CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии - Владо Дамьяновски

Если мы сейчас вспомним количество строк в кадре и количество кадров в секунду для стандарта, то, перемножив 625 строк в кадре на 25 кадров в секунду, получим 15625 строк в секунду. Теперь частоту дискретизации 13.5 МГц (то есть 13500000 раз в секунду) разделим на полученное значение, что даст нам 864 отсчета для каждой строки. Таково качество дискретизации видеосигнала PAL согласно рекомендациям ITU-601C частотой дискретизации 13.5 МГц. Поскольку длительность строки PAL составляет 64 мкс, то 864 отсчета, которые приходятся на строку, разбивают этот период времени на очень малые интервалы (см. рис. 9.6).

Рис. 9.6. Частота дискретизации, рекомендованная ITU-601

Следует отметить, что 864 отсчета в строке включают в себя и импульсы синхронизации.

Для стандарта NTSC с 525 строками и частотой обновления 59.94 Гц (именно 59.94, а не 60) мы получаем 525 х 29.97 Гц = 15734.25 строк в секунду. Разделив 13.5 МГц на 15734.25 Гц, получим 858 отсчетов на одну строку, которые опять будут включать в себя импульсы синхронизации.

Рис. 9.7. Дискретизация сигнала

Итак, подводя итоги, еще раз отметим, что, согласно рекомендации ITU-601, для дискретизации яркостного сигнала в стандарте PAL используется 864 отсчета на одну строку, а в стандарте NTSC — 858 отсчетов на строку. В обоих случаях используется частота 13.5 МГц.

Из изложенных выше фактов следует очень важный вывод: ITU-R BT.601 представляет собой первую международную рекомендацию, которая пытается объединить в рамках общей цифровой концепции дискретизации два несовместимых аналоговых композитных телевизионных стандарта (NTSC с 525/59.94 и PAL с 625/50). Основным достижением этой рекомендации стал выбор общей частоты дискретизации 13.5 МГц, которая одинакова для обоих стандартов.

Из 864 отсчетов для PAL и 858 отсчетов для NTSC в обоих случаях на активные строки без синхроимпульсов приходится по 720 отсчетов. Это максимальное горизонтальное разрешение видеосигнала, оцифрованного согласно рекомендации ITU-601. Термин «разрешение» здесь используется в более широком значении, чем в аналоговом телевидении, где разрешение выражено в ТВ-линиях, но об этом мы поговорим подробнее далее.

Некоторые из вас могут задать вопрос: «Почему именно 720 отсчетов, а не больше или меньше?» Это связано с тем, что 720 без остатка делится на 8 (то есть, 23), что очень удобно для большинства стандартов сжатия, использующих дискретное косинусное преобразование (JPEG, MPEG, серия стандартов Н), где изображение разбивается на блоки 8x8 пикселов.

Рис. 9.8. Количество пикселов в кадре, согласно рекомендации ITU-601

Очень часто приходится сталкиваться с такой ситуацией, что цифровое оборудование «отрезает» по 8 отсчетов слева и справа активной строки, в которой после этого остается 704 пиксела вместо 720. Это сделано для того, чтобы более устойчиво обрабатывать нестабильные сигналы от различных телекамер.

Вертикальная дискретизация, согласно рекомендации ITU-601, равна количеству активных строк, которых приходится 288 на одно телевизионное поле (или 576 для полного телевизионного кадра) в PAL и 240 на одно телевизионное поле (или 480 для полного телевизионного кадра) в NTSC.

Таким образом, оцифрованный согласно рекомендации ITU-601 телевизионный кадр имеет формат 720x576 пикселов для PAL и 720x480 пикселов для NTSC.

Это показывает, что рекомендация ITU-601 учитывает чересстрочную развертку, что позволяет во многих цифровых видеорегистраторах выбрать режим записи полями или кадрами.

Наблюдательный читатель, вероятно, уже заметил в приведенных выше числах некоторое несоответствие, которое иногда сбивает с толку, когда речь идет о цифровом видео. Эта неточность касается соотношения сторон в телевидении стандартной четкости и в изображениях, получаемых при оцифровке согласно рекомендации ITU-601. Как мы знаем, все видеомониторы в системах видеонаблюдения имеют соотношение сторон 4:3 = 1.33, но соотношение сторон по рекомендации ITU-601 для кадра PAL будет 720:576 =1.25, а для кадра NTSC 720:480 = 1.5. Это приводит к появлению т. н. «неквадратных» пикселов в обоих телевизионных стандартах. В стандарте PAL пикселы сжимаются по горизонтали, и поэтому для отображения на мониторе с соотношением сторон 4:3 кадр необходимо растянуть. В стандарте NTSC пикселы необходимо растягивать уже по вертикали перед выводом на монитор, так как они были сжаты по вертикали. Это растяжение пикселов выполняется на последнем этапе декодирования изображения перед его отображением. Это может показаться необязательным, но, тем не менее, именно растяжение пикселов позволяет сделать декодирующую электронику более универсальной и дешевой, так как она используется как для PAL, так и для NTSC.

Рис. 9.9. Пример испытательной таблицы, оцифрованной согласно рекомендации ITU-601. Обратите внимание на горизонтальное сжатие для PAL (слева), и как оно пропадает при аналоговом выводе (справа).

Разрешение изображения, оцифрованного согласно рекомендации ITU-601

Согласно теории Найквиста, непрерывный аналоговый сигнал может быть реконструирован без потери информации из отдельных частей, если частота дискретизации не менее чем в два раза выше самой высокочастотной составляющей спектра сигнала. Когда в сигнале появляются высокочастотные паразитные составляющие, то они приводят к наложению спектров (наподобие муара, эффект алиасинга, aliasing), поэтому они крайне нежелательны. Чтобы избавиться от паразитных высоких частот, сигнал нужно пропустить через фильтр низких частот, который отсечет все частоты, выше максимальной, которая равна половине частоты дискретизации. Идеального фильтра низких частот на практике не существует, поэтому отсекание частот будет происходить немного ниже, чем требуется теорией. Это имеет прямое отношение к количеству горизонтальных элементов (пикселов), которые сможет обрабатывать цифровая система.

В идеальных условиях, если не производится дополнительная фильтрация сигнала, то, имея частоту Найквиста 6.75 МГц (то есть частота дискретизации составит 13.5 МГц), 720 пикселов в активной строке будут эквивалентны горизонтальному разрешению 3/4x720=540 ТВ-линий, как это определено в аналоговом телевидении.

Впрочем, рекомендация ITU-601 определяет и отсекание частот до 5.75 МГц за счет работы дополнительного фильтра защиты от наложения спектров (anti-aliasing and reconstruction filter), что уменьшает горизонтальное разрешение аналогового яркостного сигнала до 449 ТВ-линий для PAL и 455 ТВ-линий для NTSC.

Дальнейшее уменьшение разрешения связано уже со сжатием изображения, поэтому мы можем сказать, что на практике ни один оцифрованный видеосигнал в видеонаблюдении не может иметь разрешение выше, чем примерно 450 ТВ-линий. Теперь становится очевидным, что выбор такого алгоритма сжатия, который дает минимальные потери качества, является предметом первостепенной важности. Но это требование противоречит необходимости очень длительной записи, которая достигается за счет повышения уровня сжатия. Различные стандарты сжатия мы тоже рассмотрим в этой главе, но сейчас необходимо подчеркнуть, что вышеприведенный предел горизонтального разрешения оцифрованного видеосигнала справедлив еще до того, как будет осуществлено сжатие изображения.

Глаз человека менее чувствителен к цветовому разрешению, поэтому в видеонаблюдении формат оцифровки 4:2:2 мы считаем как вполне приемлемый, где дискретизация цветоразностных сигналов осуществляется с частотой 6.75МГц (вдвое меньше, чем частота дискретизации яркостного сигнала). Это дает 432 пиксела для PAL и 429 пикселов для NTSC в одной строке (включая импульсы синхронизации). Таким образом, в одной оцифрованной активной строке умещается 360 цветоразностных красных отсчетов и 360 цветоразностных синих отсчетов для обоих телевизионных стандартов.

Рис. 9.10. Разница между полным кадром 720x576 пикселов (иллюстрация слева) и изображением формата CIF (360x288) будет достаточно велика, а иногда будет заключаться в том, что вы сможете или не сможете распознать автомобильный номер. В качестве примера сказанному внимательно посмотрите на фотографию (машина справа).

В идеальных условиях, когда частота Найквиста будет равна 3.375 МГц, 360 отсчетов в активной строке будут эквивалентны 3/4x360=270 ТВ-линиям. Рекомендация ITU-601 определяет и отсекание частот до 2.75 МГц за счет работы дополнительного фильтра защиты от наложения спектров, что уменьшает горизонтальное разрешение аналоговых цветоразностных сигналов до 215 ТВ-линий для PAL и 218 ТВ-линий для NTSC.

Все изложенное выше и в особенности данные об оцифровке яркостного сигнала позволяет нам прийти к очень важному заключению относительно разрешения оцифрованного видео. Сразу отметим, что наш вывод касается только рекомендации ITU-601, а, как уже было сказано выше, большинство цифрового оборудования, которое используется в видеонаблюдении, придерживается этой рекомендации.