391 CHƯƠNG 14 XỬ LÝ HAI CHIỀU TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH 14.1 Chỉ dẫn Truyền hình là một lĩnh vực áp dụng nhiều kỹ thuật của xử lý tín hiệu hai chiều. Vì vậy chúng ta sẽ xem xét các kiến thức cơ bản về hệ thống tín hiệu truyền hình và các tiêu chuẩn truyền tải tín hiệu truyền hình. Trong phần này chúng ta cũng xem xét các đặc tính và giới hạn trong của hệ thống cảm nhận của con người. Các tiêu chuẩn truyền hình hiện nay và trong tương lai đều dựa trên các giới hạn này. Tiếp theo chúng ta sẽ đề cập đến việc xử lý tín hiệu hai chiều tương tự trong ảnh truyền hình. Các khái niệm truyền hình có độ phân giải cao (HDTV) và truyền hình nổi (EDTV) cũng được đề cập đến trong phần này. Chương này làm nền tảng cho hai chương tiếp theo khi thiết kế bộ lọc tương tự và phần cứng cho xử lý thời gian thực. 14.2 Hệ thống truyền hình cơ bản Một ảnh, được tạo ra từ một tín hiệu quang học, được chuyển sang tín hiệu điện qua một bộ biến năng đặc biệt đặt trong camera. Các phần tử nhậy ánh sáng của camera chuyển các cảnh thành các phân bố độ chói để chuyển đổi. Một kiểu vật liệu hay được dùng để thiết kế các bộ biến năng này là nguyên tố Selen được nhà bác học Thuỵ Điển, Berzelius tìm ra vào năm 1817. Thuộc tính nhậy cảm với ánh sáng của nó được tìm ra vào năm 1873. Trong một camera, phân bố ánh sáng trên phần tử cảm quang gây nên các độ dẫn khác nhau. Các vùng mà nhận ít ánh sáng hơn thì có tính dẫn kém hơn so với các vùng nhận được nhiều ánh sáng hơn và một cảnh được chuyển thành sự phân bố độ dẫn trong vật liệu truyền dẫn. Sự phân bố của các độ dẫn này có thể chuyển thành sự phân bố điện tích bằng cách cho một dòng điện không đổi đi qua vật liệu. Trong các camera chỉ dùng bán dẫn hiện đại, vật liệu cảm nhận ánh sáng được chia thành các ngăn nhỏ, mà mỗi ngăn này cho một nguồn dòng điện biểu diễn cho cường độ chói trung bình trên bề mặt của ngăn. Dòng điện cảm ứng này có thể đưa ra mạch xử lý nhờ một loạt tế bào gậy ghi dịch tương tự gọi là thiết bị ghép (CCDs). Các loại camera như thế này gọi là CCD camera. Các dòng điện cảm quang được đọc ra ngoài từ các ngăn thông qua quá trình quét. Hình 14.1 biểu diễn cho một chu kỳ quét. Để có thể nhìn thấy các tín hiệu như một ảnh ta phải thực hiện một quá trình ngược lại (có nghĩa là chuyển các dòng điện thành các tín hiệu cường độ chói trong video). Các bước cuối cùng của công việc này được thực hiện trên đèn hình (CRT) của tivi. Để có thể giải mã được tín hiệu truyền hình nhận được bởi một chiếc tivi thì phải 392 có nhiều tin tức được cho thêm vào tín hiệu. Các tin tức này sẽ là thời điểm bắt đầu của một dòng quét và thời điểm bắt đầu của một ảnh mới. Chức năng của các tín hiệu này là để đồng bộ giữa nơi phát tin và nơi nhận tin. Đồng bộ cho dòng quét ngang là các tín hiệu đồng bộ dòng, đồng bộ cho ảnh là các tín hiệu đồng bộ mành. Hình 14.1 Dòng quét. Hình 14.2 biểu diễn một hệ thống truyền hình cơ bản. Tín hiệu mà bao gồm cả tín hiệu video và xung đồng bộ gọi là tín hiệu video tổng hợp. Hình 14.3 biểu diễn một tín hiệu video tổng hợp được tạo ra bởi sơ đồ đơn giản của khối phát và khối nhận. Tín hiệu video từ camera được cộng thêm tín hiệu đồng bộ mành và tín hiệu đồng bộ dòng mà các tín hiệu này cũng được dùng để điều khiển camera. Tín hiệu tổng hợp video được điều chế bằng một dao động có tần số RF. Công suất của tín hiệu được khuyếch đại bằng khối khuyếch đại công suất sau đó được truyền ra ăngten. Ở nơi nhận, nếu chuyển hộp kênh về tần số của nơi phát thì sẽ nhận được tín hiệu. Nếu tín hiệu này được giải điều chế về tần số tín hiệu gốc thì các xung đồng bộ sẽ chia các tín hiệu này thành các quãng chia đồng bộ. Các xung đồng bộ dòng và các xung đồng bộ mành được dùng loại bỏ các thiếu hụt khi hiện thị ảnh trên CRT. Chú ý là trên hình 14.3 các xung đồng bộ mành có chu kỳ dài hơn các chu kỳ của xung đồng bộ dòng. H H Tín hiệu video. Vật liệu quang dẫn được chia th ành các ô nh ỏ. CCD ánh sáng bi ến đổi dựa trên cảnh đã được chuyển sang vật mang. 393 14.3 Đặc tính cảm nhận ánh sáng của con người và các hệ thống quét Các đặc tính của mắt con người xác định các số dòng nhỏ nhất có thể được, số ảnh truyền đi trong một giây, và độ sáng của ảnh nhận được. Các đặc tính này là: 1. Khả năng phân biệt các chi tiết. 2. Độ lưu ảnh. 3. Cảm nhận độ sáng cũng như màu sắc. A Hướng dọc Hướng ngang Bộ đ ồng + R.F Mo CCD camera. Bộ phát. R.F Amp Det. A Đồng b ộ. Hướng dọc Hướng ngang Bộ thu. CRT A bộ khuếch đại. Mod bộ điều biến. R.F. tần số radio. Det bộ tách sóng. osc. bộ tạo dao động. CRT đèn hình. P.A. khu ếch đại công suất. 394 Hình 14.2 Hệ thống truyền hình cơ bản. Hình 14.3 Tín hiệu video tổng hợp. 14.3.1 Độ phân giải Hình 14.4 biểu diễn một hệ thống cảm nhận quang học của mắt người. Mắt tập trung các chi tiết trên ảnh vào võng mạc. Võng mạc bao gồm hai loại tế bào cảm nhận ánh sáng. Chúng được gọi là các tế bào gậy và các tế bào nón. Các tế bào gậy là các phần tử cảm nhận độ sáng còn các tế bào nón là các phần tử cảm nhận màu sắc. Có vào khoảng 6.5 triệu tế bào nón và vào khoảng 100 triệu tế bào gậy. Có vào khoảng 0.8 triệu dây thần kinh truyền hình ảnh vào bộ não. Vùng sắc nét nhất của ảnh được cảm nhận ra từ một vùng trên võng mạc gọi là hố võng mạc, nơi có mật độ tế bào nón cao nhất. Ở vùng này và một vùng nhỏ xung quanh nó gọi là điểm vàng, các phần tử cảm nhận ánh sáng chủ yếu là tế bào nón. Các phần còn lại của các võng mạc được bao phủ bởi tế bào gậy, và đáp ứng cho các phần có độ sáng ở mức thấp. Các tế bào nón ở hố võng mạc được liên kết bằng những sợi thần kinh riêng biệt tới não, trong khi một số tế bào nón dùng chung một dây thần kinh. Hình 14.4 Cảm nhận quang học của mắt người. Độ phân giải của mắt người xác định bởi sự phân tách giữa các tế bào cảm nhận ánh sáng. Các tế bào lân cận tại hố võng mạc tạo thành góc xấp xỉ 1 phút tính từ tâm thuỷ tinh thể. Điều đó cho ta giới hạn của độ phân giải như saui: Giới hạn của độ phân giải = 120 1 tan2 D DD 4 1091.2 180 120 2 (14.1) 395 ở đây D là khoảng cách nhìn. Vì vậy, khi nhìn ở khoảng cách 3 m 10 ft, độ phân giải thấp nhất mà mắt người có thể phân biệt được là vào khoảng 1 mm. Vì thế, theo tiêu chuẩn của Mỹ cho hệ truyền hình 525 dòng, loại tivi tốt nhất là có chiều cao vào khoảng 500 mm 19 inch cho xem ở khoảng cách 10 ft. Nếu coi rằng tivi này có tỷ lệ là 4:3 (rộng trên cao), kích thước của loại tivi này là 28 inch. Vì vậy, loại tivi kích thước 28 inch là loại tivi thích hợp nhất dùng trong gia đình. Dù như vậy đi chăng nữa, ngày nay hầu hết các tivi đều có một màn ảnh rộng hơn. Nếu bạn cần có một tivi 56 inch thì bạn cũng sẽ cần một khoảng cách nhìn gấp đôi, mà điều kiện này không phải lúc nào cũng được thoả mãn đối với các căn hộ hiện đại, để đáp ứng được điều này ta cần dùng một kỹ thuật mới mà tôi sẽ đề cập đến ở phần cuối của chương này. Giới hạn về khả năng phân biệt các chi tiết của mắt người cho phép ta tính toán kích thước tối ưu nhất cho màn ảnh tivi. Tuy nhiên, còn có một số tham số khác giới hạn khả năng này. Sự tác động khác nhau của kích thước lỗ mở và dải sóng của ảnh sáng thay đổi một giá trị nhỏ trong góc phân giải. Nếu d là đường kính của con ngươi, thì góc phân giải có thể tính từ: 122. d (14.2) Độ phân giải tổng hợp được tính bằng giá trị trung bình của độ sáng B của ảnh, và độ tương phản C, độ tương phản này được tính theo sự khác nhau về độ sáng của một miền sáng nhỏ với mức sáng của toàn bộ bề mặt. Mối quan hệ này được biểu diễn: kC B (14.3) ở đây k là một hằng số. 14.3.2 Tầm nhìn Nếu chuyển từ hố võng mạc ra ngoài, khả năng phân giải của mắt người giảm xuống một cách nhanh chóng, cụ thể là giảm xuống 20 phần trăm khi góc thay đổi 10 0 theo hướng quan sát chính. Điều này gây nên sự giảm khả năng phân biệt của mắt người trong các miền bên ngoài hố võng mạc. Tầm nhìn chính của mắt người được xác định theo phương ngang và phương dọc vào khoảng từ 30 0 đến 40 0 , dựa theo tiêu chuẩn khả năng phân biệt của mắt người giảm xuống khoảng 15 phần trăm so với khả năng phân biệt lớn nhất ở vùng chết. Trong ví dụ trước đây, một tivi 28 inch ở khoảng cách 10 feet cho ta một góc nhìn là gần 9 0 . Một tivi 56 inch cho ta một góc nhìn xấp xỉ 18 0 , trong khả năng tầm nhìn của mắt người. Vì vậy loại tivi 56 inch (thường gọi là kiểu tivi màn ảnh rộng) được trang bị nhằm cung cấp cho người dùng một hình ảnh với số dòng gấp đôi. 396 14.3.3 Cảm nhận độ sáng Mắt con người có thể điều tiết cảmnhận một khoảng rất rộng của cường độ sáng, mức cao nhất là vào khoảng 50,000 cd/cm 2 (nits). Mức thấp nhất của độ sáng mà mắt người có thể phân biệt được là vào khoảng 0.03 nits trong các điều kiện bình thường. Trong các cảnh tối, mắt người có khả năng phân biệt được mức tối dưới 10 -5 nits. Cảm nhận thực sự về cường độ sáng của mắt người là một hàm logarit của độ chói trên ảnh. Cảm nhận thực sự S với hai mức chói có cường độ B 1 và B 2 là S K B B log 1 2 (14.4) Độ tương phản trên ảnh được biểu diễn như một tỷ lệ của giá trị cực đại với cường độ sáng thấp nhất. Trong ánh sáng ban ngày, mắt con người có khả năng phân biệt độ tương phản vào khoảng 1000:1, khi độ sáng thấp nhất nằm ngoài khoảng 10:1. Trong một hình ảnh tivi, tỷ lệ tương phản là vào khoảng 10 đến 40. Trong một độ chói của loại tivi bình thường (1 đến 40 nits), khoảng cách các bước tăng của độ tương phản của mắt người là vào khoảng 0.03. Với một tỷ lệ tương phản 10 đến 40 mắt người có thể chú ý các mức thay đổi từ 80 đến 100, vào khoảng 100 là giá trị trung bình. Trong hệ thống PCM để mã hoá đòi hỏi phải có 7 bit. Với 7 bit, chúng ta có thể sẽ không thể phân biệt các chi tiết ở các miền rất nhỏ. Thông thường hay dùng 8 bit/màu cho một điểm, và điều này cung cấp cho ta một hình ảnh tốt hơn, cho phép mắt người phân biệt các chi tiết trong cả các miền rất nhỏ. 14.3.4 Tỷ lệ màn ảnh Khả năng chuyển động của mắt người theo chiều ngang thì kém hơn khả năng chuyển động của mắt người theo chiều dọc. Vì lý do này nên thực tế là chiều ngang của vùng hố võng mạc rộng hơn chiều dọc của vùng hố võng mạc, nên tỷ lệ của màn ảnh tivi sẽ là 4:3. Tỷ lệ này cho ta khả năng quan sát tốt nhất. t t V H H (a) (b) V (c) 397 Hình 14.5 (a) Quá trình quét từ đỉnh đến đáy của tia điện tử; (b) quá trình quay trở lại theo chiều dọc của tia điện tử; (c) Dạng sóng lái tia. 14.3.5 Dòng quét tại phía thu Một quá trình quét thì tạo nên hình ảnh trên CRT ở phía thu. Quá trình quét dùng các xung đồng bộ để đồng bộ giữa nơi phát và nơi thu như đã trình bày ở phần trước. Có hai quá trình quét toạ độ nên một hình ảnh, một quá trình làm tia điện tử chuyển động theo chiều ngang từ trái qua phải, một quá trình khác làm cho tia điện tử chuyển động theo chiều dọc (Hình 14.5a, b). Tốc độ chuyển động của tia theo cả hai phương là một hằng số và được cho bằng khoảng cách H và V cho trong hình 14.5c. Khoảng cách này được các cuộn lái tia của CRT là lệch hướng của tia điện tử. Tia điện tử hiện ảnh bằng các dòng quét từ trái qua phải qua một chu kỳ lặp nhỏ; sau đó nó lại quay lại cạnh trái. Quá trình quét ngược thì tiến hành với một tốc độ rất cao và trong suốt quá trình quét ngược, hình ảnh bị che khuất bởi các tia điện tử. Sau khi hoàn thành quét xong một ảnh, tia điện tử được quét quay trở lại với một tốc độ rất cao về góc trên cùng bên tay trái. Trong quá trình quay trở lại theo chiều dọc tia điện tử bị cắt. Tốc độ quét tối thiểu của tia điện tử theo chiều dọc được xác định theo chiều dọc được xác định bởi độ lưu ảnh của mắt. 14.3.6 Tính lưu ảnh và sự rung Khi một hình ảnh đột nhiên chiếu lên võng mạc thì hình ảnh đó vẫn còn lưu trên võng mạc một giây sau khi ánh sáng mất đi. Kết quả là các tín hiệu độ sáng vẫn được truyền đến bộ não. Đặc tính này của hệ thống nhìn của chúng ta gọi là tính lưu ảnh. Tính chất này làm cho một loạt các khung ảnh phải trình bày với tốc độ bằng hoặc ít hơn độ lưu ảnh. Xuất hiện sự rung hình trong quá trình chuyển động giữa các khung ảnh với nhau. Tại tốc độ 60 khung hình một giây thì sự rung hình biến mất. Trong một máy truyền hình, các hình ảnh được trình bày với tốc độ bằng tần số của nguồn điện cung cấp (60 đến 50 Hz). Lý do của việc này là tránh sự không đồng bộ của nguồn điện và hình ảnh. 14.3.7 Quét xen kẽ Như đã đề cập ở phần trên, 60 khung/giây là cần thiết để tránh sự rung hình. Số dòng nhỏ nhất là 525 dòng theo tiêu chuẩn truyền hình Mỹ. Con số này xác . 391 CHƯƠNG 14 XỬ LÝ HAI CHIỀU TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH 14. 1 Chỉ dẫn Truyền hình là một lĩnh vực áp dụng nhiều kỹ thuật của xử lý tín hiệu hai chiều. Vì v y chúng ta sẽ xem xét các. hình trong quá trình chuyển động giữa các khung ảnh với nhau. Tại tốc độ 60 khung hình một gi y thì sự rung hình biến mất. Trong một m y truyền hình, các hình ảnh được trình b y với tốc độ bằng. tiết trên ảnh vào võng mạc. Võng mạc bao gồm hai loại tế bào cảm nhận ánh sáng. Chúng được gọi là các tế bào g y và các tế bào nón. Các tế bào g y là các phần tử cảm nhận độ sáng còn các tế bào