Giao an Truyen hinh so.doc

Chia sẻ tài liệu về Giáo án truyền hình số.

Truyền hình hoạt động dựa trên đặc điểm cảm nhận ánh sáng của mắt ngời

để truyền đi các thông tin cần thiết Cờng độ và thành phần phổ của tia sáng phảnxạ sẽ phản ánh tính chất phản xạ, xác định độ chói và màu của vật

Hệ thống truyền hình thực hiện xử lý tín hiệu mang thông tin về độ chói vàmàu của vật, sơ đồ hệ thống truyền hình đợc biểu hiện trên hình 1.1

Hoạt động chức năng của hệ thống:

ống kính Camera chiếu ảnh của vật cần truyền lên Katot quang điện của

bộ chuyển đổi ảnh- tín hiệu Bộ chuyển đổi này sẽ chuyển đổi ảnh quang thành

Bộ tách sóng Bộ khuếch đại

ống thu hình

Bộ tạo xung quét

Đồng bộ

Máy thu hình Anten

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền hình

Bộ KĐ

Hình

ảnh cần

truyền

Bộ tạo xung quét

Xử lý Video

ống phát CAMERA

Bộ KĐ

Bộ tạo sóng mang

Máy phát

Bộ điều chế

Anten

Bộ tạo xung

đồngbộ

tín hiệu điện (chuyển đổi năng lợng ánh sáng thành năng lợng điện), tín hiệu điện

đợc gọi là tín hiệu hình hay video, đây là quá trình phân tích ảnh

Tín hiệu video đợc khuếch đại, gia công và truyền đi theo kênh thông tinsang phía thu ở phía thu, tín hiệu video đợc khuếch đại lên mức cần thiết rồi đa

đến bộ chuyển đổi tín hiệu điện- ảnh Quá trình chuyển đổi tín hiệu điện thành

ảnh quang là quá trình tổng hợp ảnh, hay khôi phục ảnh Dụng cụ để thực hiện sựchuyển đổi này là phần tử biến đổi điện – quang hay còn gọi là ống thu hình

Để khôi phục đợc ảnh quang đã truyền đi, quá trình chuyển đổi ảnh- tínhiệu phải hoàn toàn đồng bộ và đồng pha với quá trình chuyển đổi ảnh tín hiệu.Vì vậy, trong hệ thống sử dụng thiết bị tạo xung đồng bộ

1.1.2 Nguyên lý quét

a Phơng pháp quét liên tục

Trong truyền hình, hình ảnh của các vật đợc chiếu lên một mặt phẳng (mặtcatot quang điện của phần tử biến đổi quang- điện) nhờ một hệ thống quang học,sau đó chúng mới đợc chuyển thành tín hiệu hình

ảnh vật đợc chia thành nhiều phần nhỏ, gọi là các điểm ảnh Mỗi điểm

ảnh có độ chói trung bình và màu của nó Số điểm ảnh càng lớn, tức là ảnh đợcchia ra càng nhỏ thì độ chói và màu trên toàn tiết diện của mỗi điểm ảnh càng

đồng nhất Kích thớc của các điểm ảnh càng nhỏ thì ảnh của vật càng sắc nét

Độ chói và màu của các điểm ảnh tiếp tục đợc biến đổi thành tín hiệu điện(U) Nh vậy tín hiệu hình phải là hàm của nhiều biến số:

) , , , , , (L p x y t f

U    (1.1)Trong đó:

L- là độ chói của phần tử ảnh

 và p - bớc sóng và độ thuần khiết xác định màu của phần tử ảnh;

x và y- là các toạ độ xác định vị trí phần tử ảnh

t- thời gian xác định vị trí lấy ảnh

Hình ảnh quang học đợc hình thành nhờ quá trình quét theo chiều ngang

từ trái qua phải và theo chiều dọc từ trên xuống dới Thông tin về độ chói của

điểm ảnh trên một dòng quét sẽ đợc chuyển đổi thành tín hiệu điện tơng ứng củadòng quét đó Quá trình này liên tiếp đợc lặp lại và thông tin về các ảnh liên tiếp

đợc biến đổi thành dòng tín hiệu điện theo thời gian trong khoảng thời gian quéthết một ảnh

Trên hình vẽ (1.2) là sơ đồ quét một ảnh theo phơng pháp quét liên tục, lầnlợt từng dòng của một ảnh Khi kết thúc việc phân tích hay tổng hợp một ảnh, tia

điện tử quay nhanh về mép trái dòng 1 của ảnh thứ 2

Thời gian quét từ 1 đến A và trở về 2 là thời gian quét dòng Thời gianquét ngợc (tơng ứng với nét đứt) trên màn hình không có tín hiệu nhờ có xungxoá dòng Thời gian quét từ dòng 1 đến Z là thời gian quét thuận của một ảnh

Tần số quét ảnh:

a a T

f  1

Trong đó T a– là tần số quét ảnh.

Xung đồng bộ đợc truyền từ đầu phát đến đầu thu để hệ thống quét tại đầuthu hoàn toàn đồng bộ với hệ thống quét tại đầu phát, đảm bảo tái tạo lại chínhxác hình ảnh ban đầu

b Số dòng quét.

Chất lợng hình ảnh sau khi tái tạo phụ thuộc vào độ phân giải, số dòngquét càng nhiều thì chất lợng hình ảnh càng đẹp Số dòng quét tối thiểu là sốdòng quét không gây khó chịu cho ngời xem

Số dòng quét thích hợp với mỗi ảnh sẽ là:

(100 * 60’):1’ = 600 dòng

Khoảng cách tốt nhất từ ngời xem đến màn ảnh là:

H tg

H

5

2 /



Trong đó D- Khoảng cách tốt nhất từ ngời xem đến màn ảnh

H- chiều cao của màn ảnh

c Số ảnh truyền trong một giây

Số ảnh truyền: n = 24 ảnh/giây thì ảnh sẽ liên tục

Điện ảnh truyền n = 49 ảnh/ giây

Truyền hình thực hiện truyền n = 25 ảnh/giây

Để tránh hiện tợng chớp sáng trong truyền hình ta sử dụng phơng phápquét xen kẽ

1.2 Hình dạng tín hiệu hình và phổ tín hiệu

Điểm ảnh

Điểm bắt

Z Z

Hình 1.2: Ph ơng pháp quét liên tục.

1 2 3

Xung quét dòng

Xung quét mành

Hình 1.3: Dạng xung quét dòng và mành

1.2.1 Hình dạng tín hiệu hình

Tín hiệu hình tổng hợp bao gồm tín hiệu hình ảnh (Video), xung xoá(Blank) và xung đồng bộ (Sync)

a Tín hiệu video

* Nguyên lý tạo tín hiệu video

Thông tin về vật cần truyền mang các tính chất về độ chói, màu sắc và sựbiến đổi theo thời gian ảnh vật qua hệ thống quang học của camera hội tụ trên

bề mặt cảm quang của bộ tạo ảnh, chúng là ảnh phẳng (ảnh hai chiều)

Bộ tạo ảnh biến đổi thông tin chứa trong các điểm ảnh thành tín hiệu điệnmang tính chất của điểm ảnh đó Tập hợp các tín hiệu điện đợc sắp xếp liên tụccho ta một dòng tín hiệu mang thông tin trọn vẹn về một bức ảnh, đó chính làdòng tín hiệu video

Các ảnh đợc truyền đi liên tiếp nhau trong những khoảng thời gian nhất

định và đợc hiển thị liên tiếp trên màn hình phía thu Với một tốc độ hiển thị nào

đó, mắt ngời thu đợc một chuỗi liên tục các sự biến đổi của vật thể trên màn hình

và cảm nhận đợc một sự chuyển động thật của vật thể nhờ khả năng lu ảnh trênvõng mạc của mắt ngời

* đặc điểm của tín hiệu hình

Tín hiệu hình là tín hiệu đơn cực tính bởi vì độ chói của ảnh có trị số dơng,biến đổi từ giá trị 0 đến trị số dơng cực đại

Nếu điểm trắng của ảnh ứng với trị số điện áp lớn nhất, điểm đen tín hiệuứng với giá trị điện áp nhỏ nhất thì gọi là tín hiệu cực tính dơng, ngợc lại ta gọi làtín hiệu cực tính âm Giá trị trung bình của mỗi ảnh tỷ lệ với độ chói trung bìnhcủa ảnh đó

Mỗi chu kỳ quét đợc chia thành 2 phần:

- Phần quét thuận: Chuyển đổi ảnh thành tín hiệu điện, chiếm khoảng 84% của một chu kỳ quét dòng

82 Phần quét ngợc: Là thời gian tia điện tử cuối cùng quay về đầu dòng đểchuẩn bị quét tiếp dòng sau, chiếm khoảng 16- 18% thời gian của một chu kỳquét dòng

Xung xoá dòng: Có tác dụng tắt tia điện tử ở ống tia trong thời gian quétngợc.

Xung xoá mành: Có tác dụng tắt tia điện tử của ống thu trong thời gianquét ngợc của ảnh Thời gian quét ngợc của ảnh thờng bằng 20- 30 chu kỳ quétdòng

Tần số cao nhất của phổ tín hiệu hình phụ thuộc vào số dòng quét Để đạt

đợc độ rõ càng cao thì số dòng quét càng lớn dẫn đến độ rộng dải tần tín hiệutăng lên Sử dụng phơng pháp quét xen kẽ sẽ giảm đợc dải tần tín hiệu

Phổ của tín hiệu hình đợc minh hoạ nh sau:

Nhận xét:

- Tần phổ của tín hiệu hình là phổ gián đoạn gồm các hài của tần số mặt

và các nhóm phổ quanh hài của tần số dòng, trong đó hài càng cao thìbiên độ càng bé

- Giữa các nhóm phổ hài tần số dòng tồn tại các khoảng trống Ta có thểtruyền cả hai tín hiệu mà phổ của chúng có cấu trúc nh nhau trên mộtkênh thông tin

Tính chất này đợc ứng dụng trong truyền hình màu Phổ của tín hiệu màu

đợc sắp xếp vào các khoảng trống của phổ tín hiệu chói

1.3 Cơ sở truyền hình màu

Truyền hình màu phát triển nhờ lý thuyết 3 màu trong đó mọi ảnh màu đều

có thể phân tích và tổng hợp từ 3 màu cơ bản Trong truyền hình màu cần phát cảtín hiệu phản ánh độ chói của hình ảnh cùng với các tín hiệu mang tin tức về màusắc Tín hiệu truyền hình màu có các tính chất khác với tín hiệu truyền hình đen

tU

Hình 1.5: Phổ tín hiệu hình

trắng, quá trình tạo tín hiệu truyền hình màu sẽ tạo các tín hiệu méo, trong đóméo Gamma gây ảnh hởng lớn nhất đến việc thiết kế hệ thống truyền hình.

1.3.1 Lý thuyết ba màu

a Thị giác màu

Thực nghiệm đã chỉ ra rằng, ta có thể nhận đợc gần nh tất cả các màu sắctồn tại trong thiên nhiên bằng cách trộn ba chùm ánh sáng màu đỏ, màu lục vàmàu lam theo các tỷ lệ xác định

b Các màu cơ bản và màu phụ.

Tổ hợp 3 màu đợc xem là 3 màu cơ bản khi chúng thoả mãn yêu cầu: Bamàu đó độc lập tuyến tính, tức là trộn 2 màu bất kỳ trong 3 màu ở trong điều kiệnbất kỳ, theo tỷ lệ bất kỳ đều không tạo ra màu thứ 3

Tổ chức CIE đã quy định 3 màu cơ bản sử dụng rộng rãi trong công nghiệptruyền hình, gọi là hệ so màu R, G ,B:

- Màu đỏ, ký hiệu là R (Red) có bớc sóng R  700nm

- Màu lục, ký hiệu là G (green), có bớc sóng G  546 , 8nm

- Màu lam, ký hiệu là B (blue), có bớc sóng B  435 , 8nm

Mỗi màu cơ bản có một màu phụ tơng ứng mà khi trộn với màu cơ bản sẽtạo ra màu trắng

1.3.2 Phơng pháp trộn màu

a Phơng pháp trộn quang học.

Là sự tổng hợp màu khi có một số bức xạ màu khác nhau tác dụng đồngthời vào mắt thì tạo ra đợc một màu mới, sắc độ của màu đó phụ thuộc tỷ lệ côngsuất của các bức xạ thành phần

Hìmh 1.6: Trộn màu theo ph ơng ph ơng pháp quang học

Trờng hợp có nhiều tia sáng cùng rọi vào mắt mà không rơi vào một điểmtrong mắt, giả sử các điểm đó gần nhau thì mắt cũng có thể tổng hợp đợc mộtmàu mới

c Các định luật cơ bản về trộn màu.

1, Định luật 1:

- Bất kỳ một màu sắc nào cũng có thể tạo đợc bằng cách trộn 3 màu cơ bản

độc lập tuyến tính đối với nhau

1.4 hệ thống và dạng tín hiệu truyền hình màu

1.4.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu

Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu:

Hoạt động của sơ đồ khối tổng quát:

Hình ảnh cần truyền qua camera truyền hình màu đợc biến đổi thành 3 tínhiệu màu cơ bản là ER, EG, EB Các tín hiệu màu cơ bản này đợc truyền qua cácmạch hiệu chỉnh gamma để bù méo gamma do ống thu ở bên thu gây lên Các tínhiệu đã bù méo E R' ,E G' ,E B' đợc đa vào mạch ma trận tạo tín hiệu chói '

Y

E và 2 tínhiệu mang màu S1, S2 Các tín hiệu mang màu S1, S2điều chế dao động tần sốmang phụ tạo ra tín hiệu mang màu cao tần UC Trong bộ cộng, các tín hiệu '

Y

E

và U C đợc trộn với nhau để tạo thành tín hiệu truyền hình màu tổng hợp

Hiệu chỉnh gamma ma trậnMạch Bộ điều

chế màu

Mạch cộng

Bộ chọn tín hiệu Bộ chọn

Hình 1.7: Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình màu

Qúa trình giải mã thực hiện trong phần tần số vi deo của máy thu hìnhmàu Tín hiệu truyền hình màu tổng hợp EM nhận đợc sau tách sóng đợc lọc rathành tín hiệu chói '

Y

E và tín hiệu mang màu cao tần E C Sau bộ tách sóng màu,

ta thu đợc tín hiệu mang màu S1 và S2, đó là các tín hiệu số màu

Nhờ có mạch ma trận, từ tín hiệu E Y' ,S1,S2 tạo ra tín hiệu mang màu cơbản E R' ,E G' ,E B' (hoặc các tín hiệu E R'  E Y' ,E G'  E Y' ,E B'  E Y') Phần tử cuối cùngcủa hệ thống là ống thu, ở đây biến đổi các tín hiệu màu thành hình ảnh phức tạp

1.4.2 Tín hiệu truyền hình màu.

a Tín hiệu chói

Tín hiệu chói trong các hệ truyền hình màu sau khi hiệu chỉnh gamma đợcchọn theo biểu thức:

' '

' ' 0 , 299 R 0 , 587 G 0 , 114 B

E    (1.2)Hoặc có thể viết:

' '

' '

114 , 0 587 , 0 299 ,

Y    (1.3)Trong đó: E Y' (Y' ) là điện áp hiệu chỉnh gamma tín hiệu chói của tín hiệu

ảnh màu

) ( );

( ), ( ' ' ' ' '

c Tín hiệu thành phần và tín hiệu tổng.

Hệ thống truyền hình cho phép sử dụng hai dạng tín hiệu để xử lý, lu trữ

và truyền phát chơng trình:

- Tín hiệu video thành phần gồm bộ 3 tín hiệu đợc xử lý riêng rẽ, yêu cầu

sử dụng 3 kênh truyền tín hiệu Có hai tập các tín hiệu video thành phần đợc sửdụng bao gồm:

1- Tín hiệu R, G, B: Là các tín hiệu cơ bản của truyền hình màu, mỗi một

tín hiệu biểu diễn cho một màu cơ bản

2- Tín hiệu Y, R- Y và B- Y: Là tổ hợp của các giá trị tín hiệu màu cơ bản

R, G, B

- Tín hiệu video tổng hợp đợc sử dụng trong kênh truyền thông đại chúng

Đặc điểm là tất cả các thông tin về tín hiệu màu của cảnh vật đợc biểu diễn bằngmột tín hiệu Video tổng hợp sẽ đợc xử lý, lu trữ và truyền dẫn dới dạng một tínhiệu duy nhất, yêu cầu duy nhất một kênh truyền

' '

' ' 0 , 299R 0 , 5879G 0 , 114B

Y    (1.4)

trong đó Y' ,R' ,G' ,B' là giá trị điện áp tín hiệu chói và 3 màu cơ bản sauhiệu chỉnh gamma

Hai tín hiệu mang tin tức về màu đợc truyền đồng thời với tín hiệu chói

Các màu nằm theo hớng Q lệch pha 330 so với trục B- Y (màu tía thiên vềlơ) là mắt ngời phân tích kém nhất và dải tần tơng ứng chỉ cần 0,5 MHz, còn ởcác hớng khác dải tần đều xấp xỉ 1,5 MHz Vì vậy, ở hệ NTSC không sử dụng hệtrục (R-Y) và (B-Y) mà hai tín hiệu màu tính theo hai hệ toạ độ ( ' ), ( ' )

Q

I Q E E

đợc gọi là tín hiệu I và Q Tín hiệu màu I và Q đợc tính theo biểu thức:

0 0

0 0

33 cos ) ( 33 sin ) (

33 sin ) ( 33 cos ) (

Y G Y

R I

Y G Y

R I

Nhận xét: Nh vậy, tín hiệu màu của hệ thống NTSC là tín hiệu điều biên,

điều pha có tần số bằng tần số sóng mang phụ

c Sóng mang phụ

Cả hai tín hiệu I và Q đợc điều chế vuông góc với tần số sóng mang bằng:

) 2 / )(

1 2

f   (1.6)trong đó, n – là số nguyên dơng

f H- là tần số dòng

f SC – tần số sóng mang phụ

Với f SC bằng số lẻ lần nửa tần số dòng, phổ của tín hiệu màu sau điều chế

sẽ xen kẽ với phổ của tín hiệu chói Thông tin về màu sắc của ảnh cần truyền đợctruyền trong cùng dải phổ của tín hiệu truyền hình đen trắng

Để tránh can nhiễu vào tín hiệu chói, trung tần tiếng phải bằng một sốnguyên lần tần số dòng:

H

n n f

f  Với hệ NTSC tiêu chuẩn (z = 525 dòng) chọn n = 296 sẽ thoả mãn điềukiện, ta có giá trị các đạt lợng:

 Tần số dòng:

Hz NTSC

286

10 5 , 4 ) (

Điều biên cân bằng 1

Dịch pha

90 0

Điều biên cân bằng 2

Tín hiệu đồng bộ màu là chuỗi xung gồm 9 đến 10 chu kỳ, có tần số bằng

đúng tần số mang màu f SC  3 , 58MHzđợc đặt ở sờn sau của các xung xoá dòng

e Phổ của các tín hiệu

Biểu đồ biểu diễn tín hiệu phổ có dạng nh sau:

Phổ của tín hiệu màu tổng hợp trong hệ NTSC bao gồm phổ tần tín hiệu

chói Y’và phổ tần tín hiệu màu I và Q Dải tần tín hiệu chói từ 0  4 , 2MHz; của

tín hiệu màu Q từ 3  4 , 2MHz ; của tín hiệu màu I từ 2,3  4 , 2MHz Cả hai dải

biên tần của tín hiệu Q đều đợc truyền sang phía thu còn tín hiệu I bị nén một

Hoạt động chức năng:

Mạch ma trận hình thành tín hiệu chói Y' và 2 tín hiệu màu I , Q từ cáctín hiệu màu cơ bản R' ,G' ,B'

Mạch lọc thông thấp (LTT) đối với tín hiệu I có tần số giới hạn trên là 1,3

MHz (ở mức 2dB), còn đối với tín hiệu Q là 0,6 MHz (ở mức 6 dB)

Mạch tạo sóng mang phụ (TSMP) bằng thạch anh tạo ra dao động điều hoà

có tần số f SC  3 , 58MHz và góc pha là 1900 (so với trục (B- Y)) Dao động nàyqua mạch dịch pha -570, đảm bảo cho sóng mang phụ đặt lên mạch điều biên cânbằng (ĐBCB1) có góc pha 1230 (= 1900 - 570), và lại qua mạch dịch pha - 900 đểcho sóng mang phụ đặt lên mạch điều chế cân bằng 2 có góc pha 330 Tại lối ramạch cộng C1 nhận đợc tín hiệu màu um.Tại mạch cộng C1 thực hiện cộng tín hiệuchói với xung đồng bộ đầy đủ và xung tắt đầy đủ

Tín hiệu Y’ qua qua đờng truyền có dải thông tần rộng nhất, còn tín hiệu Q qua đờng truyền có dải thông tần hẹp nhất cho nên tín hiệu Q truyền với tốc độ chậm nhất Còn tín hiệu Y’ truyền với tốc độ nhanh nhất Để cho các tín hiệu

(ACC)

HT

XT

DP -900

DP -57 TM

ĐK

TSM PC

E’ 1

-E’ 1 E’ 0

-E’ 0

KĐ ra

KĐ ra

KĐ ra

Kênh chói gồm có: Mạch nén dao động tần số hiệu (4,5 MHz), dây trễ,mạch lọc chặn dải và một số tầng khuếch đại Dây trễ dải rộng có dải thông 4,2MHz, để cho tín hiệu chói và các tín hiệu màu của cùng một ảnh phần tử dếnmạch ma trận cùng một lúc.

Mạch lọc chắn dải sóng mang phụ và các thành phần phổ của tín hiệu màugần f SC nhắm giảm ảnh hởng của tín hiệu màu đến chất lợng truyền ảnh truyền

hình màu Trong kênh chói còn có thể có mạch ghim khôi phục thành phần mộtchiều cuả tín hiệu

* Kênh màu

Gồm có mạch lọc thông dải, mạch tách sóng đồng bộ, lọc thông thấp vàmột số tầng khuếch đại và dây trễ dải hẹp

Mạch lọc thông dải chọn lấy tín hiệu màu, tín hiệu đồng bộ màu và néncác thành phần tần số thấp của tín hiệu chói nằm ngoài phổ tần của tín hiệu màu

ở lối ra của các mạch lọc thông thấp nhận đợc tín hiệu màu I và Q

Mạch ma trận tạo tín hiệu màu cơ bản R' ,G' ,B' từ các tín hiệu Q,I,Y'.Các tín hiệu này sau khi đợc khuếch đại đến giá trị cần thiết đảm bảo cực tính

âm, sẽ đặt lên catôt của súng điện tử tơng ứng trong đèn hình màu

1.6 Hệ thống truyền hình số và các đặc điểm

1.6.1 Hệ thống truyền hình số

So với tín hiệu tơng tự, tín hiệu số có nhiều u điểm trong quá trình xử lýtín hiệu và lu trữ Trong truyền hình, tín hiệu số cho phép tạo, lu trữ, ghi đọcnhiều lần mà không làm giảm chất lợng hình ảnh

Nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số đợc đa ra

nh hình vẽ sau:

Hoạt động chức năng của hệ thống:

Đầu vào là tín hiệu truyền hình tơng tự, qua thiết bị mã hoá (biến đổiA/D), tín hiệu hình sẽ đợc biến đổi thành tín hiệu truyền hình số Tín hiệu truyềnhình số đợc đa đến thiết bị phát, sau đó qua kênh thông tin đa đến thiết bị thu

Biến đổi A/D Mã hoá kênh Biến đổi tín hiệu

Kênh thông tin

Biến đổi tín hiệu

Biến đổi D/A hoá kênhGiải mã

Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trong kênh thông tin,các bộ biến đổi tín hiệu là các thiết bị điều chế và giải điều chế.

Bộ giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi truyền hình số thành tínhiệu truyền hình tơng tự Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúcmã hoá và giải mã tín hiệu truyền hình

1.6.2 Đặc điểm của truyền hình số

a Yêu cầu về băng tần.

Tín hiệu số yêu cầu băng tần rộng hơn so với tín hiệu tơng tự Thông thờngbằng khoảng 4 lần tín hiệu tơng tự, nếu có thêm bit sửa lỗi, yêu cầu băng tần cònphải tăng hơn nữa

Công nghệ số hiện đại cho phép giảm độ rộng băng tần thông qua kỹ thuậtnén số liệu Các kỹ thuật nén băng tần có thể cho tỷ lệ đạt 100:1 mặc dù việc nén

có thể làm giảm chất lợng hình ảnh và âm thanh Các tính chất đặc biệt của hình

ảnh nh tính lặp lại, khả năng dự báo cũng làm tăng thêm khả năng giảm băng tầntín hiệu

sử dụng dòng tin đợc nữa Đây là điểm khác so với tín hiệu tơng tự, ở tín hiệu

t-ơng tự, khi có tỷ số tín/tạp ta vẫn có thể sử dụng đợc tin dù chất lợng tín hiệu xấu

đổi tiêu chuẩn, dựng hậu kỳ, giảm độ rộng băng tần…

e Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh.

Tín hiệu số cho phép các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở mộtkhoảng cách gần nhau hơn nhiều so với hệ thống tơng tự mà không bị nhiễu Mộtphần vì tín hiệu số ít chịu ảnh hởng của nhiễu đồng kênh, một phần là do khảnăng thay thế xung xoá và xung đồng bộ bằng các từ mã- nơi mà các hệ tơng tựgây ra nhiễu nhiều nhất

1.7 ảnh số và phơng pháp biến đổi tín hiệu video

1.7.1 ảnh số

độ sáng (hay mức xám) của ảnh tại điểm này.

Một ảnh số là một ảnh f(x, y) đợc gián đoạn theo không gian và độ sáng.Một ảnh số đợc xem nh một ma trận với hàng và cột bểu diễn một điểm trong ảnh

và giá trị điểm ma trận tơng ứng với mức xám tại điểm đó Các phần tử của mộtdãy số nh thế gọi là các điểm ảnh (picxels)

1.7.2 Các phơng pháp biến đổi tín hiệu vi deo

Số hoá tín hiệu truyền hình thực chất là việc biến đổi tín hiệu truyền hìnhmàu tơng tự sang dạng số Có hai phơng pháp biến đổi là:

- Biến đổi trực tiếp tín hiệu video màu tổng hợp

- Biến đổi riêng từng phần tín hiệu video màu thành phần

Việc lựa chọn phơng pháp biến đổi tín hiệu vi deo phụ thuộc vào nhiềuyếu tố nh: Yêu cầu về khả năng khả năng thuận lợi khi xử lý tín hiệu, yêu cầu vềtruyền dẫn và phát sóng…

a Tín hiệu video số tổng hợp

Tín hiệu video số tổng hợp thực chất là sự chuyển đổi tín hiệu video tơng

tự tổng hợp sang video số

Biến đổi video tổng hợp có u điểm về dải tần song chúng có nhiều nhợc

điểm là: Hiện tợng can nhiễu chói màu, khó khăn trong việc xử lý, tạo kỹ xảo tínhiệu truyền hình

Hình 1.13: Biến đổi A/D tín hiệu màu tổng hợp

Kỹ thuật truyền toàn bộ chuỗi số liệu video số thành phần nối tiếp trên mộtdây dẫn duy nhất có nhiều u điểm:

 Không bị nhiễu ký sinh, không méo, tỷ số tín/tạp cao

 Chuyển đổi tín hiệu đơn giản

 Có thể cài đợc tín hiệu Audio trong chuỗi số liệu video số Chỉ cần mộtsợi cáp cũng có thể truyền đợc của tín hiệu audio và video Khâu thiết

kế, lắp đặt và khai thác thiết bị nhờ vậy đơn giản và thuận tiện hơnnhiều

Các kỹ thuật của phơng pháp biến đổi tín hiệu thành phần đợc sử dụngrộng rãi và hình thành nên các tiêu chuẩn thống nhất cho truyền hình số

1.8 Chuyển đổi ADC và DAC

1.8.1 Các tham số cơ bản.

1- Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tơng tự ở đầu vào: Là khoảng điện áp

mà bộ chuyển đổi ADC có thể thực hiện chuyển đổi đợc

2- Độ chính xác của bộ chuyển đổi AD: đặc trng bởi độ phân biệt

3- Độ phân biệt Q của một ADC: Là giá trị của một mức lợng tử hoá haycòn gọi là 1 LSB

4- Sai số lệch không và sai số đơn điệu

Sai số khuếch đại là sai số giữa độ dốc trung bình của đờng đặc tính thựcvới độ dốc trung bình của đờng đặc tính lý tởng Sai số phi tuyến đợc đặc trng bởi

Hình 1.14: Biến đổi AD tín hiệu màu tổng hợp

sự thay đổi độ dốc đờng trung bình của đặc tuyến thực trong dải biến đổi của điện

áp vào Sai số này làm cho đờng đặc tuyến chuyển đổi có dạng hình bậc thangkhông đều

Sai số đơn điệu thực chất cũng do tính phi tuyến của đờng đặc tính biến đổigây ra, làm cho độ dốc của đờng trung bình biến thiên không đơn điệu thậm chí

có thể mất một vài mã số

5- Tốc độ chuyển đổi: Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổitrong một giây, đợc gọi là tần số chuyển đổi f C` Thời gian chuyển đổi T C là

thời gian cần thiết cho một kết quả chuyển đổi

Thờng f C  1 /T C vì giữa các lần chuyển đổi còn có một khoảng thời giancần thiết để cho ADC hồi phục lại trạng thái ban đầu Ta cần lu ý rằng, ADC cótốc độ chuyển đổi cao thờng sẽ kém chính xác, tuỳ theo yêu cầu sử dụng, ta cầndung hoà 2 tham số là tốc độ chuyển đổi và độ chính xác chuyển đổi một cáchhợp lý nhất

1.8.2 Nguyên tắc làm việc của ADC.

Sơ đồ khối của mạch ADC có dạng nh hình vẽ sau:

có đặc tuyến thích hợp cho băng tần tín hiệu có ích

b, Mach tạo xung đồng hồ và lấy mẫu.

Mạch tạo xung dùng để lấy mẫu và đồng bộ tất của các khâu trong mạchADC, nó tạo ra các xung sau đây:

- Xung lấy mẫu đợc tạo ra từ tần số lấy mẫu f SD (đồng bộ với tần số

dòng) Thời gian xung lấy mẫu bằng ( 1 )

20

1

sd sd sd

f T

Xung lấy mẫu + đồng hồ

Tín hiệu ra

Hình 1.15: Sơ đồ khối mạch biến đổi t ơng tự- số

Mạch này có hai nhiệm vụ:

 Lấy mẫu tín hiệu tơng tự tại những điểm khác nhau và cách đều nhau(rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian)

 Giữ cho biên độ điện áp tại các điểm lấy mẫu không đổi trong quá trìnhchuyển đổi tiếp theo (nghĩa là trong quá trình lợng tử hoá và mã hoá)

X Q

Int (Integer) – phần nguyên

Quá trình lợng tử hoá thực chất là quá trình làm tròn số, lợng tử hoá đợcthực hiện theo nguyên tắc so sánh, tín hiệu cần chuyển đổi đợc so sánh với mộtloạt các đơn vị chuẩn Q

 Biến đổi song song

 Biến đổi nối tiếp theo mã đếm

 Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân

 Biến đổi song song- nối tiếp kết hợp

Sau đây ta nghiên cứu một số phơng pháp điển hình

a Chuyển đổi AD theo phơng pháp song song.

Trong phơng pháp này, tín hiệu đợc so sánh cùng lúc với với nhiều giá trịchuẩn, do đó tất của các bit đều đợc xác định đồng thời và và đa đến đầu ra

Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi AD theo phơng pháp song song có dạng nhsau:

Trong phơng pháp chuyển đổi song song, tín hiệu tợng tự U A đợc đồng thời

đa đến các bộ so sánh S 1 S n nh hình vẽ Điện áp chuẩn U ch đợc đa đến đầu vào

thứ hai qua thang điện trở R, do đó điện áp đặt vào bộ so sánh lân cận khác nhaumột lợng không đổi và giảm dần từ S 1 S n Đầu ra bộ so sánh có mức “1” nếu

ch

A U

U  và có mức “0” nếu U  A U ch Các đầu ra nối với mạch “Và”, một đầu

mạch “Và” nối với mạch tạo xung nhịp Khi có xung nhịp đa đến đầu vào “Và”thì các xung trên đầu ra bộ so sánh mới đa đến mạch nhớ FF (Flip Flop) Nh vậy,sau một khoảng thời gian bằng một chu kỳ xung nhịp thì có một tín hiệu đợc biến

đổi và đa đến đầu ra Xung nhịp đảm bảo cho quá trình so sánh kết thúc mới đatín hiệu vào bộ nhớ Bộ mã hoá biến đổi tín hiệu vào dới dạng số nhị phân

Mạch chuyển đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh nhng kết cấu phứctạp với số linh kiện lớn Vì vậy, phơng pháp này chỉ dùng trong các ADC yêu cầu

số bit N nhỏ hơn và tốc độ chuyển đổi cao

b Chuyển đổi AD nối tiếp dùng vòng hồi tiếp

Sơ đồ khối của ADC làm việc theo phơng pháp này đợc biểu diễn trên hình

Điện áp tơng tự U A đợc so sánh với một giá trị ớc lợng U M

khiển bộ đếm sao cho tơng ứng với +A thì bộ đếm thụân và - A thì bộ đếm ngợc.

Nếu bộ đếm đợc kết cấu theo quy luật của mã nhị phân thì trên đầu ra ADC sẽ cótín hiệu số dới dạng mã đó Tín hiệu đi một vòng ứng với chu kỳ của xung nhịp

Tín hiệu số xác định đợc trong bớc so sánh thứ nhất qua DAC sẽ dẫn ra

đ-ợc một giá trị mới để so sánh với UA trong bớc tiếp theo Quá trình này đợc lặp đilặp lại cho đến khi

2

Q

U h  Lúc đó  A  A 0, mạch đếm giữ nguyên trạng

thái và ta nhận đợc kết quả chuyển đổi chính xác của U A ứng với N bit yêu cầu.

Trong phơng pháp này, giá trị ớc lợng U M tiệm cận đến U A nên nó còn đợcgọi là phơng pháp xấp xỉ

So với phơng pháp song song đã xét, phơng pháp này có mạch đơn giản,các linh kiện đợc sử dụng lặp lại nhiều lần Tuy mạch làm việc với tốc độ khôngcao lắm nhng có độ chính xác cao nên phơng pháp này đợc ứng dụng phổ biến vàrộng rãi

c Chuyển đổi AD theo phơng pháp đếm đơn giản

Sơ đồ khối đơn giản của ADC làm việc theo phơng pháp đếm đơn giảnbiểu diễn nh sau:

h

Điện áp U A đợc so sánh với điện áp chuẩn dạng răng ca U C nhờ bộ sosánh SS1 Khi U  A U C thì U SS1  1, còn khi U  A U C thì U SS1  0.

Bộ so sánh SS2 so sánh điện áp răng ca với mức 0 (đất) U SS1,U SS2 đợc đa

đến một mạch AND Xung ra U C có độ rộng tỷ lệ với độ lớn của điện áp vào U A

với giả thiết xung chuẩn răng ca có độ dốc không đổi

Mạch AND thứ hai chỉ cho ra các xung nhịp khi tồn tại xung U C, nghĩa làtrong khoảng thời gian mà 0 U  C U A mạch đếm đầu ra sẽ đếm xung nhịp đó, số

xung này tỷ lệ với độ lớn của U A

Bộ tạo xung răng ca thực chất là bộ tích phân, có sơ đồ nguyên lý nh sau:

Dùng điện áp chuẩn một chiều U ch để nạp cho tụ C thông qua điện trở R, ta

có điện áp ra là:

t RC

U dt U RC

ch

C  1   (1.7)Giửa sử tại t  t M thì U  C U A, ta có:

M ch

ch

A

M 

Bộ xung nhịp đếm đợc trong khoảng thời gian tM gọi là Z, ta có Z  f n t M

với f n là tần số xung nhịp, hay:

RC U

U f Z

ch

A n

 (1.8)

Tạo điện áp răng c a

SS

2

+ -

Ta thấy Z tỷ lệ với U A nh mong muốn nhng Z còn phụ thuộc vào R, C và fn.Nếu những tham số này không ổn định thì kết quả đếm có sai số Ngoài ra trong

phơng pháp này yêu cầu f n phải đủ lớn để có thể đạt độ chính xác mong muốn

1.8.4 Các phơng pháp chuyển đổi số- tơng tự

a Nguyên lý chuyển đổi DAC

Chuyển đổi số- tơng tự (DAC) là quá trình khôi phục lại tín hiệu tơng tự từ

N số hạng (N bit) đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lợng tử (1LSB) để khôi phục lại tín hiệu tơng tự từ tín hiệu số ta dùng sơ đồ khối có dạngsau:

Mạch cơ bản của DAC gồm:

 Mạch số (đa hài loại D) với nhiệm vụ tạo lại tín hiệu số đầu vào

 Mach giải mã số – tơng tự với nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số thành tínhiệu rời rạc tơng ứng dới dạng các xung có biên độ thay đổi (hình

vẽ…)

 Mạch tạo xung lấy mẫu và xung đồng hồ (có nhiệm vụ tạo các xung lấymẫu và đồng bộ các quá trình còn lại trong DAC, đồng bộ với mạch tạocác xung giống nhau)

 Mạch lấy mẫu thứ cấp có nhiệm vụ khử nhiễu (xuất hiện do chuyểnmạch nhanh ở đầu ra của DAC)

 Mạch lọc thông thấp: Dùng để tách băng tần cơ bản của tín hiệu lấymẫu (rời rạc) Bộ lọc thông thấp đóng vai trò nh một bộ nội suy, ở đây,tín hiệu liên tục biến thiên liên tục theo thời gian là tín hiệu nội suy của

tín hiệu rời rạc theo thời gian U m

 Khuếch đại tín hiệu video ra

U

m

Mạch logic DAC mẫuLấy Lọc thông thấp >

Xung lấy mẫu

b Chuyển đổi số- tơng tự bằng phơng pháp mạng điện trở

Trong mạch này, các nguồn dòng điện đợc tạo ra bởi nguồn điện áp chuẩn

U ch Dòng điện của chúng bằng nhau và bằng I 0 Tín hiệu cần chuyển đổi (tín

hiệu điều khiển) đợc đa đến chuyển mạch K Khi một bit nào đó của tín hiệu điều khiển là 0 thì I 0 tơng ứng với bit đó bị ngắn mạch qua khoá xuống đất Ngợc lại

nếu tín hiệu điều khiển là “1” thì I 0 tơng ứng với bit đó đợc dẫn đến đầu vào bộkhuếch đại thuật toán qua mạng điện trở

Mạng điện trở làm nhiệm vụ phân dòng, dòng điện đi qua mỗi khâu điệntrở thì giảm đi một nửa Dòng điện ứng với LSB đi qua (N-1) khâu điện trở, dòng

điện ứng bit có nghĩa lớn hơn đi qua (N-2) khâu… và dòng điện ứng với MSB đ

-ợc đa trực tiếp đến đầu vào bộ khuếch đại thuật toán (I 0) Kết quả là dòng điện ởcửa vào bộ khuếch đại thuật toán có trị số tơng ứng với bit mà nó đại diện Chúng

có trị số giảm dần từ MSB đến NSB theo mã nhị phân

Trong sơ đồ, điện trở ở nhánh ngang cuối cùng có trị số là 2R bằng điện

trở nhánh dọc Kết cấu này đảm bảo sự phân dòng cho

2

0 2

I

i N  ở khâu cuối cùngcũng giống các khâu trớc

Nhợc điểm: Trong sơ đồ này, số điện trở phải dùng khá lớn, nếu phải

chuyển đổi N bit thì số điện trở phải dùng là 2(N-1) trong khi theo phơng pháp

thang điện trở thì chỉ phải dùng N điện trở mà thôi

1.9 Camera truyền hình

1.9.1 Giới thiệu

Chức năng của camera truyền hình là thu các hình ảnh của sự vật, nó quyết

định chất lợng và đặc tính tự nhiên của hình ảnh trong sản xuất video

Sau đây ta xét sơ đồ khối của một camera truyền hình

R

N

Tín hiệu ra

Hình 1.22: Chuyển đổi DA bằng ph ơng pháp mạng điện trở.

Bộ cảm biến ảnh là bộ phận quan trọng nhất của camera truyền hình, hầu

nh tất của các camera truyền hình đều sử dụng kỹ thuật ghép nối diện tích (CCD)làm bộ cảm biến, các camera đợc giới thiệu là các camera số

1.9.2 Thấu kính và các tham số của thấu kính

Thấu kính là một phần tử quang học dùng để hội tụ ảnh quang chiếu lên bềmặt nhạy của của bộ cảm biến Sau đây là các đặc tính của thấu kính:

a Tiêu cự

Tiêu cự là một điểm của thấu kính mà tại đó ảnh đợc hội tụ, tiêu cự đợcxác định theo công thức sau:

F S S

1 1 1

1 0



 (1.9)Trong đó:

c Chiều sâu độ nét của thấu kính.

Khoảng cách dọc theo trục quang của thấu kính mà mọi vật trong đó đều

có ảnh nét trên catot quang điện của dụng cụ biến đổi quang - điện đợc gọi làchiều sâu độ nét của thấu kính Khi đó, ta không cần điều chỉnh tiêu cự của thấukính nhng ảnh vẫn nét

d Độ trong suốt của thấu kính.

Khi ánh sáng chiếu vào thấu kính, một phần xuyên qua, một phần phản xạcòn một phần bị hấp thụ Hiện tợng phản xạ làm giảm độ nét của ảnh trên catotquang điện

Khắc phục: Phủ lên bề mặt các thấu kính một màng mỏng có hệ số khúcxạ n’’ khác với hệ số khúc xạ n’ của thuỷ tinh làm thấu kính

Tín hiệu đồng bộ ngoài (tuỳ chọn)

1.9.3 Dụng cụ biến đổi quang điện CCD

Thiết bị ghép nối điện tích CCD bao gồm các hàng và cột các phần tử bándẫn cảm quang có kích thớc điểm ảnh Khi các phần tử cảm quang đợc chiếusáng, điện tích của chúng sẽ tăng lên tơng ứng với năng lợng ánh sáng chiếu vào.Thông tin này sẽ đợc chuyển dịch qua các phần tử liên tiếp đến đầu ra, ở đầu ra ta

có dòng tín hiệu tơng ứng với các điểm ảnh đã thu đợc

1.9.4 Xử lý tín hiệu trong camera số.

Tín hiệu tại đầu ra từ thiết bị CCD đợc lấy mẫu bởi cấu trúc pixel và dòngcủa CCD Một camera số lý tởng sẽ khuếch đại tuyến tính tín hiệu video ra từCCD lên mức thích hợp cho bộ biến đối ADC và sau đó đợc xử lý trong môi tr-ờng số

Nén độ sáng cao

Hiệu chỉnh

R

Cân bằng trắng

Nén độ sáng cao

Hiệu chỉnh màu G

Cân bằng trắng

Nén độ sáng cao

Hiệu chỉnh màu B

Nâng cao chất l ợng

số ra

Bộ tạo xung

đồng hồ CPU Bus hiệu chỉnh số liệu

Hình 1.25: Sơ đồ khối của bộ xử lý các tín hiệu RGB trong camera hoàn toàn số

Hình vẽ minh hoạ sơ đồ khối của bộ xử lý các tín hiệu RGB trong camerahoàn toàn số, đây là một quy trình xử lý tín hiệu liên tiếp.

- Hiệu chỉnh tần số, biên độ và các đặc tính phi tuyến của các tín hiệu

- Giảm bớt mức thấp của các tín hiệu hiệu chỉnh này nhằm ngăn chặn sựtăng lên của tạp âm

- Xén các mức cao của tín hiệu nhằm ngăn ngừa sự vợt quá giới hạn trongquá trình chuyển đổi sang mức biên độ cao của tín hiệu cao của tín hiệu video

Sau khi hiệu chỉnh, các tín hiệu thu giữ đợc cộng trở lại vào của 3 kênhmàu để tăng cờng ảnh số

+R

+G

+B

Bộ trễ 2H Bộ xử lý ngang Bộ hiệu chỉnh

Bộ trễ 2H Bộ xử lý ngang Bộ hiệuchỉnh

+

Hình 1.26: Sơ đồ khối của một cấu hình hệ thống cải thiện ảnh số

Chơng 2

Số hoá tín hiệu video và nén ảnh số

2.1 Lấy mẫu tín hiệu video

2.1.1 Lấy mẫu

Lấy mẫu tín hiệu video là quá trình gián đoạn (rời rạc hoá) theo thời gian

bằng tần số lấy mẫu f lm, kết quả cho ta một chuỗi các mẫu Biên độ tín hiệu tơng

tự đợc lấy mẫu với chu kỳ T, sẽ thu đợc một chuỗi các xung hẹp với tần số lấymẫu đợc tính bằng:

T

f lm 1 (2.1)Quá trình lấy mẫu tơng đơng với quá trình điều biên tín hiệu (f0) trên sóng

mang có tần số bằng tần số lấy mẫu (f lm) Sóng lấy mẫu có dạng hình chữ nhật,phổ của nó bao gồm thành phần thành phần tần số lấy mẫu và các hài của nó

Cơ sở của việc lấy mẫu là dựa trên định luật Nyquist- Shannon: “Tín hiệux(t) liên tục theo thời gian có phổ hạn chế cắt tại C hoàn toàn đợc xác định bằngmột dãy các giá trị tức thời lấy cách nhau một đoạn:



 / 2 );

2 / 1

t k t t

k x t

x

) (

) (

sin ) ( )

(





(2.3)trong đó: k ;0  ;1  ;2  3 ;

Yêu cầu của tín hiệu lấy mẫu:

 Thoả mãn các yêu cầu về cấu trúc lấy mẫu, tính tơng thích giữa các hệthống…

Thành phần tần số cao nhất đối với các hệ truyền hình tơng tự là:

(Thực tế, tần số lấy mẫu tín hiệu video lớn hơn các giá trị này)

2.1.2 Cấu trúc lấy mẫu.

Có 3 dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu đợc sử dụng phổ biến cho cấutrúc lấy mẫu tín hiệu video:

Giá trị lợng tử Q đợc xác định theo biểu thức:

N

Q 2 (2.4)

N – là số bit biểu diễn mỗi mẫu

Tín hiệu số nhận đợc là một giá trị xấp xỉ của tín hiệu ban đầu bởi vì tấtcủa các giá trị nằm trong một mức lợng tử đều có một giá trị nh nhau- đó chính làmức lợng tử Q

2.2.1 Phân loại

Có hai phơng pháp lợng tử hoá là:

 Lợng tử hoá tuyến tính có các bớc lợng tử bằng nhau

 Lợng tử hoá phi tuyến có các bớc lợng tử khác nhau

2.2.3 Sai số trong quá trình lợng tử hoá.

- Sai số lợng tử: Đây là một nguồn nhiễu không thể tránh khỏi trong các hệthống số Biểu thức sai số lợng tử có dạng là:

) ( ) ( ) (t x t  x, t

 (2.5)trong đó:

- Méo lợng tín hiệu video xuất hiện ở hai dạng chính: Hiệu ứng đờng viền

và nhiễu hạt ngẫu nhiên

+ Hiệu ứng đờng viền xuất hiện ở những vùng có độ sáng thay đổi chậm

và đều theo chiều ngang, khi đó có những sọc với độ sáng cố định chia thànhnhiều đờng rõ nét theo chiều đứng nh đờng biên

+ Hiệu ứng hạt có dạng nh sơng mù xuất hiện ở vùng ảnh rộng và có độsáng đồng đều

2.3 M hoá ã hoá

2.3.1 Khái quát

Q Q Q Q Q Q

n+5 n+4 n+3 n+2 n+1 n

Thời gian

Q

Lỗi l ợng tử

Các mẫu

Hình 2.2: Quá trình l ợng tử hoá.

Mã hoá là khâu cuối cùng trong biến đổi AD, là quá trình biến đổi cấu trúcnguồn mà không làm thay đổi tin tức, mục đích là cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuậtcủa hệ thống truyền tin Dữ liệu sau mã hoá có nhiều u điểm: Tính chống nhiễucao hơn, tốc độ hình thành tơng đơng khả năng thông qua của kênh.

Quá trình mã hoá biến đổi các mức lợng tử hoá thành chuỗi các bit “0”,

“1” Độ dài của dãy tín hiệu nhị phân này (gọi là từ mã nhị phân) đợc tính bằng

số lợng các con số “0”, “1” là một trong các chỉ tiêu chất lợng của kỹ thuật sốhoá tín hiệu, nó phản ánh mức sáng, tối, màu sắc của hình ảnh đợc ghi nhận vàbiến đổi Độ phân giải tiêu chuẩn hiện nay là 9 bit/ mẫu

Phân loại các mã trong truyền hình số:

 Các mã để mã hoá tín hiệu truyền hình

 Các mã để truyền có hiệu quả cao qua kênh thông tin

 Các mã để thuận tiện cho việc giải mã và đồng bộ bên thu

 Các mã để xử lý số tín hiệu trong các bộ phận khác nhau của hệ thốngtruyền hình số

2.3.2 Các đặc tính cơ bản của mã

Quá trình biến đổi nhiều các điểm đếm lợng tử hoá của tín hiệu thành tổhợp các tín hiệu khác nhau gọi là sự mã hoá, còn các nhóm ký hiệu thông tincách điểm mã hoá gọi là mã

Các mã mà các tổ hợp của nó bao gồm một số các ký hiệu nh nhau gọi làmã đều đặn, còn các mã mà các tổ hợp của nó bao gồm một số các ký hiệu khácnhau gọi là mã không đều đặn

Lý thuyết mã có hai hớng nghiên cứu:

 Nghiên cứu các cấu trúc mã nâng cao độ chính xác của việc truyền theokênh thông tin có nhiễu (mã chống sai số, mã hiệu chỉnh…)

 Nghiên cứu các mã làm triệt tiêu độ d cuả tín hiệu đã mã hoá trongkênh chống nhiễu

Để phục vụ các yêu cầu về ghi, truyền tín hiệu video, mã hoá đợc sử dụngtrong các trờng hợp:

 Mã hoá sơ cấp: Dùng để tạo tín hiệu số ở studio

 Mã bảo vệ và sửa sai: Tăng khả năng chịu đựng của tín hiệu trong kênh

có nhiễu

 Mã truyền tuyến tính: Tăng khả năng truyền dẫn

Ban đầu, tất của các tín hiệu video số đợc mã hoá sơ cấp, sau đó là mã hoáchuyển đổi Mã sơ cấp là mã cơ sở mà từ đó hình thành mã bảo vệ

2.4 Chuyển đổi D/A

Bộ biến đổi số- tơng tự thực hiện biến đổi video số sang tín hiệu video tơng

tự Đây là quá trình ngợc lại với quá trình biến đổi A/D Tín hiệu đầu ra là mộtchuỗi các xung chữ nhật có biên độ bằng biên độ tín hiệu số, độ rộng các xung là

f

T  1 / Phổ xung chữ nhật có độ rộng T đợc cho bởi hàm số:

) sin ( 10 lg 20 ) (

x

x dB

A  (2.6)

trong đó:

lm

v f f

x  /

v

f - tần số tín hiệu video.

Phổ của một xung chữ nhật với độ rộng T  1 / f s và phổ của tín hiệu tại đầu

ra của bộ biến đổi D/A đợc biểu diễn nh trên hình vẽ:

n+5 n+4 n+3 n+2 n+1 n

Thời gian

Q

Lỗi l ợng tử

Hình 2.4: Tín hiệu tại đầu ra bộ

biến đổi D/A

Hình 2.5: Phổ tín hiệu tại đầu ra bộ

biến đổi D/A

Nén tín hiệu là công đoạn không thể thiếu trong quá trình truyền tín hiệu

số Nó là một quá trình trong đó lợng số liệu (data) biểu diễn lợng thông tin củamột ảnh hay nhiều ảnh đợc giảm bớt bằng cách loại bỏ những số liệu d thừa trongtín hiệu video, chẳng hạn các phần ảnh giống nhau trong các chuỗi ảnh Đó là cácphần xoá dòng, xoá mành, các phần ảnh tĩnh hay chuyển động chậm, vùng ảnhnền giống nhau mà ở đó các phần tử liên tiếp giống nhau hay khác nhau rất ít.Các hệ thống nén sử dụng 2 đặc tính là:

 Các phần tử lân cận trong ảnh thờng giống nhau

 Mắt ngời kém nhậy với sai số nhỏ trong hình ảnh có nhiều chi tiết vàcác phần tử chuyển động

Có hai định dạng nén phổ biến là: JPEG và MPEG

2.5.1 Mô hình nén ảnh

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống nén video:

 Biểu diễn thuận lợi: ở tầng đầu tiên của bộ mã hoá video, tín hiệu video

đợc trình bày dới dạng thuận tiện để việc nén có hiệu quả nhất Điểmcốt yếu là phải xác định cái gì đợc mã hoá, trong cách biểu diễn hiệuquả, chỉ một phần nhỏ dữ liệu là cần thiết để truyền cho việc tái tạo lạitín hiệu video

 Lợng tử hoá: Có chức năng rời rạc hoá thông tin đợc biểu diễn để

truyền tín hệu video qua một kênh số, tín hiệu video đợc biểu diễnthành một hữu hạn các mức

 Gán từ mã: Các từ mã là một chuỗi bit dùng để biểu diễn các mức lợng

tử hoá

Công nghệ nén tín hiệu video dựa trên việc loại bỏ phần d thừa trong tínhiệu video và sự giới hạn của hệ thống mắt ngời trong việc quan sát Nhờ bỏ đicác phần d thừa, các thông tin giống nhau hoặc có liên quan đến nhau sẽ không

đợc truyền đi Những thông tin bỏ đi mà không ảnh hởng đến việc quan sát củamắt cũng sẽ không đợc truyền đi

2.5.2 Các tham số đặc điểm

a Tính hiệu quả của quá trình nén tín hiệu

Hiệu quả nén đợc xác định bằng tỷ số nén, tức là tỷ số giữa số liệu dữ liệu

Hình 2.6: Mô hình hệ thống nén video

Video khôi phục

 Thuật toán nén tổn thất: Hiệu quả cao nhng bị tổn thất thông tin trongquá trình tái tạo lại tín hiệu gốc.

- D thừa mã: Nếu các mức của tín hiệu video đuợc mã hoá bằng các tập

hợp bit nhiều hơn mức cần thiết thì kết quả là có độ d thừa mã

- D thừa trong pixel.

X n

RMS

1

2 '

i ) X - (

1

(2.7)trong đó:

1- Mã hoá với độ dài (của từ mã) thay đổi (VLC), (mã hoá Hufman và mãhoá entropy): Dựa trên khả năng xuất hiện của các giá trị biên độ trùng hợp trongmột bức ảnh và thiết lập một từ mã ngắn cho các giá trị có suất xuất hiện cao nhất

và từ mã dài cho các giá trị còn lại

2- Mã hoá với độ dài (của từ mã) động (RLC)

3- Sử dụng khoảng xoá dòng và mành: Vùng thông tin xoá đợc loại bỏkhỏi dòng tín hiệu để truyền đi vùng thông tin tích cực của ảnh

4- Biến đổi cosin rời rạc (DCT)

Trong truyền hình, phơng pháp nén không tổn hao đợc kết hợp với phơngpháp nén có tổn hao để cho tỷ lệ nén tốt mà không gây mất mát về độ phân giải

b Nén có tổn hao.

Nén có tổn hao chấp nhận mất mát thông tin để tăng hiệu quả nén, thíchhợp với nguồn thông tin là hình ảnh và âm thanh, cho tỷ lệ nén cao để truyền dẫn

và phát sóng, đồng thời cho tỷ lệ nén thích hợp để xử lý và lu trữ ảnh trongstudio.

Quá trình nén có tổn hao thực hiện theo 3 bớc lên tục:

 Biến đổi tín hiệu từ miền thời gian (không gian) sang miền tần số

 Thực hiện việc lợng tử hoá các hệ số DTC, số liệu đợc làm trơn bằngcách làm tròn

 Nén số liệu đã biến đổi và làm trơn bằng cách mã hoá entropy, ở đây sửdụng các mã không tổn hao nh Hufman, RLC

2.7 Các phơng pháp m hoáã hoá

2.7.1 Mã RLC (Run- length coding)

Phơng pháp nén RLC này dựa trên cơ sở sự liên tiếp lặp đi lặp lại các điểm

ảnh trong ảnh số, xuất hiện là do sự tơng quan giữa các điểm ảnh, đặc biệt là vớicác ảnh 2 mức (bi – level images) RLC tách các giá trị giống nhau và biểu diễn

nh là một tổng, kỹ thuật này chỉ áp dụng cho các chuỗi simbols tuyến tính

Có hai cách mã hoá RLC:

1- Tạo ra những từ mã cho mỗi độ dài chạy và kết hợp với simbol nguồn.2- Sử dụng một số độ dài chạy và một simbol nguồn nếu nh simbol nguồnkhông phải là một số hay một ký đặc biệt để chỉ ra cho mỗi simbol nguồn

Kỹ thuật RLC đợc dùng cho các hệ số lợng tử hoá tốt hơn là dùng trực tiếpcho số liệu ảnh

2.7.2 Mã shannon- fano

Đây là phuơng pháp nén dựa trên xác suất xuất hiện của những simbolnguồn bên trong một lợng thông tin, sử dụng các từ mã có độ dài thay đổi để mãhoá các simbol nguồn thông qua các xác suất của chúng Với những simbol cóxác suất xuất hiện càng lớn thì từ mã dùng để mã hoá chúng càng ngắn

Năm 1952, Huffman phát triển một kỹ thuật mã hoá mới mà có thể tạo ra

độ dài trung bình của từ mã ngắn nhất đối với tập symbol nguồn và kết hợp vớixác suất của chúng

Đây là loại mã entropy hay mã thống kê, t tởng chính là dùng VLC(Variable length Coding), sử dụng ít bit để mã các giá trị hay xảy ra (xác suất

xuất hiện cao), và sử dụng nhiều bit để mã hoá các giá trị ít xảy ra (xác suất xuấthiện thấp) Từ đó tốc độ bit sẽ giảm đáng kể.

* Ví dụ về xây dựng cây mã Huffman (tham khảo).

2.7.4 Phơng pháp mã dự đoán

Phơng pháp mã dự đoán hay điều xung mã vi sai (DPCM) không mã hoáthông tin có biên độ ở mỗi mẫu mà chỉ mã hoá thông tin ở biên độ vi sai (biên độchênh lệch) giữa mẫu đã cho và trị dự báo (đợc tạo từ các mẫu trớc đó)

Quá trình phân tích thống kê về phân bố biên độ tín hiệu video ta thấyrằng, phân bố biên độ các mẫu tơng ứng với các điểm ảnh về nguyên tắc là phân

bố đều, còn phân bố về độ chênh lệch biên độ các điểm ảnh có đồ thị hìnhchuông xung quanh điểm 0 Nếu dựa trên các đặc trng thống kê ảnh thì sự khácnhau này là không lớn lắm và để mã hoá nó chỉ cần giảm số bit là đủ (so với việcmã hoá toàn bộ biên độ các mẫu)

Phơng pháp DPCM còn sử dụng đặc điểm của mắt ngời (kém nhạy vớimức lợng tử có chênh lệch về độ chói giữa các điểm ảnh gần nhau, so với mức l-ợng tử hoá chênh lệch nhỏ) và cho phép dùng đặc trng phi tuyến về lợng tử hoá

2.8 Nén trong ảnh

2.8.1 Nguyên lý nén trong ảnh

Nén trong ảnh là loại nén nhằm giảm bớt thông tin d thừa trong miềnkhông gian Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình có tổn hao và không có tổnhao để giảm bớt dữ liệu trong một ảnh Quá trình này không sử dụng thông tincủa ảnh trớc và sau ảnh đang xét

Sơ đồ khối quá trình nén trong ảnh:

Phơng pháp chuyển đổi tối u cho mã chuyển vị là phơng pháp đạt đợc bìnhphơng của lỗi trong qúa trình xây dựng lại ảnh là nhỏ nhất Phơng pháp chuyển

đổi tối u là phơng pháp KL (Karhumen- Loeve) chuyển đổi thông qua một matrận chuyển đổi làm giảm trật tự tơng quan của một quá trình xử lý ngẫu nhiênliên tiếp dới dạng đờng chéo Tuy nhiên, phơng pháp này gặp nhiều khó khăntrong quá trình ứng dụng của việc nén ảnh số Ngời ta nghiên cứu và đa ra phơngpháp chuyển đổi gần tối u để thay thế, phơng pháp thông dụng nhất là biến đổiDCT (biến đổi cosin rời rạc)

2.8.2 Tiền xử lý

Trớc khi thực hiện biến đổi DCT, của ảnh đợc chia thành các khối lớnriêng biệt không chồng nhau (MB- Macro Block) Mỗi MB bao gồm 4 Block cácmẫu tín hiệu chói (Y) và 2, 4 hoặc 9 block các mẫu tín hiệu số màu (CR, CB) Sốcác block của tín hiệu hiệu màu phụ thuộc vào tiêu chuẩn của tín hiệu video

2.8.3 Biến đổi cosin rời rạc DCT

Công đoạn đầu tiên của quá trình nén là xác định thông tin d thừa trongmiền không gian của một mành hay một ảnh của tín hiệu video Nén không gian

đợc thực hiện bởi phép biến đổi cosin rạc DCT DCT biến đổi dữ liệu dới dạngbiên độ thành dữ liệu dới dạng tần số Mục đích của quá trình biến đổi là táchliên kết các Pixels của từng ảnh con hoặc gói càng nhiều năng lợng của ảnh convào một phần nhỏ các hệ số truyền Việc mã hoá và truyền chỉ thực hiện đối vớicác hệ số năng lợng này và có thể cho kết quả tốt khi tái tạo lại tín hiệu video cóchất lợng cao

Điều khiển tốc độ bit

Nguồn

ảnh

Hình 2.7: Nén trong ảnh

Mục đích: Để đạt đợc mức giải tơng quan cao hơn của nội dung một ảnh,

ta có thể sử dụng phép biến đổi DCT hai chiều cho khối 99 giá trị điểm chói

Việc biến đổi DCT hai chiều dựa trên cơ sơ sắp xếp các mẫu f(ij

độ chính xác cao nhất bởi vì nó biểu thị độ chói trung bình của từng khối phần tử

ảnh

Lợng tử hoá đợc thực hiện bằng việc chia các hệ số F(u,v) cho các số ở vịtrí tơng ứng trong bảng lợng tử (Q(u,v)) để biểu diễn số lần nhỏ hơn các giá trịcho phép của hệ số DCT, hình ……… Các hệ số có tần số thấp đợc chiacho các giá trị nhỏ, các hệ số ứng với tần số cao đợc chia cho các giá trị lớn hơn.Sau đó, các hệ số đợc làm tròn (bỏ đi các phần thập phân)

Kết quả ta nhận đợc bảng Fq(u,v) mới, trong đó phần lớn các hệ số có tần

số cao sẽ bằng 0 Hệ số bảng lợng tử hoá thuận đợc xác định theo biểu thức:

2 / ) , ( ) , ( )

, (

) , ( ) , (

v u Q

v u Q v u F GTNGN v

u Q

v u F v u

Mã entropy làm tăng hiệu quả của qúa trình mã hoá Mã hoá entropy dùngnhững đặc tính thống kê của tín hiệu đợc mã hoá

Q(u,v) Bảng l ợng tử (88)

Hình 2.8: L ợng tử hoá có trọng số

Khi dùng mã hoá entropy có hai vấn đề:

- Thứ nhất mã hoá entropy làm tăng độ phức tạp và yêu cầu bộ nhớ lớnhơn so với mã độ dài cố định

- Thứ hai, mã hoá entropy gắn liền với tính không ổn định của tín hiệuvideo sẽ làm tốc độ bit thay đổi theo thời gian Do vậy, cần có một cơ cấu điềukhiển bộ đệm khi mã hoá nguồn tốc độ bit biến đổi đợc ghép với kênh tốc độ bithằng

Bộ mã hoá entropy đợc thực hiện cho độ d thừa thống kê cố hữu trong cácphần tử đợc mã hoá để truyền Sự d thừa chính là phân bố xác suất không đồng

đều trên giá trị của mỗi phần tử Phân bố xác suất càng lệch khỏi phân đều thìhiệu suất càng tăng nhờ mã hoá entropy

2.8.6 Điều khiển tốc độ bit

Sau khi mã hoá entropy ta nhận đợc chuỗi bit có tốc độ thay đổi Nếu phảitruyền qua kênh có tốc độ cố định thì ta cần phải có bộ nhớ đệm Điều khiển bộ

đệm thông thờng dùng cơ cấu hồi tiếp Bộ mã hoá kiểm tra trạng thái đầy của bộnhớ đệm Khi số liệu trong bộ nhớ đệm gần bằng dung lợng cực đại, thì hệ sốbiến đổi DCT đợc lợng tử hoá ít chính xác hơn (tăng tỷ số nén), ngợc lại, bộ nhớ

đệm chứa số liệu quá ít thì độ chính xác của việc lợng tử hoá các hệ số sẽ tănglên Quá trình này đợc thực hiện khi biến đổi DCT một cách tự động bằng mạchphản hồi “điều khiển tốc độ bit” một cách thích hợp

2.8.7 Quá trình giải nén

Quá trình giải nén trong ảnh dựa trên cơ sở thực hiện thuật toán ngợc lạivới quá trình nén Bằng cách này ta nhận đợc ảnh khác rất ít so với ảnh gốc, điềunày là do trong trờng hợp hình ảnh chứa thành phần tần số cao không nhiều(không có biên nén, ít các chi tiết ảnh) và chọn mức lợng tử hoá các hệ số DTCmột cách thích hợp Sự khác nhau này không ảnh hởng nhiều đến sự nhận biếtcủa mắt Tuy nhiên sự làm giảm mức lợng tử hoá sẽ làm hạn chế lợng thông tin

ảnh đợc truyền Nếu tăng mức nén sẽ gây ra méo ảnh, chính vì vậy các họ nén sửdụng DCT đợc xếp vào nhóm có mất thông tin

2.9 Nén liên ảnh.

2.9.1 Mô hình

Một tính chất của tín hiệu video là có chứa thông tin d thừa trong miềnthời gian Điều này có nghĩa là với một chuỗi liên tục các ảnh, lợng thông tinchứa đựng trong ảnh thay đổi rất ít từ ảnh này sang ảnh khác Tính toán sự dịchchuyển vị trí của nội dung hình ảnh là một phần rất quan trọng trong kỹ thuật nénliên ảnh, đặc điểm của nén liên ảnh chính là “Kỹ thuật xấp xỉ và bù chuyển

động” Mô hình nén lên ảnh có dạng nh hình vẽ

Một chuỗi video là một chuỗi các ảnh tĩnh hiện ra liên tục với tốc độnhanh sẽ cho cảm giác các ảnh chuyển động liên tục Yêu cầu cần phải có tốc độFrame cao để đạt đợc cảm giác chuyển động thực sự, từ đó tạo ra nhiều d thừatạm thời giữa các Frame kề nhau Sự bù chuyển động chính là để loại bỏ phần dthừa tạm thời này

Sau quá trình bù chuyển động, để tăng hiệu quả nén cần sử dụng kỹ thuậtnén trong ảnh để xử lý độ d thừa trong không gian trong phần thừa bù chuyển

Giải mã

DPCM

hệ số DC IDCT

Bảng l ợng tử

Trong mã chuyển động, Frame hiện thời đợc đợc dự báo từ frame trớcbằng cách xấp xỉ chuyển động giữa hai frame và bù chuyển động đó Sự khácnhau giữa hai frame hiện hành và dự báo đợc gọi là phần d thừa của bù chuyển

động và phần d thừa này sẽ đợc mã hoá

Đối với một chuỗi video bình thờng, đặc trng về năng lợng của phần dthừa thấp hơn rất nhiều so với năng lợng trong tín hiệu video gốc do loại bỏnhững thành phần d thừa tạm thời Mã hoá phần d thừa thay vì mã hoá video giúp

đảm bảo thông tin d thừa tạm thời không bị mã hoá lặp lại

Nh vậy, việc xác định phần ảnh động là “xấp xỉ ảnh động” Quá trình khôiphục một ảnh bằng cách dùng các phần ảnh từ ảnh trớc cùng với thông tin vềchuyển động chính là “bù chuyển động”

Sự đánh giá chuyển động có thể là toàn Frame, để tối u ta chia mỗi Framethành các khối (99 pixels) sau đó mới đánh giá chuyển động cho từng khối

Sử dụng xấp xỉ và bù chuyển động là để thay thế hai yêu cầu trong hệthống mã/giải mã Đầu tiên bộ giải mã phải lu ảnh trớc trong khi tạo lại ảnh tiếptheo Sau đó, bộ mã hoá phải tạo lại mỗi ảnh sau khi mã hoá để nó dự báo bộ giảimã tạo lại ảnh nh thế nào Điều này là cần thiết vì bộ giải mã không có bất kỳ

ảnh gốc nào cho việc tạo lại các khối bù chuyển động

2.10 Chuẩn JPEG

2.10.1 Khái quát.

JPEG là tên của tổ chức nghiên cứu về các chuẩn nén cho ảnh đa tần liêntục thành lập 1982 Tiêu chuẩn này có thể ứng dụng cho nhiều lĩnh vực: Lu trữ

ảnh, Fax màu, truyền ảnh báo chí, ảnh cho y học, camera số…

a Mục đích của JPEG.

Tiêu chuẩn JPEG đợc định ra cho nén ảnh tĩnh đơn sắc và màu, thực hiệnbởi 4 mode mã hoá đó là:

1- Mã hoá tuần tự

ảnh đợc mã hoá theo kiểu quét từ trái sang phải, từ trên xuống dới theokiểu quét DCT

2- Mã hoá luỹ tiến

ảnh đợc mã hoá bằng kiểu quét phức hợp theo chế độ phân giải khônggian cho các ứng dụng trên các kiểu băng hẹp và do đó thời gian truyền dẫn cóthể dài

3- Mã hoá không tổn thất.

ảnh đợc đảm bảo khôi phục chính xác cho mỗi giá trị mẫu của nguồn.Thông tin không cần thiết sẽ bị cắt bỏ cho nên cho hiệu quả nén thấp hơn so vớiphơng pháp có tổn thất

4- Mã hoá phân cấp

ảnh đợc mã hoá ở chế độ phân giải không gian phức hợp, để cho các ảnh

có độ phân giải thấp có thể thấp có thể đợc truy xuất và hiển thị mà không cầngiải nén nh các ảnh có độ phân giải trong không gian cao hơn

b Mã hoá và giải mã JPEG.