Способ передачи синхронных телевизионных сигналов многоградационных изображений

Способ передачи синхронных телевизионных сигналов многоградационных изображений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к области передачи изображений и может быть использовано для одновременной передачи и приема в частотной полосе одного цифрового телевизионного сигнала изображения, N синхронных телевизионных (ТВ) сигналов многоградационных изображений, формируемых, например, с помощью ТВ-камер или других источников сигналов черно-белых, цветных, спектрозональных, объемных или иных многоградационных изображений. Оно также может быть использовано для одновременной записи и консервации N синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений, и найти применение в системах видеонаблюдения, ТВ системах дистанционного зондирования поверхности Земли и мультимедийных системах передачи видеоинформации.

Скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме равна произведению частоты дискретизации f_d и числа двоичных символов в одном дискретном отсчете:

C=fвk,

(1)

где k - число двоичных символов в кодовой комбинации одного отсчета, принимаемого равным 8, для передачи максимально возможного числа градаций яркости реально различаемых наблюдателем в изображении, т.е. m=2^k=256.

С другой стороны, известно, что f_d≥2f_в, где f_в - верхняя граничная частота ТВ сигнала, которая в общем виде определяется как

fв=кZ2 n/2,

(2)

где к - формат кадра, Z - число строк разложения, кZ² - общее число элементов разложения в ТВ изображении, n - число передаваемых кадров в сек.

Согласно табл.1 рассмотрим основные виды источников ТВ сигналов, у которых первичные сигналы формируются в аналоговом виде.

Таблица 1
Источники ТВ сигналов	Количество первичных аналоговых сигналов (N)	Наименование аналоговых сигналов	Базовая скорость передачи цифрового ТВ сигнала без сжатия (С)
Черно-белая ТВ камера	1	яркостной сигнал EY	108 Мбит/с
Цветная ТВ камера	по классической схеме - 3	сигналы цветности ER, EG, ЕB	216 Мбит/с
Черно-белая камера объемного телевидения	2	яркостной сигнал ЕY для правой и левой стереопары	216 Мбит/с
Цветная камера объемного телевидения	4 или 6	яркостной сигнал ЕY правой стереопары, сигналы цветности ER, ЕG, ЕB левой стереопары, или сигналы цветности для правой и левой стереопары	326 Мбит/с 436 Мбит/с
Спектрозональная ТВ камера	2≤m≤d	зональные сигналы EΔλi	от 216 Мбит/с до m×108 Мбит/с
Цветная камера ТВ высокой четкости	no классической схеме - 3	сигналы цветности ER, ЕG, ЕB	1 Гбит/с

Для решения тех или иных задач передачи видеоинформации могут быть использованы отдельные источники ТВ сигналов, приведенные в табл.1, или совместно несколько таких источников. Общее количество первичных аналоговых сигналов при этом может быть равным N, где N≥2, что естественно приведет к необходимости увеличения пропускной способности каналов связи при передаче N сигналов в цифровой форме.

Известны системы и способы передачи телевизионных сигналов многоградационных изображений (US 6727935, H 04 N 7/14, 27/04.2004, DE 10249221, H 04 N 7/14, 06.05. 2004, СА 2455501. H 04 N 7/14, 2003, WO 2004030374, H 04 N 7/14, 08.04.2004). Однако указанные способы предполагают наличие широкополосного канала передачи.

Известны основные принципы построения систем цифрового телевидения и обработки сигналов, например компонентное цифровое кодирование на основе аналогового мультиплексирования сигналов, а также гибридного мультиплексирования составляющих сигналов или компонентное цифровое кодирование на основе их цифрового мультиплексирования (см. Птачек М. Цифровое телевидение: Теория и техника/Пер. с чеш. Под ред. Л.С.Виленчика. - М.: Радио и связь, 1990. - 528 с).

Известны также способы формирования, обработки и передачи цифровых ТВ сигналов, которые нашли отражение в большом числе отечественных и зарубежных публикациях, например, некоторые из них: см. Новаковский С.В., Котельников А.В. Новые системы телевидения. Цифровые методы обработки видеосигналов. - М.: Радио и связь, 1992. - 88 с., Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений /Под ред. Ю.Б.Зубарева и В.П.Дворковича. - М.: Международный Центр научной и технической информации, 1997. - 212 с., Цифровое телевидение/ Под ред. Н.С.Мамаева. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 180с., Сагдуллаев Ю.С., Абдуллаев Д.А., Смирнов Основы телевизионного контроля процесса сближения космических аппаратов. Ташкент: Изд-во "ФАН" АН РУз, 1997, 127с., Распознавание оптических изображений. /Под общ. ред. Ю.С.Сагдуллаева, B.C.Титова, Ташкент, 2000 - 315 с., а также Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 224 с.: ил.). В последней работе, на стр.35 представлен вариант структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала в соответствии с Рекомендацией ITU-R ВТ 601.

В таком формирователе, показанном на фиг.1, сигналы основных цветов E_R, E_G, Е_B с источника телевизионных сигналов (цветной ТВ камеры) вначале поступают на гамма-корректоры (ГК), сформированные в которых сигналы E'_R, E'_G, Е'_B в кодирующей матрице (КМ) по известным соотношениям преобразуются в сигнал яркости Е'_Y и цветоразностные сигналы E'_R-Y и E'_B-Y. Далее эти сигналы преобразуются в АЦП в цифровые сигналы Y, C_R и С_B соответственно. На входах АЦП имеются дополнительные аналоговые узлы, выполняющие масштабирование и сдвиг сигналов. Число разрядов каждого АЦП, как правило, равно 8, который вырабатывает импульсы с частотами 27, 13,5 и 6,75 МГц, поступающие на другие узлы устройства. ГТИ содержит схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), с помощью которой обеспечивается требуемое число периодов тактовых импульсов за период строчной развертки источника телевизионных сигналов. Мультиплексор (MS) в заданной последовательности передает на выход цифровые сигналы Y, C_R, С_B и цифровые синхросигналы. В результате на выходе устройства оказывается сформированным цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) в последовательном коде.

В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения по совокупности признаков и операций над сигналами принят формирователь цифровых ТВ сигналов цветных изображений, представленный на фиг.1. Для источника ТВ сигналов цветных изображений он отображает на передающей стороне следующую последовательность операций над сигналами изображений: формирование из исходных трех аналоговых ТВ сигналов основных цветов E_R, E_G, Е_B одного яркостного E'_Y и двух цветоразностных сигналов E'_R-Y и E'_B-Y, далее, преобразование их в цифровую форму путем выполнения операций их аналогово-цифрового преобразования, мультиплексирование цифрового сигнала яркости Y, двух цветоразностных сигналов C_R и С_B и отдельно сформированных цифровых синхросигналов для их последующей передачи по каналу связи в последовательном коде. В приемной части ТВ системы - осуществляются обратные операции преобразования сигналов с формированием исходных аналоговых ТВ сигналов E_R, Е_G, Е_B и сигналов синхронизации. Скорость передачи данных для конкретной ТВ системы определяется частотой дискретизации аналоговых сигналов и числом принятых разрядов при аналогово-цифровом преобразовании исходных сигналов и используемых параметров разложения изображений, формулы (1) и (2).

Рассмотренная схема обработки аналоговых сигналов для формирования цифровых ТВ сигналов и принятая последовательность операций не позволяют обеспечить совместную передачу N синхронных аналоговых ТВ сигналов многоградационных изображений в полосе частот одного аналогового сигнала, преобразованного в цифровую форму. В данном случае, если для сигнала яркости Y в цифровой форме требуется скорость передачи данных 108 Мбит/с, то добавление необходимых двух цифровых цветоразностных сигналов С_R и С_B требует увеличения скорости передачи данных до 216 Мбит/с, что является одним из недостатков известного способа обработки сигналов цветного телевидения.

Технический результат - обеспечение совместной передачи N синхронных аналоговых ТВ сигналов многоградационных изображений в частотной полосе одного аналогового сигнала, преобразованного в цифровую форму (в частотной полосе одного из них в цифровой форме).

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа обработки нескольких аналоговых синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений с формированием яркостного Y и двух цветоразностных сигналов C_R и С_B в цифровом виде путем их аналогово-цифрового преобразования, мультиплексирования цифрового сигнала яркости Y и двух цветоразностных сигналов С_R и С_B и отдельно сформированных цифровых синхросигналов, для их последующей передачи по линии связи в последовательном коде, в передающей стороне вместо операции мультиплексирования сигналов используют операцию их цифро-аналогового преобразования, в результате чего цифровые сигналы яркости и цветоразностные сигналы объединяют в один многоуровневый сигнал S до их передачи по каналу связи, далее многоуровневый сигнал суммируют с сигналом синхронизации, после чего его усиливают и передают по каналу связи, далее на приемной стороне усиливают многоуровневый сигнал S, выделяют синхронизирующие сигналы и осуществляют обратное аналого-цифровое преобразование многоуровневого сигнала S и формируют N исходных цифровых ТВ сигналов в последовательном коде, затем на их основе выполняют известные обратные передающей стороне операции над сигналами, а именно формируют сигналы синхронизации, каждый цифровой сигнал последовательного кода преобразуют в параллельный n-разрядный двоичный код, затем, используя их обратное цифро-аналоговое преобразование, формируют N исходных аналоговых синхронных ТВ сигналов. Введение на передающей стороне ТВ системы операции цифро-аналогового преобразования сигналов позволяет обеспечить объединение N цифровых ТВ сигналов в один многоуровневый сигнал S, a использование на приемной стороне обратной операции аналогово-цифрового преобразования многоуровневого сигнала S обеспечивает его разделение на N исходных цифровых ТВ сигналов в последовательном коде.

Использование известных операций обработки цифровых ТВ сигналов в предложенной новой последовательности и их применение в данном способе являются существенными и обеспечивают достижение поставленной цели.

Технический результат достигается за счет объединения на передающей стороне N цифровых ТВ сигналов в один многоуровневый сигнал, путем введения обработки сигналов на основе цифро-аналогового преобразования сигналов для последующей передачи его по линии связи или видеозаписи.

Для достижения указанного результата предлагается способ передачи синхронных телевизионных сигналов многоградационных изображений, включающий на передающей стороне операции обработки и преобразования N синхронных аналоговых телевизионных сигналов в N синхронных цифровых телевизионных сигналов, путем их аналогово-цифрового преобразования, формирования цифровых сигналов синхронизации, передачу сигнала по каналу связи, а на приемной стороне осуществляются обратные операции над сигналами по сравнению с передающей стороной, в котором после формирования цифровых сигналов синхронизации осуществляют их объединение в один многоуровневый результирующий сигнал S путем цифро-аналогового преобразования N синхронных цифровых сигналов, далее многоуровневый результирующий сигнал S суммируют с сигналом синхронизации, усиливают его и передают по каналу связи, а на приемной стороне снова усиливают многоуровневый результирующий сигнал S, далее из него выделяют сигналы синхронизации и формируют тактовые и управляющие импульсы, потом выполняют операцию аналогово-цифрового преобразования многоуровневого результирующего сигнала S и формируют N синхронных цифровых ТВ сигналов в последовательном коде, после чего выполняют обратные передающей стороне операции над сигналами, а именно каждый цифровой сигнал, представленный в последовательном коде, преобразуют в параллельный n-разрядный двоичный код, затем осуществляют формирование N исходных аналоговых синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений путем их цифро-аналогового преобразования.

Так, например (см. табл.1), если необходимо передать сигналы объемного черно-белого ТВ, где число исходных аналоговых сигналов равно N=2, использование предлагаемого способа передачи позволит передать информацию объемного черно-белого ТВ в полосе частот одного аналогового сигнала в цифровой форме. Выигрыш в сокращении полосы частот для данного случая будет равным двум. В случае спектрозонального телевидения, когда число первичных зональных сигналов может быть значительно больше, выигрыш составит величину 2≤m≤d.

Система передачи N синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений (фиг.2) в полосе частот одного из них в цифровой форме, реализующая предлагаемый способ передачи N синхронных ТВ сигналов, содержит на передающей стороне (фиг.2, а) N источников ТВ-сигналов 1, синхрогенератор 2, N аналогово-цифровых преобразователей 3, N преобразователей параллельного кода в последовательный 4, цифро-аналоговый преобразователь 5, сумматор 6, усилитель 7, а на приемной стороне (фиг.2, б), усилитель 9, селектор синхронизирующих сигналов 10, генератор тактовых импульсов 11, аналогово-цифровой преобразователь 12 N преобразователей сигналов последовательного кода в параллельный 13. N цифро-аналоговых преобразователей 14, формирователь строчных и кадровых синхроимпульсов 15, N видеоконтрольных блоков 16, а также линию связи 8.

Система передачи синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений работает следующим образом. Синхрогенератор 2 формирует необходимые строчные и кадровые синхронизирующие импульсы для синхронной работы N источников ТВ сигналов 1, а также формирует необходимые тактовые импульсы для работы N аналого-цифровых преобразователей 3 и N преобразователей кода 4, на выходах которых образуются цифровые ТВ сигналы, представленные в последовательном двоичном коде. Данные сигналы (в виде логического "0" или "1") поступают на входы 1,...j,...N цифро-аналогового преобразователя 5, который на выходе формирует соответствующий уровень сигнала, в зависимости от значений сигнала на его N входах. Рассмотрим случай, когда число источников ТВ сигнала равно N=3. В этом случае на выходе цифро-аналогового преобразователя 5 будет сформировано 2^N значений выходного сигнала.

Возможные сочетания сигналов на входе ЦАП	Уровни сигнала на выходе ЦАП
0	0	0	U1
1	0	0	U2
0	1	0	U3
1	1	0	U4
0	0	1	U5
1	0	1	U6
0	1	1	U7
1	1	1	U8

Выходной сигнал цифро-аналогового преобразователя 5 через сумматор 6 и усилитель 7 поступает на вход линии связи 8. Сигналы синхронизации, формируемые синхрогенератором 2, суммируются по времени с многоуровневым результирующим сигналом, поступающим с выхода ЦАП. Многоуровневый результирующий сигнал с выхода линии связи 8 после соответствующего усиления во втором усилителе 9 поступает на вход селектора синхронизирующих сигналов 10, а также на вход аналогово-цифрового преобразователя 12, в котором многоуровневый сигнал преобразуется в N цифровых сигналов, представленных в последовательном двоичном коде. Для рассмотренного выше примера, когда N=3

Уровни сигнала на входе АЦП	Сигналы на выходе АЦП
U1	0	0	0
U2	1	0	0
U3	0	1	0
U4	1	1	0
U5	0	0	1
U6	1	0	1
U7	0	1	1
U8	1	1	1

Сигналы с выходов аналогово-цифрового преобразователя 12 поступают на входы преобразователей последовательного кода в параллельный 13₁,...13_j,...13_N, выходные сигналы с которых поступают на соответствующие входы цифро-аналоговых преобразователей 14₁,...14_j,...14_N, на выходе которых формируются исходные N аналоговых синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений, которые далее подаются на информационные входы видеоконтрольных блоков 16₁,...16_j,...16_N.

Сигнал с выхода селектора синхронизирующих сигналов 10 поступает на вход генератора тактовых импульсов 11, который формирует необходимые тактовые и управляющие импульсы с заданной частотой следования, которые поступают на второй вход аналогово-цифрового преобразователя 12, на второй вход преобразователей последовательного кода в параллельный 13₁,...13_j,...13_N, а также сигнал со второго выхода селектора 10 поступает на вход формирователя строчных и кадровых синхроимпульсов 15, с выхода которого синхроимпульсы поступают на второй и третий вход видеоконтрольных блоков 16₁,...16_j,...16_N.

Принцип действия и подробное описание работы отдельных узлов и блоков данной системы, связанных с получением и обработкой ТВ сигналов, преобразовании их в цифровую форму, синхронизации и развертки, передачи и отображения видеоинформации можно найти в соответствующих разделах книги: Телевидение: Учебник для вузов/ В.Е.Джакония, А.А.Гоголь, Я.В.Друзин и др.; Под ред. В.Е.Джаконии. - М.: Радио и связь, 2000, 640 с.: ил.

Способ передачи синхронных телевизионных сигналов многоградационных изображений, включающий на передающей стороне операции обработки и преобразования N синхронных аналоговых телевизионных сигналов в N синхронных цифровых телевизионных сигналов путем их аналого-цифрового преобразования, формирования цифровых сигналов синхронизации, передачу сигнала по каналу связи, а на приемной стороне осуществляются обратные операции над сигналами по сравнению с передающей стороной, отличающийся тем, что после формирования цифровых сигналов синхронизации осуществляют их объединение в один многоуровневый результирующий сигнал S путем цифроаналогового преобразования N синхронных цифровых сигналов, далее многоуровневый результирующий сигнал S суммируют с сигналом синхронизации, усиливают его и передают по каналу связи, а на приемной стороне снова усиливают многоуровневый результирующий сигнал S, далее из него выделяют сигналы синхронизации и формируют тактовые и управляющие импульсы, потом выполняют операцию аналого-цифрового преобразования многоуровневого результирующего сигнала S и формируют N синхронных цифровых ТВ сигналов в последовательном коде, после чего выполняют обратные передающей стороне операции над сигналами, а именно, каждый цифровой сигнал, представленный в последовательном коде, преобразуют в параллельный n-разрядный двоичный код, затем осуществляют формирование N исходных аналоговых синхронных ТВ сигналов много градационных изображений путем их цифроаналогового преобразования.