Какая ситуация с внедрением ТВЧ? Что делают ведущие фирмы за рубежом и у нас по улучшению качества изображения телевизоров, пока не завершены работы по ТВЧ (телевизоры IDTV, системы ПАЛ- плюс, СЕКАМ-плюс)? Чем отличаются телевизоры IDTV от обычных? Зачем удваивают частоту полей? Какова концепция построения блоков повышения качества фирм Philips и Siemens? Что такое медианная фильтрация? На все эти вопросы можно найти ответы в публикуемой статье.
Исследований в области телевидения высокой четкости (ТВЧ} до настоящего времени не завершены, поэтому еще не принята и единая система. Однако в Японии уже ведут опытные передачи в системе МиЗЕ. Это система ТВЧ с чересстрочной разверткой, числом строк 1125, частотой полей 60 Гц и полосой частот видеосигнала 8 МГц. Для уплотнения информации в ней используют адаптивное к движению точечное перемежение отсчетов. На изменяющихся частях изображения берут отсчеты соседних строк, а на неподвижных — отсчеты соседних полей и даже кадров. Тактовая частота первичной дискретизации — 48,6 МГц.
В Европе длительное время проводили работы по ТВЧ в рамках проекта "Эврика". Предполагалось сначала внедрить аналоговую систему О2-МАС, обеспечивающую повышение качества изображения а потом перейти к системе НD-МАС, совместимой с D2-МАС. Система НD-МАС предусматривает чересстрочное разложение по стандарту 1250 строк, 50 полей и формат изображения 16:9. Для уплотнения информации используют разные частоты повторения для неподвижных и движущихся фрагментов изображения. При этом возможны три режима: для неподвижных участков частота повторения равна 12,5 Гц, для медленно перемещающихся — 25 Гц. а при быстром движении — 50 Гц, Выбор режима обеспечивается для каждого блока изображения. Размер блоков — 8 отсчетов на 8 строк. Для управления режимом работы в интервале гашения полей передают специальный управляющий сигнал со скоростью 1 Мбит/с. В настощее время работы по системе НD-МАС прекращены.
МККР в 1990 г. принял рекомендации по параметрам единой системы ТВЧ (документ N811/1007 от 24.05.90 г.). В документе предложено разработать цифровую систему ТВЧ с прогрессивной разверткой, форматом изображении 16:9, числом отсчетов 1920 в строке и цифровым потоком 0,8...1,2 Гбит/с. В соответствии с этими рекомендациями фирмы США провели работу по уплотнению телевизионной информации цифровыми методами обработки сигнала. Результаты этой работы были продемонстрированы на совещании МККР в 1992 г. Сигнал яркости с полосой 20 МГц и два цветоразностных сигнала с шириной спектра 10 МГц удалось уплотнить так, что они могут передаваться по каналу связи с полосой 4,5 МГц. Однако при этом требуется весьма высокое быстродействие микросхем (СБИС) и высококачественный канал связи, обеспечивающий более жесткие требования к равномерности группового времени задержки, чем это требуется для системы НТСЦ.
Принятие единой системы ТВЧ и ее внедрение можно ожидать после оптимизации полученного в США задела и разработки новых СБИС с высокой топологической плотностью. Оптимизация параметров стандарта, по-видимому, будет направлена в сторону некоторого сокращения числа строк и отсчетов в строке, поскольку возможности стандартов на 1250 и 1125 строк не реализуются в масочных кинескопах.
До завершения работ по ТВЧ ведущие телевизионные фирмы направили усилия на совершенствование действующих систем телевидения и разработку телевизоров, в которых стандартные сигналы ПАЛ, СЕКАМ, НТСЦ подвергаются дополнительной обработке, повышающей качество цветного изображения (телевизоры повышенного качества —IDTV). В течение нескольких последних лет фирмы Grundik, Nokia, Philips, Thomson проводили разработку системы ПАЛ-плюс. Эта система обеспечивает получение на экране специального телевизора ПАЛ-плюс широкоформатного изображения 16:9 с вертикальной четкостью 625 строк. На экранах обычных телевизоров с форматом 4:3 получается широкоформатное изображение с темными полосами в верхней и нижней частях экрана, как при воспроизведении широкоформатных кинофильмов. Вертикальная четкость при этом снижается до 432 строк. Во время передачи затемненных участков растра видеосигнал содержит дополнительную инфор
ре ПАЛ-плюс. Эта информация передается на поднесущей ПАЛ способом амплитудной модуляции.
В первом квартале 1994 г. в России начаты работы по созданию системы СЕКАМ-плюс. Предполагается участие в исследованиях западноевропейских фирм. Для упрощения телевизора система СЕКАМ-плюс должна быть по возможности близкой к ПАЛ-плюс. С целью передачи дополнительной информации будут использованы цветовые поднесущие СЕКАМ с модуляцией по амплитуде.
Большинство ведущих телевизионных фирм разрабатывают телевизоры по существующим стандартам с улучшенными параметрами, т.е. телевизоры повышенного качества (ТПК) - ЮТУ. При их разработке возможны два этапа. На первом этапе
присущие используемому стандарту. В системе СЕКАМ это — пере
поднесущим, искажения горизонтальных цветовых переходов и мерцания на вертикальных цветовых переходах. Перекрестные искажения устранены в декодерах, где ультразвуковая линия задержки заменена на электронную (ТбА46Б1). Искажения горизонтальных переходов обусловлены ограничением выбросов на передающей стороне. При этом обычные обострители фронтов (ТРА4565) не эффективны. Если задержка в таком обострителе выбрана меньше 1,5 мкс.
Если же задержку увеличить, то подавляются мелкие цветовые детали. Поэтому целесообразно устранить ограничение поло сы частот канала цветности, для чего нужно использовать частотные детекторы в виде системы ФАПЧ, а не детекторы с фаз о вращающим контуром, и ввести в декодер СЕ-КАМ восстановитель ограниченных выбросов. Для устранения мерцания вертикальных цветовых переходов применяют так называемую вертикальную фильтрацию цветораэностных сигналов.
На втором этапе разработки телевизоров ЮТУ добиваются уменьшения искажений, одинаковых для разных систем и вызванных чересстрочным стандартом разложения. Чересстрочная развертка приводит к заметности строчной структуры, поскольку к началу второго поля яркость строк первого уменьшается. При увеличении яркости изображения становятся заметными мерцания на крупных деталях. Порогом для частоты полей 50 Гц считают яркость 100 нит, давно превзойденную в масочных кинескопах. Для уменьшения заметности мерцаний необходимо увеличить частоту смены полей.
Причину такого мерцания поясняет рис. 1, структура последовательных полей на котором представлена в вертикально-временной системе координат. Такая картина получается, если условную точку наблюдения выбрать сбоку от кинескопа. Пусть при этом воспроизводится изображение, на котором верхняя половина экрана — темная, а нижняя — светлая. В результате граница между темной и светлой частями растра будет находиться то ниже строки гп первого поля, то выше строки п второго поля. Очевидно, что эта граница при переходе от поля к полю колеблется в вертикальном направлении с частотой 25 Гц, что создает хорошо заметные мерцания.
Для устранения искажений, вызванных чересстрочной разверткой, в цветной телевизор вводят блок повышения качества изображения, который включают между декодером и видеопроцессором. В телевизоре повышенного качества обычно устанавливают также модули, обеспечивающие дополнительные удобства для пользователя: модуль телетекста и устройство "кадр в кадре".
В основе концепции построения блока повышения качества изображения лежит использование устройств видеопамяти на строку и поле. При этом возможны две модификации видеотракта. В первой, структурная схема которой показана на рис. 2, применяют аналоговый декодер (например, микросхему ТПД9141 с частотным детектором ФАПЧ и без внешних резонансных контуров). Сигналы V, В.-У и В-У с его выходов дискретизируются тремя АЦП (или строенным АЦП в виде одной микросхемы). Цифровые сигналы мультиплексируются и поступают по общей шине в блок повышения качества. Затем обработанные сигналы демультиплексируются и переводятся в аналоговую форму тремя ЦАП. Вторая модификация канала, структурная схема которой изображена на рис. 3, предусматривает дискретизацию полного цветового сигнала одним АЦП. Цифровой сигнал демодулируется в многостандартном декодере. Затем цифровые демодулированные сигналы обрабатываются, как и в первой модификации, блоком повышения качества, демультиплексируются и преобра
Разработан уже и новый комплект БИС фирмы Philips для цифрового декодирования серии SАА7. В ней применены принципиально новые алгоритмы обработки сигнала. Микросхема 5АА7191 обеспечивает демодуляцию сигналов ПАЛ, НТСЦ-М и СЕЧАМ. 5АА7157 —тактовый генератор С ФАПЧ. 5АА7192 — матрица, преобразующая три мультиплексированные сигнала (яркостный и два цветоразностных) с выхода декодера в восьмиразрядные сигналы R, G, В. Предусмотрена также за-держка сигнала яркости. Возможны несколько режимов работы: с разными форматами входных сигналав, а также без матрицирования. SAA7152 содержит вертикальный фильтр, разделяющий сигналы яркости и цветности систем НТСЦ и ПАЛ.
Блок повышения качества изображения фирмы Philips обеспечивает подавление шумов и преобразование стандарта развертки.
Стандарт развертки можно преобразовать двумя способами: переходом к прогрессивной развертке или удвоением частоты полей. Прогрессивное разложение получается, если сигналы с входа и выхода запоминающего устройства (ЗУ) на поле записывать в два буферных ЗУ на строку и поочередно считывать. При этом устраняется строчная структура изображения, но сохраняется мерцание на больших ярких полях. Для такого преобразования используют двупортовое ЗУ на поле, информацию из которого считывают с удвоенной скоростью (тактовая частота 27 МГц). В блоке фирмы Philips используют стандартные двупортовые динамические микросхемы (ЗУПВ), например TMS4C1070 фирмы Texas Instrument с организацией 256Кх4. Для формирования памяти на одно поле необходимо три таких микросхемы.
Возможны два вида преобразования в 100 Гц: А-А-В-В и А-В-А-В. Первый называют удвоением числа полей. Он устраняет мерцания на больших площадях, но не изменяет заметность строчных мерцании. Второй вид преобразования(удвоение кадров) увеличивает частоту строчных мерцаний до 50 Гц и делает его малозаметным. Однако при этом возникают искажения на подвижных сюжетах, Для уменьшения таких искажений требуется детектор движения.
Подавитель шумов выполняют на микросхеме SAA4940 и БИС памяти на поле, образующих рекурсивный фильтр, структурная схема которого показана на рис. 4. В нем обрабатывается восьмиразрядный сигнал яркости и мультиплексированный четырехразрядный сигнал цветоразностных составляющих с тактовой частотой 13,5 МГц. Вместе они образуют двенадцати бито вый цифровой поток. Минимальный объем памяти - 702x12*287= 242010а бит. Коэффициентом передачи К рекурсивного фильтра управляет детектор движения. Алгоритм работы фильтра определяется с отношением
При К=1 входной сигнал без изменений проходит на выход. Если К=0, фильтр переходит в режим "замороженного" изображения. При этом происходит рециркуляция и на выход поступает только информация, записанная в памяти. Детектор движения сравнивает сигналы соседних полей и, если они отлича передачи К с 0,5 до 0. Сигналы с выхода подавителя шу SAA7158, в которой цифровой поток демультиплексируется, происходят цифровая фильтрация яркостного и цветоразностных сигналов и преобразование их в аналоговую форму. Возможны разные режимы фильтрации: усреднение сигналов двух строк или медианная фильтрация. Сущность медианной фильтрации заключается в том, что каждый отсчет выходного сигнала формируется из медианных отсчетов входных сигналов. Для этого берут отсчеты А и С из двух смежных строк одного поля и отсчет В из предыдущего поля. Если значения трех отсчетов разные, медианный алгоритм использует отсчет со средним значением смежных строк.
Преимущество такой обработки состоит в том, что в отличие от усреднения, сохраняются фронты и спады импульсов без затягивания и, в то же время, подавляется строчное мерцание.
Пусть, например, значения отсчетов в смежных строках п и п+1 одного поля m будут (в условных единицах)
9-9-7-5-3-3-3-3 и
9-9-9-9-7-5-3-3, а в предыдущем попе т-1 —
9-9^-9-7-5-3-3-3.
В результате усреднения отсчетов смежных строк получится
9-9-8-7-5-4-3-3.
Следовательно, произойдет существенное затягивание спада. Если же провести медианную фильтрацию этих отсчетов, то длительность спада сохранится:
9-9-9-7-5-3-3-3.
Концепция фирмы Philips предусматривает различные модификации выполнения блока повышения качества, в том числе упрощенный, в ко SAA7165, не содержащая медианного фильтра.
БИС имеет трехпортовую архитектуру и объем на 312x64x16x4= 868352 бита. Она содержит 64 параллельно включенные матрицы, каждая матрица состоит из 212 строк, содержащих по 64 столбца. Строки и столбцы матриц можно адресовать независимо. Для увеличения потока информации четырехбитовые данные на входе и двух выходах преобразуются из параллельных в последовательные. Благодаря этому за время, пока заполняется входной регистр, в микросхеме проходит четыре цикла обработки: два считывания с частотой 27 МГц для преобразования стандарта разверт
петли обратной связи рекурсивного шумоподавляющего фильтра и запись новой информации из входного регистра. Это повышает быстродействие микросхемы в 16 раз. Три сдвиговых регистра, входящие
Быстродействие и особенности адресации микросхемы SDA9251 позволяют получить функции подавления шумов и удвоения частоты полей с использованием не двух, а всего лишь одного ЗУ на поле, включающего 3 себя три микросхемы SDA9251 (общий объем памяти — 3x868352=2605056 бит). На вход С микросхемы памяти поступает записываемая информация с тактовой частотой 13,5 МГц, С выхода В снимаются данные с той же тактовой частотой и используются для замыкания петли обратной связи рекурсивного фильтра подавления шумов. Наконец, с порта А считывается содержащаяся в памяти информация с тактовой частотой 27 МГц и, следовательно, удваивается частота полей. Полный цикл работы микросхемы состоит из четырех подциклов: 1) считывание с порта А; 2) считывание порта А; 4) запись через порт С. Следует отметить, что быстродействие микросхемы SDA9251 настолько велико, что на ней можно строить узлы декодера Т8Ч.
Цифровые сигналы поступают на процессор изображения SDA9290 (см. рис.5). Эта БИС содержит узел повышения качества в виде рекур-
цветов, и процессор мупьтиизображения, который может также сканировать тюнер. ЗУ рекурсивного фильтра собрано на трех микросхемах SDA9251, адресация которых обеспечивается контроллером SDA9220. Коэффициентом передачи
Обработанные в блоке повышения
микроросхему выходного интерфейса SDA9094. В этой БИС происходит управляемая по шине 1гС задержка сигнала яркости, демультиплексирование и интерполяция цветораз
формутремя ЦАП.
В качестве примера рассмотрим построение видеоканала разрабатываемого отечественного телевизора ТПК. Структурная схема видеоканала показана на рис.6. Декодером сигналов в нем целесообразно использовать аналоговую CBMCTDA9141. Яркостный и цветовой переводятся в цифровую форму тремя АЦП TDA8709. Затем два восьмиразрядных цветоразностных сигнала преобразуются в мультиплексированный четырехразрядный сигнал, который вместе с сигналом яркости передается дальше по единой двенадцатиразрядной шине. Вместо трех АЦП можно применить строенный АЦП SAA9205 фирмы Siemens. ЗУ на попе можно собрать на ЗУПВ TMS4C1070 фирмы Texas Instrument. На каждое ЗУ потребуется по три таких микросхемы. Функции подавления шумов выполняет микросхема SAA4940. В микросхеме SAA7158 обеспечиваются медианная фильтрация сигнала в аналоговую форму. Оперативные регулировки и матрицирование сигналов R, G, В происходят s аналоговом видеопроцессоре TDA4686. Три широкополосных видеоусилителя TDA6111 формируют видеосигналы с размахами, необходимыми для модуляции масочного кинескопа.
