: архив : архив журнала "625" : 1993 : #4

Помню, стало быть могу!
Виктор Быков,
Леонид Чирков

Мы долго искали заголовок, способный концентрированно нести тему второй статьи нашего цифрового цикла. В конце концов, скелет заголовка мы нашли в формуле Декарта: "Мыслю, стало быть существую". Личность, лишенная разума, мысли распадается. Компьютер без оперативной памяти, даже если все остальное совершенно, недееспособен. Не обретшая память, цифровая технология в телевидении и на радио по меньшей мере абсолютно бесполезна - вот соображения, подсказавшие нам заглавие этой статьи.

В середине 70-х годов могли рискнуть заняться цифровым телевидением не просто очень талантливые инженеры, но и безусловно смелые и ясновидящие - ведь надо было вычислить достаточно отдаленное будущее. Но и они, пионеры цифрового телевидения, вряд ли бы рискнули, если бы не владели средствами создать твердотельные блоки оперативного накопления видеоинформации с произвольной выборкой (ОЗУ) объемом не менее одного телевизионного кадра.

К середине 70-х уже были созданы и применялись в практике телевизионного вещания аппараты записи видеоинформации длительностью до 2-3 мин на жесткие магнитные диски. Также аппараты использовались, в частности, для повтора коротких сюжетов во время прямых передач спортивных состязаний. К слову, эти аппараты повтора были закуплены для Олимпийских игр в Москве и достаточно хорошо ("в рамках своей компетенции"!) потрудились.

Надо сказать, что аппараты повтора могли, в принципе и даже с произвольной выборкой (правда не оперативно), воспроизводить отдельные кадры, а вот в пределах кадра воспроизведение точка за точкой повторяло процесс записи. Замедленно... ускоренно - пожалуйста, но только не произвольно!

Произвольная выборка означает, что любой элемент, любой фрагмент из записанного информационного массива воспроизводится мгновенно, по команде оператора или процессора, любая последовательность элементов или фрагментов может быть считана в любом, произвольно заданном порядке. Только располагая оперативными устройствами записи/считывания видеоинформации с произвольной выборкой, можно реализовать сложные алгоритмы поэлементной обработки изображений, о которых речь пойдет в последующих статьях.

Среди многих аппаратных средств цифрового телевидения почти нет таких, которые не содержали бы блоки памяти, объемом на кадр и более. Один из немногих примеров устройств почти "без памяти" - цифровые камерные головки, обзор которых читатель найдет в этом номере, все остальное снабжено памятью того или иного объема. Цель предлагаемой статьи - показать типичные процессы обращения к памяти, где они, по крайней мере, внешне, представлены явно и до известной степени просто. Естественно, это не исчерпывает все случаи, когда память играет решающую роль, но достаточно, чтобы эту роль подчеркнуть.

Память как таковая

Иные блюстители чистоты языка не перестают возмущаться гнусными поползновениями технократов приложить одухотворенное слово "память" к изделию из металлов и кремния, вовсе лишенного какого-либо духа. Тем не менее, термин "память" уже прочно прилеплен к машинам, в том числе к цифровому вещательному оборудованию. Интеллект - человека или компьютера - обязательно опирается на знание, способность накапливать, хранить, систематизировать и выдавать по первому требованию информацию. Подчеркнем, что речь идет обо всех видах памяти: оперативной, полупостоянной, постоянной равно применительно к субъекту и машине.

Эта статья посвящена оперативной памяти, которая определяет минимум две характеристики любой цифровой системы, включая вещательные, - ее реакцию (более машинный термин - "быстродействие") и максимальную сложность решаемых задач. Связь сложности и оперативности мы обсудили позже в статье, посвященной методам и средствам электронной графики.

Оперативная память организована по матричному принципу, каждая ячейка этой матрицы пребывает в одном из двух разрешенных состояний с потенциалом, например, 0 В (логический ноль) или 1 В (логическая единица). Процесс имеет прямой доступ к любой ячейке оперативного блока памяти, причем за один такт можно считать записанный в ячейке потенциал, сохраняя его, или изменить на противоположный.

Микросхемы матриц оперативной памяти формируются на монокристалах кремния стандартного размера (runax-chip - таково английское и по сути стандартизованное название кристалла-основы). На одном rune размещается число ячеек, равное одной из степеней 2. Первые микросхемы содержали 1024=210 ячеек, т.е. имели объем 1 килобит, позже по мере совершенствования появились микросхемы емкостью 214~16 Кбит, 218 ~64 Кбит. Современная технология, освоенная ведущими фирмами, теперь позволяет на одной микросхеме разместить более миллиона ячеек от 1020~1 Мбит до 1024~16 Мбит. Много это или мало? Оценим объем видеоинформации, соответствующей одному телевизионному кадру.

По стандарту, определенному Рекомендацией 601 МККР поток видеоинформации оставляет 216 Мбит/с. На один кадр приходится 1/25 этого потока, т.е. 8640000 бит. В этом в обзоре, посвященном телевизионным камерам, упомянуты цифровые камеры, в частности AQ-20 Panasonic, которые работают с частотой дискретизации 14,5 МГц при 10-разрядном кодировании. При стандарте 4:2:2 поток видеоинформации составит 14,5х2х10=290 Мбит/с, а объем телевизионного кадра 290/25 Мбит=11600000. В принципе, в памяти следует сохранить лишь активную часть кадра, которая примерно на 12% меньше приведенных выше полных объемов, т.е. речь идет приблизительно о 8 Мбит при 8-разрядном кодировании. Если перечислить это к степеням 2, объем памяти равновеликой кадру составит 223 или 224.

Оперативный накопитель видеоинформации содержит две секции: в одну ведется запись, из другой информация считывается. Поэтому реальный оперативный накопитель видеоинформации емкостью в один кадр должен содержать 16 миллионов ячеек. Первые блоки оперативной кадровой памяти выполнялись на микросхемах, объемом 16 Кбит; поэтому требовалось около 1000 микросхем. Число это конечно чудовищно, но полтора десятка лет назад это означало, что оперативную кадровую память можно разместить, хотя и в приличном, но уже разумном объеме. К сказанному добавим, что и сейчас нашим конструкторам приходится набивать кадровую память, используя отечественные микросхемы на 64 Кбит. Это, конечно, меньше, чем 1000, но...

Современная микроэлектроника (увы, не наша) позволяет, формируя память, обойтись несколькими микросхемами и уже не за горами время, когда для накопления видеоинформации объемом в один кадр хватит одной.

Еще одна проблема, относящаяся к накопителям видеоинформации, связана с быстродействием. Обычно его определяют минимальным временем, необходимым для выполнения одной операции. При потоке 290 Мбит/с время операции записи или выдачи единицы видеоинформации не должно превысить приблизительно 3 наносекунды или точнее (1/2,9)х10-8 с. Лучшие современные накопители срабатывают существенно медленнее - за 10-15 наносекунд. Известен, и в радиотехнике широко применяется прием, позволяющий обойти проблему быстродействия - это перераспределение информационного потока по нескольким параллельным каналам. Например, 8-разрядное кодовое слово разводят по 8-ми каналам: каждому разряду свой канал. При этом в 8 раз уменьшается минимальное время срабатывания. Жесткие требования по быстродействию сохраняются применительно к устройству на входе блока памяти - тому, которое делит входной поток (связисты называют такое устройство "демультиплексор"), и на выходе - то, что объединяет параллельные потоки (мультиплексор). Быстродействующие микросхемы мультиплексора и демультиплексора - относительно простая проблема.

Распараллеливание снимает проблему быстродействия, однако соответственно понижается класс сложности решаемых задач. Поэтому, увлекаться здесь не следует. Современные микросхемы позволяют обойтись 4-канальным и даже 2-канальным распараллеливанием.

Цифровые синхронизаторы

Собирая отзывы ведущих иностранных специалистов о работе Олимпийского телерадиокомплекса во время Московских игр, мы неизменно получали восторженные отзывы о системе синхронизации источников - оригинальной разработке специалистов ВНИИ телевидения. Во время прямых трансляций удавалсь микшировать или смешивать изображения, полученные из Москвы, Киева, Минска, Таллина. Точность и эффективность этой системы синхронизации удивляла - для аналоговой системы это было действительно выдающееся достижение.

Отдавая должное той системе, все же отметим, что вскоре после Московской Олимпиады проблема синхронизации получила кардинальное решение в рамках цифровых технологий. Причем решение это удивительно простое. Видеосигнал подвергается цифровому кодированию и записывается в кадровый накопитель. Считыванием управляют местные синхроимпульсы, что и гарантирует жесткую синхронизацию. Функциональная схема цифрового кадрового синхронизатора поясняется рисунком 1.

Полный цветной телевизионный видеосигнал может записываться в накопитель как в композитном, так и компонентном представлении, например, в виде яркостного и цветоразностных сигналов. Композитное представление позволяет обойтись меньшим объемом памяти, однако качество воспроизводимого видеосигнала при компонентной записи выше (например, отношение сигнал/шум выше в два раза).

Сигналы звукового сопровождения внешнего телевизионного сигнала не проходят через блок памяти, а напрямую вводятся в выходной видеосигнал. При этом звуковой сигнал несколько опережает изображение, задержанное в блоке памяти. Эта задержка звука не превышает 40 мс, и практически незаметна для слуха. Поэтому реализуя цифровую кадровую синхронизацию достаточно записывать только видеосигнал. Однако, если используется последовательно несколько устройств с кадровой памятью или сигнал многократно пропускается через блок такого типа, то для компенсации опережения звука применяют специальные звуковые линии задержки (audio delay).

Цифровой синхронизатор, помимо решения прямой задачи, позволяет, например, повысить качество приема телевизионного сигнала на земных станциях спутниковой связи. Скорости перемещения спутников связи относительно земных станций достаточно велики, чтобы эффект Доплера - пропорциональное скорости изменение частоты сигнала привел к заметным искажениям. Цифровой синхронизатор способен скорректировать эти искажения.

Кроме основной функции синхронизации несинхронных источников рассматриваемое устройство допускает и специальную обработку сигнала, обычно выполняемую блоками видеоэффектов. К примеру, весьма просто реализуется воспроизведение неподвижного изображения - стоп-кадра. Если воспроизводить стоп-кадры через определенные промежутки времени, то можно - и это достаточно просто - сформировать эффект стробирования. Управляя скоростями и фазой считывания можно, скажем, сжать изображение в горизонтальном и вертикальном направлениях, воспроизвести его в любой части растра. Возможны и многие другие эффекты. Подчеркнем, что первые видеоэффекты как раз и были получены на цифровых синхронизаторах и, по сути, стимулировали разработки специализированных блоков видеоэффектов.

Транскодирование

В настоящее время в мире используется два стандарта телевизионного разложения. В странах, где частота сети питания 60 Гц - это американский стандарт 525/60, в странах с частотой сети питания 50 Гц - это разработанный в СССР стандарт 625/50. Кроме этого применяются три системы цветового кодирования: NTSC, PAL, SECAM (их основные параметры приведены в табл.1). У каждой системы по несколько модификаций. В итоге, известно более 18 версий вещательного стандарта. Телевидение высокой четкости только увеличивает пестроту телевизионных стандартов.

Таблица 1

Параметр	Система цветного телевидения
	SECAM	PAL	NTSC
Частота полей, Гц	50	50	50,94
Частота строк, Гц	15625	15625	15750
Число строк в кадре	625	625	525
Длительность строки, мкс	64	64	63,55
Длительность активной части строки, мкс	52	52	52,6
Тип модуляции цветовой поднесущей	Частотная	Квадратурная	Квадратурная

Чтобы обеспечить международный обмен программами в условиях этакой многостандартности приходится не просто считаться, а технически обеспечивать перевод видеосигнала из одного стандарта в другой. Для этой операции и припасен термин "транскодирование".

Пока подлежащие транскодированию сигналы остаются в рамках одного стандарта разложения, задача относительно проста даже для аналоговой техники. Но она становится неимоверно сложной, если при транскодировании меняется стандарт разложения: например, NTSC-SECAM или при понижении стандарта с высокой четкости до SECAM. Что только не изобретали, чтобы решить проблему транскодироваия с изменением стандарта разложения. В качестве примера приведем такую "экзотику", как сопряженная пара: кинескоп-ЭЛТ. Изображение в одном стандарте воспроизводится на кинескопе, в другом - считывается передающей трубкой. Такое, естественно, рассматривалось и разрабатывалось не от хорошей жизни!

В реализации функции преобразования телевизионных сигналов из системы 525/60 (рис.2) наиболее сложным в техническом отношении остается преобразование частоты полей. В процессе преобразования, шести ТВ полям на входе транскодера на выходе соответствует пять полей. По этой причине полевая частота на выходе в 1,2 раза превышает входную. Самое простое решение - исключение каждого шестого поля. Эта операция выполняется в приведенной схеме устройством управления записью и считыванием. При этом скорость передачи движения в изображении замедляется в 5/6 раза, из-за чего возникают скачки движения с частотой 6 раз в секунду. Такие скачки устраняются специальным устройством - интерполятором движения. В интерполяторе выходное поле формируется по двум последовательным входным полям. Эта операция выполняется в процессоре интерполятора движения, но в ее подготовке участвуют и все предшествующие блоки. Интерполятор, кроме того, выравнивает длительности пяти выходных полей по отношению к длительности шести входных полей. В итоге движение удается передать с высоким качеством.

Изменение числа строк в кадре с 525 до 625, т.е. с отношением 21:25, выполняется межстрочным интерполятором. Для этого используется блок памяти объемом на одно ТВ поле. Каждым пяти считанным друг за другом телевизионным строкам интерполятор добавляет новую. Эта последовательность операций считывания и интерполяции шестой строки повторяется 3 раза, в четвертом считываются шесть строк, к которым добавляется одна пустая. Таким образом, каждой группе из 21 входной строки на выходе соответствует 25 строк. Вводимые дополнительно в процессе обработки сигнала телевизионные строки заполняются за счет межстрочной интерполяции с использованием управляемой обратной связи. Выравнивание длительности строк обеспечивается соответствующим изменением скорости считывания видеоинформации.

Однако рассмотренными выше процессами проблема преобразования стандартов не исчерпывается. Еще одна проблема связана с особенностями кодирования сигналов цветного изображения. Частота цветовой поднесущей в стандарте NTSC выбрана так, что в интервале строки укладывается целое число периодов цветовой поднесущей плюс еще половина периода. Благодаря этой добавке (по фазе 1800), фаза поднесущей меняется от строки к строке на 1800. Подобный переброс фазы ведет к тому, что межстрочная интерполяция, правильная для сигнала яркости, оказывается ошибочной для сигнала цветности. Точная интерполяция полного цветного телевизионного сигнала NTSC возможна при разделении на компоненты с использованием пространственных цифровых фильтров. С их помощью полный цифровой сигнал цветного изображения разделяется на отдельные компонентные цифровые сигналы Y, I, Q, которые сводятся в единый последовательный цифровой сигнал временным мультиплексором. Эти операции выполняются в устройствах разделения цифрового сигнала NTSC (рис.3). Сформированный таким образом последовательный цифровой сигнал уже можно обрабатывать, не опасаясь ошибок. В итоге межстрочная интерполяция выполняется одинаково правильно и по сигналу яркости и по цветности.

На выходе интерполятора телевизионных строк вырабатывается сигнал с 625 строками и 50 полями в секунду, но он представляет собой единый цифровой поток сигнала яркости и цветности. Временной демультиплексор разделяет его на три цифровых потока Y, I, Q, которые затем преобразуются в аналоговую форму цифро-аналоговыми преобразователями и подаются на матрицу преобразования сигналов, которая пересчитывает их в сигналы R, G, B. Теперь эти сигналы могут быть преобразованы в сигналы системы PAL или SECAM.

Разработаны и более сложные преобразователи телевизионных стандартов, которые, например, обеспечивают взаимное преобразование всех основных стандартов и более высокое качество преобразования.

Подавление шумов

В практике вещания достаточно часто встречаются ситуации, когда исходное изображение чересчур зашумлено и не может по этой причине быть передано в эфир. С другой стороны, сам исходный материал является уникальным, например архивный или документальный, снятый в неблагоприятных условиях или же непрофессиональной камерой с низким отношением сигнал/шум. Примеров, когда невозможны повторные съемки материала с высоким уровнем шумов, но исключительно важного содержания, можно привести множество.

Инженеры на протяжении практически всей истории телевидения интенсивно трудились над разработкой все более мощных средств улучшения "плохого" изображения. Известно множество остроумных решений, опирающихся на аналоговую технику, но только цифровые технологии вывели в разряд аппаратно реализуемых наиболее современные методы обработки видеосигнала, позволяющие делать так много, что порою кажется - почти все.

Все методы улучшающей обработки видеосигнала так или иначе опираются на избыточность информации в телевизионном изображении или, как говорят, прибегая к терминам теории информации - высокой коррелированности. Корреляция и избыточность в сущности говорят об одном и том же: по горизонтали, по вертикали и по оси времени присутствуют в изображении, причем, как правило, во множестве, довольно протяженные участки, в пределах которых характеристики изображения (яркость, цвет...) сохраняются неизменными или меняются слабо. Чем выше радиус корреляции (средняя по полю изображения и во времени длина участков с сохраняющимися характеристиками), тем выше избыточность, тем лучше и более эффективно работают различные алгоритмы обработки, в том числе шумоподавления. Изображения, в которых присутствуют крупные детали и которые не содержат или содержат немного мелких деталей или/и быстро перемещающихся объектов - это пример высокоизбыточного изображения.

Напротив, панорама толпы, например заполненных трибун стадиона - это изображение, насыщенное мелкими деталями, а панорамирование вносит движение, разрушающее межкадровую корреляцию. В таких изображениях мало избыточной информации. Самый трудный пример этого рода - перемещающийся по экрану текст с небольшой высотой букв. Еще хуже, если такой текст будет (по яркости и цвету) мерцать, а перемещаться в одном из диагональных направлений.

Для изображений со слабой избыточностью алгоритмы шумоподавления малоэффективны, а потери разрешающей способности, обязательно сопровождающие шумоподавление, напротив, особенно заметны. К счастью, шумы особенно заметны и мешают восприятию на обширных участках изображения со слабоменяющимися характеристиками (с высокой избыточностью), где шумоподавление эффективно. Они слабозаметны на мелкоструктурных участках, где шумоподавление лучше не проводить.

Коррелированные и случайные сигналы резко различаются по отношению к такой операции, как усреднение. Среднее значение некоррелированного, случайного процесса стремится к нулю - на более простом языке это означает, что величина суммы последовательных значений случайного процесса, а шумы относятся к этому типу сигналов, будет и достаточно быстро снижаться. Напротив, сумма таких значений коррелированного сигнала нарастает тем быстрее, чем выше избыточность.

Корреляционные связи в телевизионном изображении подразделяются на микроэлементные (по горизонтали, вдоль строки), межстрочные (по вертикали) и межкадровые. Наименее эффективны по отношению к процессам шумоподавления - межэлементные связи, заметно более эффективны межстрочные, но наиболее полезны с этих позиций - межкадровые.

Процессы шумоподавления с использованием межстрочных связей требуют задержки сигнала на длительность 1,2,...n строк, с использованием кадровых связей - на время, кратное длительности кадра. Подавление шумов с использованием наименее эффективных межэлементной и межстрочной корреляций было доступно аналоговой технике, но только в рамках цифровой техники на базе кадровых накопителей удалось реализовать наиболее эффективные схемы шумоподавления.

На рис.3 представлена функциональная схема шумоподавителя с блоком памяти объемом в один кадр (или несколько!). Естественно, что имея кадровое ОЗУ с произвольной выборкой, можно вместе с кадровыми использовать межстрочные и межэлементные корреляционные связи.

Поскольку шумоподавление должно использоваться на участках с относительно высокой избыточностью, а на участках с развитой структурой - отключаться, следует применять специальные устройства - детекторы движения и детекторы контуров - последние в тех случаях, когда применяется, помимо временной (кадровой), пространственная обработка. Детекторы - это пороговые устройства, которые при превышении разностью прямого и задержанного сигналов некоторого заданного порога (что свидетельствует о наличии контура или движения), отключают цепи подавления шума.

То ли еще будет

За рамками этой стратегии осталось очень многое, где развитая память в сочетании с мощным видеопроцессором позволяет творить чудеса, например электронная графика - пожалуй самый яркий пример практически неограниченных возможностей цифровой техники и современных компьютеров в области обработки видеоинформации. "Художественные" направления цифровой телевизионной техники заслуживают специального разговора, и он состоится в одной из последующих публикаций цифрового цикла.

Не знаем, заметили или пропустили наши читатели определенное несоответствие формы и содержания. Цифровая технология - принципиально новое направление в телевидении и по техническим средствам и по реально реализуемым функциям, однако по формальному признаку - делению на те или иные функциональные блоки оно повторяет старшего (по возрасту, а не по званию!) аналогового собрата. В этом ощущается определенная дисгармония, обсудить вероятные следствия которой мы и хотели бы в заключении этой статьи.

В предыдущем номере мы уже подчеркивали, что до сих пор цифровые технологии встраивались в аналоговое окружение и невольно как матрицу использовали архитектуру аналоговых схем. Сейчас наметился перелом - стрела прогресса явно повернута в сторону полностью цифровых систем. В этом случае архитектура и блочное деление, плотно притертые к аналоговым технологиям, перестают быть оптимальными.

Для аналоговых систем принцип: "конкретным функциям - конкретные аппараты" был вынужденным, поскольку схемные решения здесь индивидуальны. В цифровых системах правилом является универсальность решений. Примером могут служить рассмотренные в этой статье устройства: аппаратное обеспечение у них практически одинаково, детальный анализ их функциональных схем обнаруживает ту же общность, а вот различия, связанные с конкретной функцией, в основном привязаны к программному обеспечению.

Так к чему же ведет слепое копирование структуры, аппаратного и аппаратурного состава аналогового телецентра его цифровым кузеном. Практически каждый блок, каждый аппарат ложится в систему со своим процессом, своими оперативными, полупостоянными и возможно постоянными запоминающими устройствами. В итоге суммарные мощности процессов, суммарные объемы памяти используются с очень низкой эффективностью. Само собой разумеется, что при этом впору подсчитывать прямые убытки. Однако, печальные следствия этим не исчерпываются.

Хорошо известно, как понижается уровень общего разговора, когда его участники слышат только себя, когда контакты и стремление к сглаживанию позиций ослаблены. По сути, то же самое должно наблюдаться на цифровом телецентре, скроенном по аналоговым меркам. Понижается класс решаемых задач, возрастают ошибки, сбои - таким образом, затрагиваются глубинные, интимные стороны общения интеллектуальных машин.

Ведущие фирмы, похоже, только почувствовали пикантность ситуации и не жалеют сил на создание все более универсальных многофункциональных комплексов: интеллектуальный центр с мощным процессором и всеми необходимыми средствами накопления информации и периферия - набор специализированных устройств, относительно простых в аппаратном плане, определяющих и несущих конкретные функции. Такое решение хорошо согласовано с очень важным принципом модульного построения, почти идеально решающим труднейшую задачу гибкого и плавного наращивания интеллекта и функций комплексов, все чаще называемых рабочими станциями.

Пока, по причинам, упомянутым выше, разработанные комплексные решения охватывают пусть и большие, но все же частные аспекты. Самый показательный и может быть далее всего зашедший процесс - объединение в систему при соблюдении принципа модульного наращивания возможностей таких функций, как электронная графика и видеоэффекты, монтаж, микширование, рир-проекция и других - тех, какие связаны с художественной обработкой программ. Вкус к единению проявлен и в той части телевизионной системы, которая обеспечивает видеопроизводство, например, монтаж и выдача в эфир. Комплексы, охватывающие всю профессиональную часть телевизионного вещания - это будущее, вероятно, отдаленное. Впрочем, история самой динамичной области электронной техники - телевизионной, полна примерами, когда казавшееся отдаленным внезапно появлялось на пороге.

Что ж, поживем - увидим!