Tài liệu Truyền hình số cơ bản

ĐỀ TÀI: Truyền hình số cơ bản

Xử lư số liệu truyền h́nh

I.Số hóa tín hiệu truyền h́nh
1. Mở đầu
Các hệ thống truyền h́nh màu được sử dụng hiện nay ( NTSC, PAL, SECAM ) là những hệ truyền h́nh tương tự. Tín hiệu Video là hàm liên tục theo thời gian. Tín hiệu truyền h́nh tương tự chịu nhiều ảnh hưởng của các yếu tố: Nhiễu, can nhiễu từ nội bộ hệ thống và từ bên ngoài . làm giảm chất lượng h́nh ảnh.
Tín hiệu Video số được tạo từ tín hiệu Video tương tự. Tín hiệu Viedeo số được biểu diễn dưới dạng các số logic “0” ; “1”, có tính chống nhiễu cao và hơn hẳn tín hiệu Video tương tự. Ngày nay, Nhiều nước sử dụng truyền h́nh số thay cho truyền h́nh tương tự trong nhiều thành phần của hệ thống.
2. Biến đổi tương tự - số.
Quá tŕnh biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số bao gồm ba giai đoạn:

[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]








· Lấy mẫu tín hiệu tương tự : Đây là quá tŕnh gián đoạn ( rời rạc hoá ) theo thời gian bằng tần số lấy mẫu f[SUB]SA[/SUB] , kết quả cho ta chỗi các mẫu.
· Lượng tử hoá : Đây là quá tŕnh rời rạc hoá theo biên độ tín hiệu ( đă được rời rác hoá theo thời gian), nghĩa là chia biên độ ra nhiều mức khác nhau và mỗi mức khác nhau sẽ được gán bằng một gí trị biên độ.
· Mă hoá : Đây là quá tŕnh biến đổi tín hiệu đă được lượng tử hoá thành tín hiệu số bằng cách sắp xếp các mức tín hiệu tương ứng theo hệ đếm nhị phân.
II. Cơ sở biến đổi tín hiệu video1. Biến đổi tín hiệu video
Biến đổi tín hiệu Video tương tự thành tín hiệu Video số là quá tŕnh biến đổi thuận, c̣n biến đổi tín hiệu Video sè sang tín hiệu Video tương tự là biến đổi ngược. Trong hệ thống truyền h́nh số có sử dụng rất nhiều các bộ biến đổi thuận ADC và các bộ biến đổi ngược.
Trong truyền h́nh màu, h́nh ảnh được truyền đi được biểu diễn bằng ba tín hiệu màu cơ bản: Đỏ (R), lục (G), lam B). Nó có thể được truyền bắng ba khả năng sau:
- Ba tín hiệu băng rộng R, G, B.
- Một tín hiệu chói băng rộng Y và hai tín hiệu màu băng hẹp I,Q.
- Một tín hiệu Video màu tổng hợp.
Như vậy, có thể chia tín hiệu Video thành hai loại chính: Tín hiệu Video màu tổng hợp và tín hiệu Video màu thành phần. V́ vậy, Quá tŕnh biến đổi tín hiệu Video tương tự thành tín hiệu Video số sẽ có hai cách chính sau đây:
- Biến đổi tín hiệu Video màu tổng hợp PAL, SECAM, NTSC.
- Biến đổi tín hiệu Video thành phần ( tín hiệu chói Y và hai tín hiệu màu R-Y và B-Y hoặc ba tín hiệu màu cơ bản R,G,B )
2. Tần số lấy mẫu của tín hiệu Video
2.1 Tín hiệu Video tổng hợp.
Đối với tín hiệu Video tổng hợp ( NTSC hoặc PAL), tần số lấy mẫu cho tín hiệu Video thường bằng 2, 3 hoặc 4 lần tần số sóng mang màu ( 2f[SUB]S C [/SUB], 3 f[SUB]S C, [/SUB] hoặc 4f[SUB]S C [/SUB]). Với cách chọn tần số như vậy sẽ không tối ưu được băng tần sử dụng ( Ví dụ như NTSC, nếu lấy 3f[SUB]S C [/SUB] = 10,74 MHz với f[SUB]SC [/SUB] = 3,58 MHz th́ chưa đủ lớn, nếu lấy 4f[SUB]S C[/SUB] = 14,3 MHz th́ lại quá lớn).
Số hoá tín hiệu Video tổng hợp có ưu điểm là tốc độ bit thấp so với phương pháp số hoá tín hiệu Video thành phần. Nghĩa là, lượng băng từ cần sử dụng trong máy ghi h́nh hạn chế hơn. Tuy nhiên, tín hiệu Video số tổng hợp c̣n mang đầy đủ những khiếm khuyết của tín hiệu Video tương tự như: hiện tượng can nhiễu chói màu. Ngoài ra, Tín hiệu Video số c̣n bộc lộ nhiều nhược điểm trong quá tŕnh xử lư số, tạo kỹ xảo, dựng h́nh . V́ vậy, trong những năm gần đây, Người ta không sử dụng phương pháp số hoá tín hiệu Video tổng hợp.
2.2 Tín hiệu Video thành phần.
Với tín hiệu Video thành phần, tần số lấy mẫu thường được biểu thị thông qua tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu các tín hiệu màu (Ví dụ: Tỷ lệ lấy mẫu 14:7:7 tương ứng là tần số lấy mẫu của tín hiệu chói là 14 MHz và hai tín hiệu màu là 7MHz. Tần số lấy mẫu quyết định đến dải thông của phổ tín hiệu, theo định lư Shanon- Nyquist, tần số lấy mẫu tối thiểu phải bằng hai lần tần số cao nhất của tín hiệu.
Hiện nay, để lấy mẫu tín hiệu Video sao cho tối ưu về dải thông cũng như độ phân giải của h́nh ảnh người ta thường dùng tiêu chuẩn 4: 2: 2 ( tỉ lệ tần số lấy mẫu của các tín hiệu Video thành phần Y/C[SUB]B [/SUB]/ C [SUB]R[/SUB] là 4: 2: 2. Trong đó, Tổ chức EBU chọn tần số lấy mẫu ứng với các tín hiệu Video thành phần bằng :
f[SUB]S [/SUB] ( Y ) = 13,5 MHz
f[SUB]S [/SUB] ( C[SUB]B[/SUB] ) = 6,75 MHz
f[SUB]S [/SUB] ( C[SUB]R[/SUB] ) = 6,75 MHz
Tần số lấy mẫu f[SUB]S [/SUB] = 13,5 MHz là bội số của tần số ḍng cho cả hai hệ truyền h́nh 525 và 625 ḍng. V́ vậy, Thiết bị các trung tâm truyền h́nh số sẽ hoàn toàn giống nhau cho cả hai hệ thống ( 525 và 625 ḍng ), tạo điều kiện thuận lợi cho việc hợp tác sản xuất, trao đổi chương tŕnh và có thể tiến tới một tiêu chuẩn Video sè chung cho toàn thế giới, loại bỏ cho những xung đột gây nên bởi t́nh trạng đa hệ như trong truyền h́nh tương tự. Tín hiệu video số thành phần là phương pháp số hoá được sử dụng hiện tại và trong tương lai.
3. Lượng tử hoá tín hiệu Video thành phần
Dạng thức Video số được quy định bởi các thông số :
- Mức danh định.
- Khoảng bảo vệ cần thiết.
- Sè bit tương ứng với mỗi mẫu.
- Mă cấm.
3.1 Tín hiệu chói Y( Mă hoá 8 bit )
Trong trường hợp này, tín hiệu chói Y chỉ được sử dụng 220 mức. Các mức lượng tử c̣n lại ( 36 mức) được dùng cho khoảng bảo vệ và tín hiệu đồng bộ.
Mức dao động của tín hiệu chói Y từ ( 0¸700 ) [SUP]( mV)[/SUP], do vậy một mức lượng tử bằng: M[SUB]lt [/SUB] = = 3,196 ( mV)
Mức
255 Mức cấm
235 700[SUP]mV[/SUP] Mức trắng


16 Mức đen
0 Mức “ cấm “
H́nh 2-1 Mức lượng tử tín hiệu chói Y
Các mă từ 1¸15 và 236 ¸254 là khoảng bảo vệ trên, bảo vệ dưới. Từ mă đồng bộ chỉ được xuất hiện ở khoảng tín hiệu chuẩn thời gian TRS. Từ mă mở đầu của TRS gồm: 00[SUB]H[/SUB] và FF[SUB]H[/SUB] ( Đây cũng là mức cấm).
Như vậy, trong trường hợp lượng tử hoá đồng đều mă nhị phân 8 bit ta có 256 mức lượng tử phân bố đều nhau. Các từ mă nằm trong khoảng 00[SUB]H [/SUB]¸ FF[SUB]H [/SUB] tương đương ứng với các mức tính theo số thập phân 0 ¸ 256.
Theo tiêu chuẩn 4 : 2 : 2, mức 0 và 255 được dành cho tín hiệu đồng bộ, các mức từ 1¸ 154 được sử dụng để truyền tải thông tin về Video.
[TABLE]
[TR]
[TD]
[/TD]
[TD]ĐIÊN ÁP
[/TD]
[TD]BINARY
[/TD]
[TD]HEXA
[/TD]
[TD]THẬP PHÂN
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Mức cấm với ḍng tích cực
[/TD]
[TD]763,927[SUP]( mV)[/SUP]
[/TD]
[TD]1111 1111
[/TD]
[TD]FF
[/TD]
[TD]255
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Khoảng trống dự pḥng
[/TD]
[TD]760,731( mV)
703,196( mV)
[/TD]
[TD]1111 1110
1110 1100
[/TD]
[TD]FE
EC
[/TD]
[TD]254
236
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Mức Video
[/TD]
[TD]700,000( mV)
0.000( mV)
[/TD]
[TD]1110 1011
0001 0000
[/TD]
[TD]EB
10
[/TD]
[TD]235
16
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Khoảng trống dự pḥng
[/TD]
[TD]-3,196( mV)
-47,945( mV)
[/TD]
[TD]0000 1111
0000 0001
[/TD]
[TD]0F
01
[/TD]
[TD]15
1
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Mức cấm với ḍng tích cực
[/TD]
[TD]-51,142( mV)

[/TD]
[TD]0000 0000
[/TD]
[TD]00
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
Bảng 2-1 : Giá trị các từ mă ( Bin và Hexa ) ứng với các mức 0 ¸ 255 và điện áp tương ứng của tín hiệu chói Y ( số hoá 9 bit ứng với 3,196 [SUP] ( mV)[/SUP]/ mức).
3.2 Tín hiệu màu C[SUB]R [/SUB] và C[SUB]B[/SUB] ( Đối với mă hoá 8 bit )
Mức điện tử danh định dành để mă hoá tín hiệu màu nằm trong khoảng 16 ¸ 240. Tín hiệu màu được lượng tử hoá đối xứng qua trục ứng với các mức 128.

[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]


255 Mức “ cấm”
240 350[SUP]mV [/SUP] Mức băo hoà
128 0[SUP]mV [/SUP] Mức đen
16 -350[SUP]mV[/SUP] Mức băo hoà
0 Mức cấm
H́nh 2-2 Mức lượng tử tín hiệu màu C[SUB]R và [/SUB] C [SUB]B[/SUB]
Mỗi mức lượng tử tương ứng với giá trị điện áp :
m [SUB]lt [/SUB] = = 3,125 [SUP]mV[/SUP]
Các mức 1¸15 và 241 ¸254 được dành cho các khoảng bảo vệ dưới và trên. Các mức cấm bao gồm 00[SUB]H [/SUB] và FF[SUB]H.[/SUB]
[TABLE]
[TR]
[TD]
[/TD]
[TD]ĐIÊN ÁP
[/TD]
[TD]BINARY
[/TD]
[TD]HEXA
[/TD]
[TD]THẬP PHÂN
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Mức cấm với ḍng tích cực
[/TD]
[TD]396,875[SUP]( mV)[/SUP]
[/TD]
[TD]1111 1111
[/TD]
[TD]FF
[/TD]
[TD]255
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Khoảng trống dự pḥng
[/TD]
[TD]393,750( mV)
353,125( mV)
[/TD]
[TD]1111 1110
1111 0001
[/TD]
[TD]FE
F1
[/TD]
[TD]254
241
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]
[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]Møc cùc ®¹i ©m

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]Møc cùc ®¹i d­¬ng

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

[/TD]
[TD]350,000( mV)
0.000( mV)
[/TD]
[TD]1111 0000
1000 0000
0001 0000
[/TD]
[TD]F0
80
40
[/TD]
[TD]240
128
16
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Khoảng trống dự pḥng
[/TD]
[TD]-353,125(mV)
-396,875(mV)
[/TD]
[TD]0000 1111
0000 0001
[/TD]
[TD]0F
01
[/TD]
[TD]15
1
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Mức cấm với ḍng tích cực
[/TD]
[TD]-400,000(mV)

[/TD]
[TD]0000 0000
[/TD]
[TD]00
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
Bảng 2- 2 Giá trị các từ mă ( Bin và Hexa) ứng với các mức từ 0¸255 và điện áp tương ứng của các tín hiệu màu C[SUB]R­ ­[/SUB]và C [SUB]B[/SUB] ( Số hoá 8 bit ứng với 3,125 [SUP]mV[/SUP]/ mức.
4. Cấu trúc lấy mẫu
Theo tiêu chuẩn EBU.Tech3267 ba mẫu đầu tiên của một ḍng được quy định là C[SUB]B [/SUB]/ Y/ C[SUB]R[/SUB] = 0/0/0 và bốn mẫu cuối cùng là C[SUB]B [/SUB]/ Y/ C[SUB]R[/SUB]/ Y = 359/718/359/719. Như vậy, Mẫu đầu tiên sau xung xoá là một giá trị của C[SUB]B[/SUB] và mẫu cuối cùng là một giá trị của Y. H́nh ảnh cấu trúc lấy mẫu được biểu thị dưới h́nh sau:
X Mẫu tín hiệu chói Y
O Mẫu tín hiệu màu C[SUB]R[/SUB] và C[SUB]B[/SUB]
[TABLE]
[TR]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]X
[/TD]
[TD]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
H́nh 2-3 Cấu trúc lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu màu C[SUB]R[/SUB] và C [SUB]B[/SUB]
Sau khi lấy mẫu, các ḍng bit thành phần Y, C[SUB]R[/SUB] và C[SUB]B [/SUB] được ghép kênh theo thời gian để tạo thành một ḍng số liệu Video có thứ tự sắp xếp đan xen theo quy luật:
C[SUB]B1[/SUB]/ Y[SUB]1[/SUB]/ C[SUB]R1[/SUB] Y[SUB]2 [/SUB] C[SUB]b3[/SUB]/Y[SUB]3[/SUB]/C[SUB]R3[/SUB] Y[SUB]4[/SUB]
Pixel 1 Pixel 2 Pixel 3 Pixel 4 .
Mẫu đầu tiên của ḍng Video tích cực là C[SUB]B [/SUB] = 0 xuất hiện sau 132 mẫu kể từ sườn trước xung đồng bộ của tín hiệu Video tương tự. Như vậy, bề rộng của xung xoá tín hiệu Video số bằng 10,7( ms) trong khi bề rộng của xung xoá tín hiệu tương tự là 12( ms). Thời gian của một ḍng tín hiệu số tích cực lớn hơn ḍng Video tương tự tích cực là 1,3( ms), 53( ms) so với 52 ( ms).
Để thực hiện đồng bộ tín hiệu Video số người ta sử dụng tín hiệu TRS. TRS bao gồm bốn từ mă ( ba từ mă mở đầu cố định và một từ mă XY ) xuất hiện tại các mẫu 360 / 720 / 360 / 721 ( EAV - kết thúc ḍng Video tích cực ) và các mẫu 431 / 862 / 431 / 863 ( SAV- bắt đầu ḍng Video tích cực ).
5. Định giá trị các tín hiệu thành phần Y [SUP]”[/SUP] C[SUB]R[/SUB] [SUP]”[/SUP], C[SUB]B[/SUB] [SUP]”[/SUP]
5.1 Xác định Y’, R’, R’- Y’, B’- Y’ từ các tín hiệu thành phần gốc R’,G’, và B’( dấu ‘ biểu thị tín hiệu đă sửa Gamma).
Công thức xác định tín hiệu chói:
Y’ = 0,299R’ + 0,587G’ + 0,114B’
Từ đó ta có thể xác định được biểu thức hiệu màu:
R’ - Y’ = R’ - ( 0,299R’ +0,587G’ +0,114B’ )
= 0,1701R’ - 0,587G’ - 0,114B’
B’ - Y’ = B’ - ( 0,299R’ +0,587G’ +0,114B’ )
= 0,299R’ - 0,587G’ + 0,886B’
Từ đó, Ta xác định được các giá trị tín hiệu màu thành phần tương ứng với các h́nh ảnh có màu sắc khác nhau.
Bảng 2-3 Giá trị tín hiệu thành phần tương ứng với các trường hợp h́nh ảnh có màu: Trắng, đen, màu cơ bản và màu phụ trợ.

[TABLE]
[TR]
[TD]Tín hiệu h́nh ảnh
[/TD]
[TD]R’
[/TD]
[TD]G’
[/TD]
[TD]B’
[/TD]
[TD]Y’
[/TD]
[TD]R’-Y’
[/TD]
[TD]B’-Y’
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Trắng
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Đen
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Đỏ( Red )
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0,299
[/TD]
[TD]0,701
[/TD]
[TD]-0,299
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Lục( Green)
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0,587
[/TD]
[TD]-0,587
[/TD]
[TD]-0,587
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Lam ( Blue )
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]0,114
[/TD]
[TD]-0,114
[/TD]
[TD]0,886
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Vàng ( Yellow )
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0,886
[/TD]
[TD]0,114
[/TD]
[TD]-0,886
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Xanh lơ ( Cyan )
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]0,701
[/TD]
[TD]0,701
[/TD]
[TD]0,299
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Tím ( Magenta )
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]0,413
[/TD]
[TD]0,587
[/TD]
[TD]0,587
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
5.2 Chuẩn hoá các giá trị hiệu màu.
Từ bảng trên, ta thấy giá trị Y’ dao động trong khoảng 0¸1. Trong khi đó, giá trị R’- Y’ dao động trong khoảng ( -0,701¸0,701 ) và giá trị B’- Y’ dao động trong khoảng ( - 0,886 ¸ 0,886 ). Để phạm vi dao động của các mức tín hiệu bằng nhau, có nghĩa là các tín hiệu màu chỉ dao động trong khoảng ±0,5V, ta cần nhân các giá trị đó cho các hệ số tương ứng:
K[SUB]R [/SUB] = = 0,713 và K[SUB]B[/SUB] = = 0,564