Перевод аналогового сигнала в цифровой

Преобразование аналогового сигнала в цифровой

Для преобразования любого аналогового сигнала (звука, изображения) в цифровую форму необходимо выполнить три основные операции: дискретизацию, квантование и кодирование.

Дискретизация — представление непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений (отсчетов ). Эти отсчеты берутся в моменты времени, отделенные друг от друга интервалом, который называется интервалом дискретизации. Величину, обратную интервалу между отсчетами, называют частотой дискретизации. На рис. 1 показаны исходный аналоговый сигнал и его дискретизированная версия. Картинки, приведенные под временными диаграммами, получены в предположении, что сигналы являются телевизионными видеосигналами одной строки, одинаковыми для всего телевизионного растра.

Рис.1 Аналого-цифровое преобразование. Дискретизация.

 

Понятно, что чем меньше интервал дискретизации и, соответственно, выше частота дискретизации, тем меньше различия между исходным сигналом и его дискретизированной копией. Ступенчатая структура дискретизированного сигнала может быть сглажена с помощью фильтра нижних частот. Таким образом и осуществляется восстановление аналогового сигнала из дискретизированного. Но восстановление будет точным только в том случае, если частота дискретизации по крайней мере в 2 раза превышает ширину полосы частот исходного аналогового сигнала (это условие определяется известной теоремой Котельникова). Если это условие не выполняется, то дискретизация сопровождается необратимыми искажениями. Дело в том, что в результате дискретизации в частотном спектре сигнала появляютсся дополнительные компоненты, располагающиеся вокруг гармоник частоты дискретизации в диапазоне, равном удвоенной ширине спектра исходного аналогового сигнала. Если максимальная частота в частотном спектре аналогового сигнала превышает половину частоты дискретизации, то дополнительные компоненты попадают в полосу частот исходного аналогового сигнала. В этом случае уже нельзя восстановить исходный сигнал без искажений. Теория дискретизации приведена во многих книгах.

Рис.2 Аналого-цифровое преобразование. Искажение дискретизации.

 

Пример искажений дискретизации приведен на рис. 2. Аналоговый сигнал (предположим опять, что это видеосигнал ТВ строки) содержит волну, частота которой сначала увеличивается от 0,5 МГц до 2,5 МГц, а затем уменьшается до 0,5 МГц. Этот сигнал дискретизируется с частотой 3 МГц. На рис. 2 последовательно приведены изображения: исходный аналоговый сигнал, дискретизированный сигнал, восстановленный после дискретизации аналоговый сигнал. Восстанавливающий фильтр нижних частот имеет полосу пропускания 1,2 МГц. Как видно, низкочастотные компоненты (меньше 1 МГц) восстанавливаются без искажений. Волна с частотой 1,5 МГц исчезает и превращается в относительно ровное поле. Волна с частотой 2,5 МГц после восстановления превратилась в волну с частотой 0,5 МГц (это разность между частотой дискретизации 3 МГц и частотой исходного сигнала 2,5 МГц). Эти диаграммы-картинки иллюстрируют искажения, связанные с недостаточно высокой частотой пространственной дискретизации изображения. Если объект телевизионной съемки представляет собой очень быстро движущийся или, например, вращающийся предмет, то могут возникать и искажения дискретизации во временной области. Примером искажений, связанных с недостаточно высокой частотой временной дискретизации (а это частота кадров телевизионного разложения), является картина быстро движущегося автомобиля с неподвижными или, например, медленно вращающимися в ту или иную сторону спицами колеса (стробоскопический эффект).Если частота дискретизации установлена, то искажения дискретизации отсутствуют, когда полоса частот исходного сигнала ограничена сверху и не превышает половины частоты дискретизации.

Если потребовать, чтобы в процессе дискретизации не возникало искажений ТВ сигнала с граничной частотой, например, 6 МГц, то частота дискретизации должна быть не меньше 12 Мгц. Однако, чем ближе частота дискретизации к удвоенной граничной частоте сигнала, тем труднее создать фильтр нижних частот, который используется при восстановлении, а также при предварительной фильтрации исходного аналогового сигнала. Это объясняется тем, что при приближении частоты дискретизации к удвоенной граничной частоте дискретизируемого сигнала предъявляются все более жесткие требования к форме частотных характеристик восстанавливающих фильтров — она все точнее должна соответствовать прямоугольной характеристике. Следует подчеркнуть, что фильтр с прямоугольной характеристикой не может быть реализован физически. Такой фильтр, как показывает теория, должен вносить бесконечно большую задержку в пропускаемый сигнал. Поэтому на практике всегда существует некоторый интервал между удвоенной граничной частотой исходного сигнала и частотой дискретизации.

Квантование

представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования. Другими словами, квантование — это округление величины отсчета. Уровни квантования делят весь диапазон возможного изменения значений сигнала на конечное число интервалов — шагов квантования. Расположение уровней квантования обусловлено шкалой квантования. Используются как равномерные, так и неравномерные шкалы. На рис. 3 показаны исходный аналоговый сигнал и его квантованная версия, полученная с использованием равномерной шкалы квантования, а также соответствующие сигналам изображения.

Рис.3 Аналого-цифровое преобразование. Квантование.

 

Искажения сигнала, возникающие в процессе квантования, называют шумом квантования. При инструментальной оценке шума вычисляют разность между исходным сигналом и его квантованной копией, а в качестве объективных показателей шума принимают, например, среднеквадратичное значение этой разности. Временная диаграмма и изображение шума квантования также показаны на рис. 3 (изображение шума квантования показано на сером фоне). В отличие от флуктуационных шумов шум квантования коррелирован с сигналом, поэтому шум квантования не может быть устранен последующей фильтрацией. Шум квантования убывает с увеличением числа уровней квантования. Еще несколько лет назад вполне достаточным казалось использовать 256 уровней для квантования телевизионного видеосигнала. Сейчас считается нормой квантовать видеосигнал на 1024 уровня. Число уровней квантования при формировании цифрового звукового сигнала намного больше: от десятков тысяч до миллионов.

Цифровое кодирование.

Квантованный сигнал, в отличие от исходного аналогового, может принимать только конечное число значений. Это позволяет представить его в пределах каждого интервала дискретизации числом, равным порядковому номеру уровня квантования. В свою очередь это число можно выразить комбинацией некоторых знаков или символов. Совокупность знаков (символов) и система правил, при помощи которых данные представляются в виде набора символов, называют кодом.

Конечная последовательность кодовых символов называется кодовым словом. Квантованный сигнал можно преобразовать в последовательность кодовых слов. Эта операция и называется кодированием. Каждое кодовое слово передается в пределах одного интервала дискретизации. Для кодирования сигналов звука и изображения широко применяют двоичный код. Если квантованный сигнал может принимать N значений, то число двоичных символов в каждом кодовом слове n >= log2N. Один разряд, или символ слова, представленного в двоичном коде, называют битом. Обычно число уровней квантования равно целой степени числа 2, т.е. N = 2n.

Рис.6 Аналого-цифровое преобразование.

 

Кодовые слова можно передавать в параллельной или последовательной формах (рис. 6). Для передачи в параллельной форме надо использовать n линий связи (в примере, показанном на рисунке, n = 4). Символы кодового слова одновременно передаются по линиям в пределах интервала дискретизации. Для передачи в последовательной форме интервал дискретизации надо разделить на n подинтервалов — тактов. В этом случае символы слова передаются последовательно по одной линии, причем на передачу одного символа слова отводится один такт. Каждый символ слова передается с помощью одного или нескольких дискретных сигналов — импульсов. Преобразование аналогового сигнала в последовательность кодовых слов поэтому часто называют импульсно-кодовой модуляцией. Форма представления слов определенными сигналами определяется форматом кода.

Можно, например, устанавливать в пределах такта высокий уровень сигнала, если в данном такте передается двоичный символ 1, и низкий — если передается двоичный символ 0 (такой способ представления, показанный на рис. 6, называют форматом БВН — Без Возвращения к Нулю). В примере рис. 6 используются 4-разрядные двоичные слова (это позволяет иметь 16 уровней квантования). В параллельном цифровом потоке по каждой линии в пределах интервала дискретизации передается 1 бит 4-разрядного слова. В последовательном потоке интервал дискретизации делится на 4 такта, в которых передаются (начиная со старшего) биты 4-разрядного слова.

Операции, связанные с преобразованием аналогового сигнала в цифровую форму (дискретизация, квантование и кодирование), выполняются одним устройством — аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Сейчас АЦП может быть просто интегральной микросхемой. Обратная процедура, т.е. восстановление аналогового сигнала из последовательности кодовых слов, производится в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП). Сейчас существуют технические возможности для реализации всех обработок сигналов звука и изображения, включая запись и излучение в эфир, в цифровой форме. Однако в качестве датчиков сигнала (например, микрофон, передающая ТВ трубка или прибор с зарядовой связью) и устройств воспроизведения звука и изображения (например, громкоговоритель, кинескоп) пока используются аналоговые устройства. Поэтому аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи являются неотъемлемой частью цифровых систем.

Цифровые сигналы можно описывать с помощью параметров, типичных для аналоговой техники, например таких, как полоса частот. Но их применимость в цифровой технике является ограниченной. Важным показателем, характеризующим цифровой поток, является скорость передачи данных. Если длина слова равна n, а частота дискретизации FD, то скорость передачи данных, выраженная в числе двоичных символов в единицу времени (бит/с), находится как произведение длины слова на частоту дискретизации: C = nFD .


Дата добавления: 2015-01-01; просмотров: 27; Нарушение авторских прав


Главная / Уроки видео / Аналоговое в цифровой формат

Конвертируем аналоговое видео в цифровой формат

Специальное приложение поможет вам конвертировать устаревший материал Hi8, VHS или Beta в цифровой формат.

Если у вас есть профессиональные видеодеки, например Sony UVW-1800 (Beta) и Sony DSR-80 (DV), вы можете соединить их друг с другом с помощью компонентного видеоразъема и порта RS-422, чтобы выполнить конвертирование в цифровой формат.

На протяжении последних нескольких лет вы записали множество часов домашнего видео. Вы записали дни рождения своих детей, школьные праздники и даже целые фильмы. Теперь благодаря цифровому формату ваш материал может получить новую жизнь. Используя два видеомагнитофона, вы сможете конвертировать аналоговые записи в цифровой формат.

Определитесь с вашими потребностями

Вы должны решить, будете ли вы записывать конвертированный материал на цифровую видеопленку или на жесткий диск компьютера. Для редактирования вам необходимо выполнить запись на пленку, потому что вам понадобится работать с временной кодировкой. Кроме того, для длительного хранения надежнее использовать видеопленку. Если вы конвертируете аналоговое видео и запишите полученные данные на жесткий диск, сохранить временную кодировку будет невозможно.

Если вы собираетесь использовать конвертированный материал в проекте, убедитесь в том, что вы правильно выбрали кодек. Например, если вы редактируете проект в формате DV, вы должны выполнить конвертирование с применением DV-кодека.

Сохранение временной кодировки

Имеется много устроиств для конвертирования, которые стоят до 3000 долл. США, рекомендуем Вам определиться с вашими желаниями.

При отсутствии библиотеки аналогового материала, вам не придется тратить много денег на закупку аппаратных средств.

Много устройств конвертирования позволяют двусторонний процесс, конвертирование происходит из аналогового в цифровой формат и наоборот. При конвертировании аналоговых записей в цифровой материал в формат VHS, приэтом просмматривать цифровой сигнал на экране телевизора.

Существуют видеокамеры которые могут конвертировать аналоговый материал с данными на входе в цифровой сигнал на выходе. Метод конвертирования аналоговой информации на входе в цифровой формат на выходе называют «проходным сигналом».

Если вы собираетесь конвертировать аналоговые данные, которые содержат временную кодировку (например, BetaSP или 3/4"), проверьте, может ли ваше устройство ее обрабатывать. Некоторые устройства, такие как ProMax ProMedia Converter (стоит 1495 долл. США), могут преобразовать аналоговую временную кодировку в цифровую; другие, к примеру Canopus ADVC-500 (стоит 1649 долл. США), — нет.

Если вы планируете конвертировать устаревший материал в формате VHS или Hi-8, вы можете купить простое устройство, допустим, Canopus ADVC-55 (цена 229 долл. США) и сэкономить более 1000 долл. США.

Терминология

При покупке высокотехнологичного устройства очень сложно не запутаться в терминологии. Приведу список различных терминов, в которых вам необходимо ориентироваться:

  • композитный видеосигнал (Composite Video). Соединение, в котором комбинируются такие функции, как освещенность и цветность; обычно для передачи данного сигнала используется разъем RCA;
  • сигнал S-Video. Соединение, в котором функции освещенности и цветности разделяются;
  • компонентный видеосигнал (Component Video). Соединение, в котором функции освещенности и цветности разделяются; часто используется для обозначения более сложного сигнала, например S-Video;
  • SDI. Последовательное цифровое соединение, которое применяется для передачи видеосигнала; используется только профессионалами;
  • AES/EBU. Цифровой аудиостандарт, который применяется в США и Европе; используется только профессионалами.

Если только у вас нет серьезной необходимости в том, чтобы работать с сигналами Component Video, SDI или AES/EBU, для передачи материала вам должно хватить возможностей сигналов S-Video или Composite (RCA) Video. Если вам раньше не приходилось слышать об этих терминах, вы вполне можете без них обойтись.

Другими словами, если вы собираетесь конвертировать устаревшие записи в формате VHS, не нужно покупать устройство с разъемами SDI. Вы не будете его использовать; зачем же платить лишние деньги?

Запись на видеопленку

Перед тем как приступить к записи данных на цифровую видеопленку, выясните, какие функции записи видеосигнала поддерживает ваша камера или дека. Большинство цифровых видеопленок имеют продолжительность воспроизведения 60 мин. Однако некоторые системы позволяют вам записывать данные как в стандартном (SP; 60 мин), так и в расширенном формате (LP; 90 мин).

Компания Sony предлагает методику записи цифрового видео, которая называется DVCAM. Этот формат осуществляет запись на стандартную пленку MiniDV, однако скорость выше обычной примерно на 33%. Поэтому на кассету продолжительностью 60мин вы сможете записать всего 40 мин видео. Если у вас есть камера или дека производства Sony, убедитесь в том, какую именно методику вы используете. Это позволит вам понять, сколько времени вам действительно доступно.

При записи цифровой кассеты в режиме LP качество звука ухудшится. Некоторые системы редактирования не позволяют вам микшировать материал SP и LP, а другие требуют выполнять визуализацию звука в случае, если форматы различаются. Чтобы избежать проблем, постоянно следите за тем, в каком режиме вы ведете запись. Старайтесь не менять режим при переходе к другой кассете.

Обратите внимание на продолжительность воспроизведения конвертируемого материала. Это поможет вам определить, можно использовать вашу камеру (деку) в процессе конвертирования или нет. Разумеется, если у вас есть кассета VHS (с продолжительностью воспроизведения 120 мин) с материалом, вы не сможете уместить всю информацию на кассету MiniDV (с продолжительностью воспроизведения 60 мин) даже в режиме LP. В этом случае вам придется разделить информацию с кассеты VHS между двумя кассетами MiniDV.

Запись на жесткий диск

Если вы собираетесь записывать конвертированный материал на жесткий диск, вам понадобится использовать несколько различных дисков. В среднем один час цифрового видео требует около 13 Гб на жестком диске. К счастью, жесткие диски дешевеют с каждым днем (по крайней мере, существует такое впечатление), и на рынке вы уже можете найти даже диски емкостью 1 Тб (1000 Гб).

Для записи материала на жесткий диск вам понадобится использовать программное обеспечение, позволяющее сохранить видео в файле. С большой вероятностью ваша система редактирования сможет выполнить оцифровку материала; возможно, ваше устройство конвертирования поставляется в комплекте с такой программой. Если вы осуществляете оцифровку кассеты, которая не содержит временной кодировки (например, VHS), ваша система предупредит вас об этом. Вы не сможете работать с кодировкой.

После завершения конвертирования вы сможете использовать материал в проекте, заархивировать его на DVD, разместить в сети Интернет или сохранить на жестком диске компьютера.

 

Цифровой видеосигнал получается из аналогового видеосигнала путем преобразования его в цифровую форму [3 ]. Это преобразование включает в себя три операции:

1. Дискретизацию во времени, то есть преобразование непрерывного во времени видеосигнала в последовательность отсчетов, обновляющихся через определенные промежутки времени.

2. Квантование по уровню – замена непрерывной шкалы амплитуды видеосигнала на выбранный набор уровней квантования с округлением значения каждого отсчета до ближайшего уровня квантования.

3. Кодирование отсчетов, в результате которого значение отсчета представляется в виде числа, соответствующего номеру полученного уровня квантования.

 

Дискретизация обычно производится в соответствии с теоремой Котельникова, согласно которой должно выполняться условие fд > 2fв, где fд – частота дискретизации, а fв – верхняя граничная частота спектра видеосигнала. Для стандартного видеосигнала fв = 6,5 МГц, следовательно, частота дискретизации для видеосигнала стандартного разрешения должна составлять не менее 13 МГц.

Результатом дискретизации могут быть характерные искажения, которые появляются после обратного преобразования цифрового сигнала в аналоговый и его выводе на монитор. Среди таких искажений следует выделить следующие:

— появление муара в области регулярного высокочастотного сигнала (например, на вертикальном клине телевизионной таблицы);

— появление зубчатой структуры изображения на границах наклонных линий.

Верхняя граничная частота спектра видеосигнала определяется по формуле

 

где k – формат изображения на экране (отношение ширины к высоте); z – полное число строк в кадре; n – частота кадров; α и β – коэффициенты, показывающие доли обратных ходов строчной и кадровой разверток; p – экспериментально определяемый коэффициент, равный 0,75 – 0,85.

Важным является условие, в соответствии с которым разрешающая способность по горизонтали и по вертикали в телевизионной системе одинакова и отдельные элементы изображения представляют собой квадрат. В соответствии с этой формулой для видеосигнала стандартного разрешения верхняя граница спектра составляет 6,5 МГц, а для видеосигнала высокой четкости – 30 МГц.

В соответствии с теоремой Котельникова определяется значение fв. Исходя из этого значения выбирается АЦП.

 

Квантование

 

Квантование определяется еще одним параметром АЦП – числом уровней квантования Nкв. Этот параметр имеет прямую связь с числом разрядов АЦП n, определяемым по формуле

Число уровней квантования и, соответственно, разрядность АЦП определяют величину ошибки квантования, которая может влиять на качество изображения. На рис. Показан исходный сигнал до квантования а), после квантования б) и ошибка квантования. На рис. Показан результат влияния ошибки квантования видеосигнала. Одно и то же изображение показано с различными уровнями квантования: а – 16, б – 8, в – 4, г – 2. Слишком малое число уровней квантования создает ложные контуры и приводит к частичному и полному исчезновению признаков с низкой контрастностью [4].

Рисунок 2.6. Формирование шума квантования [3]

Рисунок 2.7. Иллюстрация квантования видеосигнала [4].

 

В системах цифрового телевидения, как правило, применяется равномерное квантование видеосигналов, прошедших гамма-коррекцию. Чаще всего используется АЦП с числом разрядов n = 8, который дает число уровней квантования 256. В этом случае шум квантования малозаметен. Кроме того, значение шума квантования в этом случае соизмеримо с шумами источника видеосигнала.

Еще одним фактором является способность человеческого зрения различать количество оттенков серой шкалы обычно не более 200 – 250. Но в некоторых случаях число разрядов АЦП повышается до 10 и даже 12. Делается это с учетом возможной последующей цифровой обработки при редактировании цифрового видеосигнала.

Под кодированием понимается процесс формирования последовательности цифровых отсчетов, формируемых АЦП. Этот поток может формироваться как в параллельном, так и в последовательном виде. Процесс кодирования обычно регламентируется стандартами.

Добавить комментарий

Закрыть меню