Применение стандарта MPEG-2 в вещательном телевидении позволяет существенно снизить скорость передачи преобразованных в цифровую форму видео-и звукоданных, что при эффективном канальном кодировании и модуляции обеспечивает возможность передачи нескольких цифровых программ в стандартной полосе частот радиоканалов эфирного, кабельного и спутникового телевизионного вещания. В спутниковом радиоканале с полосой пропускания -27 МГц при этом передаются четыре и более ТВ-программ (в аналоговой системе - одна ТВ-программа ЦТ, например, по системе СЕКАМ). Переход к цифровому многопрограммному вещанию предполагает постепенный вывод из эксплуатации аналоговых систем вещания СЕКАМ, PAL, NTSC; освобождение за счет этого радиоканалов связи (8 МГц - эфирное и кабельное ТВ-вещание, 27 МГц - непосредственное ТВ-вещание (НТВ)) и их перевод на цифровое ТВ-вещание.

В настоящее время разработаны международные стандартные методы модуляции и канального кодирования в цифровых спутниковых и наземных (эфирных и кабельных) каналах связи: стандарты DVB-S, DVB-C, DVB-T соответственно. При этом по отношению к аналоговому телевизионному каналу резко увеличивается плотность текущего спектра сигнала передачи (возрастает плотность передачи информации на бит/с/Гц), которая составляет величину >4 бит/с/Гц, что обеспечивает передачу цифрового сигнала со скоростью >24 Мбит/с в аналоговом канале с полосой пропускания, равной 8 МГц. Для получения ТВ-изображения с качеством, приблизительно соответствующим ТВ-изображению систем ЦТ ПАЛ или СЕКАМ, достаточна передача видеоинформации со скоростью около 6 Мбит/с. Увеличению плотности текущего спектра сигнала передачи способствует пакетный принцип организации потоков передачи данных в стандарте MPEG-2. Таким образом, по плотности спектра текущего сигнала передачи в канале связи или, другими словами, по плотности передачи информации на 1 Гц частотного ресурса канала связи цифровое ТВ-вещание качественно отличается от аналогового.

Другое качественное отличие обусловлено спецификой сжатия по стандарту MPEG-2: блочная дискретизация во внутрикадровой области (размер блоков 8x8) с ортогональной структурой распределения блоков в пространстве кадра, дискретно-косинусное преобразование, весовая обработка, квантование, пороговое усечение коэффициентов спектра блока с низкой интенсивностью; использование "опорных" кадров в межкадровой области, дискретно-косинусное преобразование, квантование и пороговое усечение коэффициентов спектра блоков разностных составляющих. Последнее отражает специфику функционирования межкадрового сжатия по стандарту MPEG-2.

Важное значение имеет анизотропия характеристик спектра самой исходной, ортогонального типа, структуры дискретизации в пределах пространства растра и каждого блока [2, 3]. С этим связано использование анизотропного варианта весовой обработки и, соответственно, усечения коэффициентов пространственного спектра блока.

Необходимо учитывать также специфику цифрового канального кодирования и модуляции для различных стандартов вещания: DVB-S, DVB-C, DVB-T.

В результате указанных преобразований цифровой сигнал передачи приобретает шумоподобный характер и, следовательно, обеспечивается высокая равномерность уровня его спектра в пределах частотного диапазона канала связи.

Необходимо учитывать также возникновение при этом существенно иной ситуации по сравнению с аналоговым телевидением. Искажения амплитудных и частотных характеристик канала связи однозначно не сопряжены с ухудшениями конкретных и общепринятых для аналогового телевидения параметров в качестве передачи телевизионных изображений. Такие искажения проявляются понижением в данном случае порога трансформаций и деградации в динамическом режиме систем цифрового телевидения номинальных алгоритмов декодирования изображений, что может приводить к пространственным и временным (например, фазового типа) искажениям внутрикадровой и межкадровой структуры изображений. Причем в декодированном изображении в произвольные моменты могут возникать заметная дестабилизация положения блоков на границах подвижных объектов или полная деградация части блоков изображения в моментах резкой смены сюжета.

Контроль характеристик тракта при передаче видеоданных с информационным сжатием

Увеличение плотности спектра сигнала передачи информации обусловливает необходимость увеличения точности контроля характеристик каналов связи. Технические предложения, обеспечивающие увеличение точности измерения характеристик, ранее были разработаны для аналогового телевизионного вещания в научно-исследовательской лаборатории цифровой обработки телевизионных сигналов при НИЧ МТУСИ (НИЛ-11) в 1984 г. [4-8]. По существу, в данных предложениях были конкретизированы методы прецизионного измерения амплитудно-частотных характеристик и частотных характеристик группового времени распространения составляющих рабочего сигнала. В основе этих методов лежит переход к относительному и дискретному в пределах частотного диапазона и во времени контролю уровня и задержки пакетов синусоидальных (косинусоидальных) колебаний. Увеличение точности контроля достигается в данном случае за счет выбора относительно большой протяженности отдельных пакетов, уменьшения в частотно-временном пространстве перекрестных искажений между ними, накопления полного ансамбля отсчетов измеряемых характеристик с их последующим контролем и воспроизведением.

В настоящее время данные предположения могут быть качественно трансформированы с учетом специфики сжатия, канального кодирования и модуляции сигналов в системах многопрограммного цифрового телевизионного вещания, однако следует учесть существенную разницу в измерениях в системах DVB-T, DVB-C и DVB-S.

Для разработки методов измерения характеристик отдельного радиоканала целесообразным представляется обеспечить прецизионный контроль с учетом специфики функционирования и характеристик стандарта DVB-T. При этом необходимо учесть многомерный характер преобразований сигналов при сжатии по стандарту MPEG-2. Измерение, в частности, характеристик внутрикадрового сжатия обусловливает переход к качественно новой, двумерной, структуре испытательных сигналов. Другим направлением совершенствования структуры испытательных сигналов является контроль характеристик межкадрового сжатия спектра телевизионного сигнала. Разработанные испытательные сигналы должны также обеспечивать адресный контроль элементов канального кодирования и модуляции. Безусловно, необходимо совершенствовать и прямое измерение амплитудно- и фазо-частотной характеристик телевизионного радиоканала. Здесь следует, с учетом характерного для стандарта DVB-T принципа модуляции, обратить особое внимание на увеличение точности измерения амплитудной и амплитудно-частотной характеристик канала связи. Важным результатом выполнения данной работы является жесткое нормирование технических требований к характеристикам и параметрам аппаратуры передачи сигналов в каналах связи по стандарту DVB-T.

Совершенно другую специфику должны иметь разработанные методы измерения для контроля сквозных амплитудных и частотных (амплитудно-частотных и фазочастотных) характеристик для систем кабельного ТВ. Возникает необходимость разработки методов применения и структуры испытательных сигналов для контроля характеристик широкополосного прямого и обратного каналов. При этом следует обеспечить высокую точность контроля во всей рабочей полосе частот (например, прямого канала от 44 до >1000 МГц с динамическим выделением зон для приоритетного увеличения точности контроля). Необходимо качественно переработать структуру ЛЧМ сигнала для сканирования такой чрезвычайно широкой полосы частот.

Приоритет работ в указанном направлении определяется не только отсутствием высококачественных решений в данных областях в нашей стране, но и за рубежом. С другой стороны, при проведении работ в направлении создания аппаратуры в области измерительной техники технологические препятствия минимизируются и открывается возможность получения конкурентоспособных результатов за счет выявления новых оригинальных научно-технических решений.

В настоящее время научно-технические работы в области создания новых эффективных методов и средств контроля параметров и характеристик систем цифрового телевидения активно проводятся в научно-исследовательской части МТУСИ (научно-исследовательская лаборатория цифровой обработки сигналов при кафедре телевидения). Отдельные направления данных исследований являются темами диссертационных работ. В частности, разрабатываются методы и алгоритмы объективного контроля качества передачи в системах цифрового телевидения движущихся объектов, оценки сопутствующих сжатию пространственно-временных искажений изображений, геометрических трансформаций тонкой структуры изображений и др.

Элементы испытательной таблицы

Поскольку системы цифрового сжатия существуют всего несколько лет, адекватные методы объективного контроля еще не разработаны в достаточной степени. До сих пор главным инструментом оценки качества изображения и звука остаются методы субъективных экспертиз. Так как эти методики достаточно сложны, требуют больших капиталовложений и временных затрат, остается актуальным вопрос разработки новых методик объективного контроля как самих ТВ-изображений, так и характеристик цифровых трактов.

В настоящее время направления разработки объективных методов оценки изображений можно разбить на две группы:

  1. 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;
  2. разработка методов непосредственной оценки качества изображения с учетом природы зрительного восприятия человека.

Для цифровых систем со сжатием спектра характерно изменение пространственно-временных характеристик в пределах динамического диапазона передаваемого телевизионного сигнала. Это является главным отличием цифрового телевидения от аналогового и существенно расширяет необходимый ресурс испытательных сигналов.

В этом отношении значительный интерес представляют сигналы, обеспечивающие дискретно-периодический анализ структуры характеристик систем цифрового телевидения в пределах амплитудного и частотного диапазона, точность которого может быть увеличена за счет последовательных трансформаций формы испытательного сигнала.

На рис. 1 показано одно из испытательных изображений, с применением которого обеспечивается контроль искажений, связанных с потерей разрешающей способности при сжатии по стандартам JPEG и MPEG. Данное изображение разработано в ходе выполнения НИР в лаборатории цифровой обработки телевизионных сигналов научно-исследовательской части МТУСИ. За счет изменения уровня испытательного сигнала в пределах области локализации на рис. 1 (уровень по строго определенному закону возрастает от краев к центру) учитывается специфика сквозных пространственно-частотных характеристик систем цифрового сжатия с применением ДКП. В результате появляется возможность для объективной оценки степени ухудшения разрешающей способности в системах с цифровым сжатием. Увеличение степени сжатия трансформируется в данном случае в уменьшение области локализации испытательного изображения. При сопоставлении рис. 1 и рис. 2 можно заметить, что малоконтрастные элементы на краях испытательного изображения сливаются с фоном. Это в конечном итоге приводит к уменьшению размера испытательного изображения и обеспечивает условия для введения объективного контроля систем цифрового телевидения со сжатием спектра. Поворот испытательного изображения (см. рис. 1) позволяет изменять направления контроля разрешающей способности во внутрикадровом пространстве.

Однако применение подобных методов измерения характеристик может быть реализовано лишь на основе использования численных методов обработки результирующих сигналов, обеспечивающих высокую точность анализа пространственной структуры испытательных изображений.

Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности дальнейшего развития исследований в части создания методов объективного контроля качества передачи внутрикадровой и межкадровой структуры телевизионных изображений в современных системах цифрового вещательного телевидения со сжатием спектра.

Литература

  1. Севальнев Л.А. Оценка качества телевизионного изображения в цифровых системах со сжатием// Телерадиовещание. Информационный сборник. Учредитель и издатель ОАО ВНИИТР. 2003. № 2.
  2. Безруков В.Н. Анализ характеристик спектра ортогональных структур квазипериодической дискретизации в системах телевидения// Радиотехника. 1989. № 12. С. 3-7.
  3. Безруков В.Н. Принципы построения и анализа характеристик спектра структур дискретизации телевизионных изображений// Техника кино и телевидения. 1990. № 7. С. 7-23.
  4. Ах. СССР. Способ измерения амплитудно-частотной характеристики и характеристики относительного времени распространения фазы в телевизионной системе и устройство для его реализации/ Безруков В.Н.; Опубл. в БИ, 1985, № 13.
  5. Ах. СССР. Способ измерения амплитудно-частотной характеристики и характеристики относительного времени распространения фазы в телевизионной системе и устройство для его осуществления/ Безруков В.Н.; Опубл. в БИ, 1985, № 14.
  6. Проектирование и техническая эксплуатация телевизионной аппаратуры. Учебное пособие для вузов/ В.Н. Безруков, B.C. Беляев, Г.Т. Дерибас и др.; под. ред. СВ. Новаковского. Гл. 12. М.: Радио и связь. 1994. С. 316-350.
  7. Безруков В.Н., Кардонская И.Л. Контроль амплитудно-частотных характеристик видеотрактов систем телевидения// Метрология и измерительная техника в связи. 2001. № 3.
  8. Безруков В.Н., Кардонская И.Л. Определение характеристик относительного времени распространения// Метрология и измерительная техника в связи. 2001. № 5.

Заведующий кафедрой телевидения МТУСИ
Вадим Безруков

Заведующий отделом ВНИИТР
Лев Севальнев

Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #2, 2004
Посещений: 21693

Статьи по теме

  Автор

Вадим Безруков

Вадим Безруков

Заведующий кафедрой телевидения МТУСИ

Всего статей:  1

  Автор

Лев Севальнев

Лев Севальнев

Заведующий отделом ВНИИТР

Всего статей:  1

В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций