Đặc điểm chung của hệ thống video số
Trong hệ thống video số, camera và màn hình hoạt động như video tương tự.
Giữa camera và màn hình, tín hiệu tương tự => tín hiệu số và các bộ phận ở giữa hoạt động với tín hiệu số.
Bộ biến đổi ADC đặt sau camera và bộ biến đổi DAC đặt trước màn hình.
Lý do phải đổi ra video số vì tín hiệu số dễ xử lý, mã hoá và tích hợp với phương tiện số khác.
Thiết bị lưu trữ là đĩa cứng / CD-ROM Thiết bị xử lý, truyền, nhận là máy tính.
Mạng truyền dữ liệu số là mạng chuyển mạch gói.
Storage Transmitter Camera ADC Encoding and Processing
Receiver Decoding and Display
Processing
Biểu diễn hình ảnh và video số
Quá trình biến đổi từ tương tự sang số: Nguyên tắc cơ bản để biến đổi
tín hiệu video tương tự thành video số cũng giống như của âm thanh mà ta đã mô tả trước đây.
Tốc độ lấy mẫu (sample rate):
Tốc độ lấy mẫu có thể được đưa ra một cách trực quan từ các thông số quét video (độ phân giải ngang, độ phân giải dọc, tốc độ frame, hệ số co).
Tốc độ lấy mẫu tối thiểu có thể được tính như sau: S = A x F x H x N/C Ví dụ: Hệ PAL: S = 10.6 MHz; với A = 4/3 (Hệ số co), F = 25 (Tốc độ
frame); H = 409 (Độ phân giải ngang); N= 625 (Độ phân giải dọc); C = 0.8 (Hệ số thời gian dành cho khoảng trắng quét ngang).
Ta có thể tính tốc độ lấy mẫu tối thiểu từ độ rộng băng tần của tín hiệu video theo lý thuyết Nyquist: Nếu băng tần của video tương tự là f thì tốc độ lấy mẫu ít nhất là 2f.
Biểu diễn hình ảnh và video số
Tốc độ lấy mẫu (sample rate)
Phần tử nhỏ nhất của hình ảnh gọi là điểm ảnh (pixel).
Nếu tốc độ lấy mẫu nhỏ hơn đặc tã ở trên thì không thể giữ được độ phân giải.
=> Hiện tượng răng cưa sẽ xuất hiện (các điểm ảnh phân biệt được biểu diễn bằng các ô hình vuông nhỏ).
Việc nhìn thấy hiện tương này phụ thuộc hệ số nhìn. Hệ số nhìn càng lớn thì việc nhìn thấy hiện tượng răng cưa càng giảm.
Biểu diễn hình ảnh và video số
Các mức lượng hoá (Quantization Levels)
Số mức lượng hoá phụ thuộc trực tiếp vào biên độ của tín hiệu tương tự và kích thước bước lượng hoá.
Bước lượng hoá tối đa bằng với nhiễu lượng hoá cực đại, nhưng phải nhỏ hơn ngưỡng phân biệt của thị giác.
Trong một cảnh, thị giác người có thể phân biệt các điểm có độ sáng chênh lệch 1%. Nói cách khác khả năng phân biệt độ sáng của thị giác con người là 100:1.
Hệ số tương phản (contrast ratio) được định nghĩa là hệ số cường độ sáng của phần tử sáng nhất và phần tử tối nhất. Hệ số tương phản cao sẽ cho hình ảnh rõ nét.
Độ sáng chung quanh màn hình có ảnh hưởng đến hệ số tương phản. Ánh sáng chung quanh cao hơn thì hệ số tương phản sẽ giảm đi.
Biểu diễn hình ảnh và video số
Các mức lượng hoá (Quantization Levels)
Tỷ lệ 100:1 có nghĩa là ta có thể nhận biết hai cường độ sáng khác nhau nếu chúng khác nhau hơn 1%.
Khả năng phân biệt này còn gọi là contrast sensitivity được định nghĩa bằng hệ số của các độ sáng nhỏ nhất có thể phân biệt được.
Như vậy để giữ được chất lượng của hình ảnh gốc thì bước lượng hoá hay nhiễu lượng hoá phải nhỏ hơn 1%.
Trên cơ sở thị giác nhận biết trong khoảng từ 1 - 100 và bước lượng hoá của 1% giá trị độ sáng, ta cần tổng cộng 460 bước lượng hoá. Nó được tính toán bằng công thức:
Biểu diễn hình ảnh và video số
Các mức lượng hoá (Quantization Levels)
Để biểu diễn 460 mức lượng hoá ta cần 9 bit. Hình ảnh của tivi hiện nay có hệ số tương phản trong khoảng 10:1 đến 20:1. Với kiểu hình ảnh này ta chỉ cần 8 bit là đủ.
Nếu bước lượng hoá lớn hơn contrast sensitivity, độ sáng khác nhau của những vùng lân cận có thể bị lượng hoá cùng giá trị.
Những vùng có cấp độ sáng bị thay đổi sẽ xuất hiện những dãy phân biệt, hiện tượng này gọi là contouring. Hiệu ứng contouring xảy ra khi sử dụng quá ít bước lượng hoá.
Nó thường xuất hiện tại các vùng tối bởi vì độ sáng khác nhau tương ứng 1% contrast sensitivity thì rất nhỏ trong các vùng này.
Biểu diễn hình ảnh và video số
Số hoá video màu (Color video digitization)
Chúng ta đã giới thiệu số hoá video đơn sắc. Để biểu diễn video màu, chúng ta cần số hoá từng tín hiệu màu sơ cấp riêng biệt như nguyên tắc số hoá với độ sáng.
Mỗi điểm ảnh (pixel) được biểu diễn bởi một tập hợp ba giá trị tương ứng với ba màu sơ cấp, mỗi màu có cùng độ rộng băng tầng của tín hiệu độ sáng và cần cùng các mức lượng hoá như tín hiệu độ sáng.
Hệ quả là một video số màu yêu cầu số dữ liệu gấp ba lần của video đơn sắc tương ứng.
Ví dụ: Tín hiệu video hệ PAL có độ rộng băng tầng là 5.5 MHz ta lấy mẫu với tốc độ cao hơn 11 MHz, thường là 13.5 MHz.
Ta cần: 8 bít cho mỗi mẫu, của mỗi màu, và như vậy trong 1 giây cần: (3x13.5x8) = 324 Mbits dữ liệu. – Tốc độ dữ liệu tính toán ở trên là tốc độ dòng dữ liệu để biểu diễn video số.
Biểu diễn hình ảnh và video số
Số hoá video màu (Color video digitization)
Tốc độ dữ liệu tính toán ở trên là tốc độ dòng dữ liệu để biểu diễn video số.
Trong thực hành, tín hiệu video được đổi thành 2 thành phần là độ sáng và màu trước khi chuyển sang dạng số.
Do mắt người ít nhạy với thành phần màu và độ rộng băng tần của nó được rút ngắn.
Như vậy độ rộng băng tần thấp hơn của thành phần màu, có thể sử dụng tốc độ lấy mẫu thấp hơn, rút ngắn số lượng dữ liệu cần thiết đễ biểu diễn video số.
Đây là dạng nén dữ liệu dùng đặc tính tri giác của con người.
=> Trong thực hành, khi chúng ta số hoá độ sáng và màu phân biệt, thành phần màu có thể được lấy mẫu với tốc độ bằng phân nữa của thành phần độ sáng.