Основни понятия - видео

- Секция Мултимедия

1.      Аналогов видеосигнал

Аналогови видеосигнали се използват в телевизията, аналоговите видеокамери и видеокасетофони. В аналогова форма видеоинформацията се представя като кадри с помощта на променливи стойности на напрежението. Всяко видео изображение се състои от поредица кадри, като всеки кадър представлява съвкупност от последователно светещи линии, предаващи изображението. От своя страна всяка линия се състои от определен брой
пиксели, представляващи съвкупност от трите основни цвята червен (Red), зелен (Green) и син (Blue). Доказано е, че за да бъдат възприемани движещи се изображения като непрекъснати, скоростта на промяна на кадрите трябва да бъде поне 24 пъти за една секунда. При телевизията е възприет презредов режим, при който в един кадър първо се обновяват нечетните линии, а след това четните. Това обновяване за нечетните и четните линии се извършва 25 пъти в секунда (при телевизионни системи PAL и SECAM) и 30 пъти в секунда (при NTSC).
   В първите аналогови телевизионни и видеосистеми съставните части на видеосигнала чернобял цвят (яркост), синхронизиращи импулси и цвят се комбинират в един сигнал, наречен композитен (Composite Video).
  
За повишаване качеството на изображението по-късно е разработен компонентният метод за представяне на видеосигнала. При този метод видеосигнала се разбива на отделни съставящи (Component Video).
   Днес най-голямо разпространение имат две системи за компонентно видео: двупроводна - S-Video (или още У/С) и трипроводна - RGB. При двупроводната система отделно се предават яркостта (У) и цвета (С). Използва се в апаратура от типа S-VHS и Hi-8. При RGB видеосигналът се разделя на три компонента - червен (Red), зелен (Green) и син (Blue). Използва се за професионални видео продукции и в компютърните монитори.
   
    1.1. Методи за представяне на видео сигнали
 
    Композитен видеосигнал (Composite Video). Използва се само една линия за предаване на цялата видеоинформация - черно-бялата, цветовата информация и сигналите за синхронизация са смесени заедно. Композитния видеосигнал, използван в телевизията съдържа едновременно два сигнала по едно и също време: черно-бял сигнал със синхронизиращи импулси и цветен сигнал.
Черно-белият сигнал е основен и има честота в границите от 0 до 6 MHz, в зависимост от телевизионния стандарт. Чернобелият сигнал се означава с Y (яркост). Той се получава от смесването на три цвята - червен (R), зелен (G) и син (В):
    Y== 0.30R + 0.59G + 0.11B.
    Тъй като чернобелият сигнал винаги се предава, а той е комбинация от останалите три, то за предаване на целия цвят е достатъчно да се предадат само два от останалите цветове, а третия може да бъде изчислен. В телевизията се предават две цветови разлики: R-Y (червен цвят - чернобял) и B-Y (син - чернобял). Тъй като човешкото зрение в по-малко чувствително към промяната в цветовете в сравнение с яркостта, то за предаването им се използва по-малка
разделителна способност. Двата цветни сигнала се мултиплексират с определена носеща честота, която е част от честотната лента на черно-белия сигнал. Тази честота се избира по такъв начин, че спектралните пикове на цветните сигнали да се получават между пиковете на ернобелия сигнал. Композитният видеосигнал се използва в телевизионните стандарти PAL, SECAM или NTSC, и във видеокасетофоните и камерите от типа VHS (Video Home System) и Video-8. В първите битови устройства са използвани по-прости лентови филтри, с които в значителна степен се е понижавала точността на изображението - разрешителната им способност е 240 телевизионни линии. Дори пълното използване на всички сигнали не дава възможност за ефективното им разделяне. За решаване на този проблем е създаден нов метод за предаване на видеосигнал - посредством две линии.
    S-Video (известен и като У/С). Използва две отделни линии за предаване на видеосигнали Y и С. Y служи за предаване на чернобелия (яркостния) сигнал и импулсите за синхронизация, a С (Chrominance) - за предаване на модулирани цветни сигнали. Отделянето на сигналите осигурява по-високо качество на получаваната видео картина и възможност за извеждане на 400 линии. Този метод се използва при запис и възпроизвеждане в апаратура от типа S-VHS и Hi- 8.
    Компонентен YUV видеосигнал (Component Video). При компонентния видеосигнал изображението се предава като съставено от три компонента, предавани отделно: яркост и два сигнала с цветови разлики (фиг. 1.). То има различни означения: YCrCb=YPrPb=YUV=Y,R-Y,B-Y. Компонентния видеосигнал е с високо качество и се използва в телевизионната индустрия. Поддържа разделителна способност от 500 линии.
 


 

 
           Фиг. 1. а) оригинално изображение; б) Y канал; в) U канал; г) V канал
 
    RGB Video. Този метод осигурява най-висококачествения видеосигнал. При него се предават трите основни цвята (фиг. 2.), като липсва кодиране и модулация. По този начин се осигурява точно предаване на видеосигнала.
Използва се в професионални аудио-видео продукции и в цифровото видео за компютри. Данните за всеки от трите цвята се предават по отделна линия.
 
 

                          a)                                  б)                                 в)                                   г)
      
        Фиг. 2. а) оригинално изображение; б) Red канал; в) Green канал; г) Blue канал


 
    1.2. Аналогови телевизионни стандарти
 
    Днес в света съществуват три основни аналогови телевизионни стандарта: PAL, NTSC и SECAM. Всички те са презредови, т.е. един кадър от телевизионното изображение се състои от два полукадъра - едно от нечетните и едно от четните линии. Електронния лъч обхожда първо нечетните редове, като започва от горния ляв ъгъл на първия ред, а след това обхожда всички
нечетни редове. Ако времето за обхождане на редовете е достатъчно малко, поради инертността на човешкото зрение се добива впечатление за цял кадър. За да се добие впечатление за подвижна картина кадрите трябва да бъдат обновявани с честота поне 24 кадъра в секунда. В телевизионните системи се използва честота от 25 Hz (при PAL и SECAM) и 30 Hz (при NTSC) за обновяване на кадрите. За изобразяване на полукадрите честотата е двукратно по-висока - съответно 50 Hz и 60 Hz, което съответства на използваните честоти за напрежението в съответните държави. По този начин се избягва и интерференцията.
    NTSC (National Television System Committee). Използва се в САЩ, Япония, Латинска Америка. Честотата на полукадрите е 59,94 Hz. Телевизионната система NTSC (използвана в САЩ и Япония) има 525 хоризонтални линии и всеки кадър се обновява 30 пъти в секунда. NTSC кадрите обикновено се дигитализират в разделителна способност 640x480. Честотата за предаване на цвят е 3,58 MHz. Двата цветни сигнала се модулират като се използва квадратична амплитудна модулация.
 
    PAL (Phase Alternation Line). Използва се в по-голямата част на Европа. Тъй като на нашия континент честотата на захранването е 50 Hz, то и честотата за изобразяване на полукадрите също е 50 Hz. Броят на линиите в един кадър е 625. От тези 625 линии, 50 се използват за телетекст и остават 575 видими линии за носител на информация. При използване на съотношение за ширина:височина на видеоизображението 4:3, при 768 вертикални линии, броят на редовете се закръглява на 576. Ето защо видеопрехващащите карти най-често дигитализират 576 линии, като ги разделят на 768 сегмента. Цветовата информация се предава на честота 4.43 MHz c ширина на честотната лента 1,4 MHz. PAL използва променена квадратична амплитудна модулация на цвета, при която в началото на всеки ред се променя фазата на носещата честота. Това дава възможност на декодера да комбинира цветовата информация от двата полукадъра, като използва закъснителна линия в телевизора. По този начин се елиминират фазовите грешки. Използваните варианти на PAL се различават по честотната лента на черно-белия (яркостния) сигнал - 5, 5,5 или 6 MHz и честотата за предаване на звука.
 
    SECAM (Sequentiel Coleur A Memoir). Използва се във Франция, Русия и част от Източна Европа. Честотата на изобразяване на полукадрите (50 Hz) и броя на линиите в един кадър (625) са същите, както при PAL. Основната разлика е при предаването на цветовете. SECAM използва честотна модулация на честотата на цвета и предава само един цветови компонент за ред. В един ред се предава R-Y сигнал, а в следващия - B-Y сигнал. С помощта на закъснителни линии тези сигнали се комбинират за получаване на цветна картина.
   
     2. Цифрово видео
 
     2.1. Същност
    Цифровият видеосигнал се получава от аналогов видеосигнал посредством използване на АЦП, който отчита нивата на сигнала през точно определено време (честота на дискретизация). След присвояване на двоични числа на тези отчети цифровият видеопоток се съхранява в запомнящо устройство (магнитна лента, оптичен диск, твърд диск или оперативна памет) или се разпространява (чрез телекомуникационна мрежа, Internet, сателит или цифрова телевизия). По
време на възпроизвеждане върху аналогови устройства се извършва цифрово- аналогово преобразуване. Предимство на цифровото видео е, че за разлика от аналоговото видео, може да бъде извършван многократен презапис без загуба на качество. Цифровите сигнали почти не се влияят от шумове, интерференция и други проблеми с качеството. В същото време оборудването за цифрово видео днес е по-евтино иима по-голяма производителност и възможности в сравнениес оборудването за аналогово видео. Тъй като конвертирането на аналогов видеосигнал в цифров изисква широка честотна лента, в много случаи се налагаизползване на съвременни алгоритми за компресиране. По този начин се постига значително намаляване на обема на информацията без съществено намаляване на качеството. Днес цифровите видеотехнологии намират голямо приложение в мултимедията и телевизионната индустрия.


 
    2.2. Стандарт за цифрово видео ITU-R BT.601 (CCIR 601)
 
ITU-R BT.601 е стандарт за цифрова телевизия, публикуван през 1990 г. Той определя размера
на кадрите {CIF, QCIF и др.), правилата за преобразуване на стандартния аналогов сигнал (NTSC, PAL, SECAM) в цифрови компонентни сигнали и методите за кодиране на цифровия видеосигнал. При преобразуване на аналогов сигнал от стандарти PAL и SECAM големината на кадъра е 720x576 пиксела при честота 25 кадъра за секунда, а при NTSC е 720x480 при 30 кадъра за секунда.
Стандартът ITU-R BT.601 е бил първия опит за преход от два несъвместими аналогови телевизионни формата в обща цифрова структура. След дискретизацията на аналоговия компонентен сигнал се получават три цифрови компонентни сигнала. В най-известния формат за дискретизация - 4:2:2 за сигнала Y (аналогова яркост) се използва честота на дискретизация 13,5 MHz, a за всеки от сигналите за цветова разлика U и Vce използва честота на дискретизация 6,75 MHz. Стойностите на тези честоти на дискретизация се получават от теоремата на Найквист: честотата на дискретизация трябва да бъде двукратно по-висока от максималната аналогова честота.
   
    2.2.1. Формати за размер на кадрите
 
    CIF (Common Intermediate Format)
    Използва се при ниски скорости на предаване на информацията със скорост до 30 кадъра за секунда. Използва цветово представяне във формат 4:2:0. Извеждането на видеоизображението на екрана е прогресивно (ред след ред).
Поддържат се няколко размера:
   
    • CIF - за видеосигнали във формати PAL и SECAM се поддържат 352x288 пиксела в кадър за сигнала за яркостта (У) и по 176x144 пиксела за двата сигнала за цветност. За видеосигнал във формат NTSC се поддържа съответно 352x240 за Y сигнала и 176x120 за сигналите за цветността.
    • QCIF - форматът на кадъра е 1/4 от CIF. Съответно 176x144 за PAL и SECAM; 176x120 за NTSC.
    • SQCIF - форматът на кадъра е 1/9 от CIF. Съответно 128x96 за PAL и SECAM; 128x80 за NTSC.
    • 4CIF - форматът на кадъра е 4 пъти по-голям от CIF. Съответно 704x576 за PAL и SECAM; 704x480 за NTSC.
   
    SIF (Standard Interchange Format)
    Използва се в MPEG стандартите. Този формат също е прогресивен с цветово представяне във формат 4:2:0. Скоростта на възпроизвеждане на кадрите е 25 или 30 кадъра за секунда. Поддържат се два размера на кадрите, подобни на CIF
   
    • SIF- 360x288 пиксела за PAL и SECAM; 360x240 пиксела за NTSC.
    • QSIF- 180x144 пиксела за PAL и SECAM; 180x120 пиксела за NTSC.
   
    2.2.2. Метод YCrCb за преобразуване цветовете на аналогов видеосигнал
   
   YCrCb (YCRCB или YCRCB) представлява метод за преобразуване на цветовете на аналоговия видеосигнал в цифров вид. Описан е в стандарта ITU-R ВТ.601 и е частен случай на YUV. Той определя, по какъв начин стойностите на компонентните аналогови сигнали се преобразуват в 8-битови цифрови стойности. Сигналът за яркостта (У) приема стойности в диапазона от 16 (чер) до 235 (бял).
    Сигналите за цветността (Сг и СЬ) могат да приемат положителни и отрицателни значения и се кодират с числа в диапазона от 16 до 240, като 128 е нулевото значение. Преобразуванието може да бъде представено чрез формулите:
    У = 16 + (219/255) *Уа;
    CR = 128 + 112 * (0.5 / 0.701 )*(Ra- Ya);
    Св = 128 + 112 * (0.5 / 0.886) * (6а - Ya).
    където Уа, Ra и Ва представляват аналоговите стойности, съответно на сигналите за яркост , за червена и синя цветност.
    Преобразуването на компонентния сигнал RGB в YCRCB се извърши по следния начин:
    У= (77/256)Я + (150/256)G + (29/256)6
    CR = (131/256)Я - (110/256)G - (21/256)6 + 128
    Св= -(44/256)R - (87/256)G + (131/256)6 + 128
    За обратното преобразуване от YCRCB в RGB се използват формулите:
    Я=У+1.371 (Ся-128)
    G = У- 0.698(CR -128) - 0.336(Cs -128)
    6=У+1.732(Св-128)
    Съгласно тази формула RGB сигналите могат да приемат стойности в диапазона от 16 до 235.
   
     2.2.3. Методи за цветово представяне
 
    Стандартът за цифрово видео ITU-R BT.601 дава възможност за прилагане на различни методи за дискретизация на аналогов видеосигнал. Основната разлика между тях е в честотата на дискретизация на цветовите разлики. За по-голяма яснота и краткост се използват специални означения, указващи честотите на дискретизация. Такива са например означенията 4:2:2, 4:1:1 и 4:2:0, които представляват кратки записи на различни методи за дискретизация на аналогов сигнал. Според стандарта за цифрово видео ITU-R BT.601 първата цифра отговаря на честота на дискретизация от 13,5 MHz на сигнала за яркостта (У). Цифрата "4" се използва, защото обикновено тази честота е 4 пъти по-голяма от честотата за цветността в NTSC и PAL. Честотата на дискретизация 13,5 MHz осигурява 720 пиксела на линия в трите телевизионни системи 525/60 (NTSC) и 625/50 {PAL/SECAM). Останалите две числа показват честотите на дискретизация за сигналите с цветови разлики Сг (R-Y) и СЬ (6-У).
   
Формат на представяне 4:2:2
 
    В системите 4:2:2 (D1, D5, DigiBeta, BetaSX, Digital-S, DVCPRO50, високия профил на MPEG-2) цветът се дискретизира с половината от честотата на дискретизацията на яркостта. Отчетите за двете цветови разлики се съхраняват заедно с всеки втори отчет за яркостта (фиг. 3.). По този начин се осигуряват 360 отчета за цвета (за Сг и СЬ) за една видео линия.
 


 

 
                                Фиг. 3. Представяне 4:2:2

 






Коментирай свободно: