Технологии и средства связи

6 октября

Выпуск #009

Архив

Получение изображения в электронном виде
и его визуальное отображение

Общераспространенной системой получения изображения в элек­тронном виде и его визуального отображения является телевидение. Обычно перевод изображений в электронный вид осуществляется видеокамерой. Изображение фокусируется на светочувствительном полупроводниковом материале, который затем сканируется по «электронному рельефу» изображения слева направо со смещением вниз с небольшим шагом. Этот метод сканирования называется ме­тодом растровой развертки изображения. В видеотерминале экран «развертывается» таким же способом, а развертка на экране синхронизируется с разверткой в видеокамере. Рис. 1 иллюстрирует метод растровой развертки.

Формирователем сигнала изображения в видеокамере может служить электровакуумная лампа, например оксидно-свинцовый видикон, в котором изображение фокусируется на оксидно-свинцовом фотокатоде. Фотокатод, принимая фотоны от изображения, эмитирует электроны. Место эмиссии электронов меняется в соответствии с растровой разверткой, а электроны фокусируются на катоде с помощью электронных линз, использующих магнитные поля. Сигнал с катода представляет собой напряжение, пропорциональное освещенности изображения. В цветных видеокамерах применяются три формирователя сигнала изображения, по одному на каждый из основных цветов: красный, синий и зеленый. Перед каждым формирователем помещены цветовые фильтры, так что на фотокатод попадает только составляющая одного цвета.

Рис. 1. Растровая развёртка

В замкнутых телевизионных системах иногда используются формирователи на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Матрицы полупроводниковых элементов (ячеек) образуют сетку. Заряд, хранящийся в каждой ячейке, зависит от уровня освещенности элемента изображения, сфокусированного на ней. Изображение развертывается электронным способом путем перевода заряда в выходной буфер строка за строкой. Таким образом, выходной сигнал от ПЗС имеет такой же растровый формат, как и сигнал от электровакуумной лампы.

Развертка изображения осуществляется 50-60 раз в 1 с. В большинстве случаев развертка — чересстрочная, т.е. в каждом кадре развертка производится через строку. Первый кадр представляет собой развертку четных строк, второй — нечетных. При таком способе разрешение развертываемого изображения максимально, а мерцание, видимое на экране приемника, минимально. В начале каждого кадра передается импульс кадровой синхронизации, поэтому растровые развертки в видеокамере и устройстве отображения (дисплее) начинаются синхронно, и изображение воспроизводится верно.

Устройства отображения обычно представляют собой электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Они подобны видеокамере на электровакуумной лампе, только в них с катода эмитируется электронный пучок, который фокусируется на люминесцентном экране, светя­щемся при попадании на него электронов. Луч сканирует по экрану, формируя растр, и когда скорость электронов достаточно велика, экран дисплея начинает светиться. Число электронов пропорционально яркости изображения в видеокамере. Поскольку изображение в видеокамере и экран дисплея сканируются синхронно, на экране воспроизводится структура изображения.

В цветных ЭЛТ имеются три катода («электронные пушки»), каждый из которых соответствует одному из основных цветов. Экран состоит из люминесцентных точек, которые при ударах электронами излучают либо красный, либо синий, либо зеленый свет. Если между электронными пушками и люминесцентным экраном поместить маскирующий экран, то можно сделать так, что на точки одного цвета будут попадать электроны только от одной пушки, например, электроны от «синей» пушки будут достигать только синих точек и т.д.

В портативных компьютерах вместо ЭЛТ широко применяются дисплеи на тонкопленочных транзисторах и жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи).

В современных компьютерах текст отображается так же, как изображение; символы текста преобразуются в битовый массив. В более старых устройствах отображения применялась схема «генератора символов», причем допускались только буквенно-цифровые символы. Генератор символов сканировался электронным способом, чтобы сигналы на выход поступали в соответствующий момент, согласованный с растровым сканированием дисплея.

буквенно-цифровые ДИСПЛЕИ. видеотекс

Очевидное расширение функций телексного принтера заключается в сохранении принятых данных и передаче буквенно-цифровой информации на видеодисплей. Для этого требуется дисплейный блок (или просто дисплей), который выдает сканированный растр, по­добный растру, используемому для телевизионного экрана. При работе в коммутируемой телефонной сети общего пользования PSTN такая система называется видеотексом. Дисплей содержит также генератор символов, чтобы высвечивать их на экране в соответствии с сохраненной информацией, причем один символ перекрывает несколько (обычно семь) соседних строк растра, чтобы уместиться по высоте. На рис. 2 показана структурная схема типичного буквенно-цифрового дисплея.

Буквенно-цифровой дисплей, соединенный с PSTN или частной линией, может выполнять несколько функций:

а) принимать входящую информацию для воспроизведения;

б) хранить и воспроизводить сообщения, которые должны быть переданы (на телекс или дисплей) для проверки и редактирования перед передачей;

в) получать и отображать на дисплее информацию в интерактивном режиме.

Для ввода сообщения в память и отображения на экране содержимого памяти требуется клавиатура. Она используется также для редактирования текста на экране (удаление, сдвиг символа и т.д.) перед передачей.

Рис. 2. Буквенно-цифровой видеотерминал

Клавиатура применяется при отправке сообщения для установления необходимого соединения (при этом часто предполагается  передача кода для получения доступа и начисления соответствующей оплаты). Она требуется для запроса требуемой страницы информации и для ответов на вопросы, появляющиеся на экране дисплея в интерактивном (вопрос/ответ) режиме.

В наше время терминалы интерактивного типа широко применяются в коммерческой и деловой сфере. Банки, жилищно­строительные кооперации и т.д. имеют свои собственные хранилища информации с ограниченным доступом к их отделениям обычно по арендованным каналам связи. Туристические агентства и агентства предварительного заказа билетов используют доступ к информационным центрам, где могут проверить наличие заказа и оформить бронирование. Растет также число независимых сетей с дополнительными услугами, предоставляющих информацию различным общественным группам и деловым кругам с помощью интерактивных видеотерминалов.

В современных системах обычно используется 7-битовый код, например стандартный 7-битовый Международный алфавит .№ 5 (IA5), соответствующий стандарту ISO 646 и Рек. V.3 ITU-T и принятый для высокоскоростного телекса, или расширенный 7-битовый код, позволяющий выбирать альтернативные варианты набора символов. Стандартный набор символов обозначается GO, а альтернативные варианты — Gl, G2 и т.д. Варианты выбираются кодом управления, показывающим начало и конец выбранного набора, и сильно отличаются для разных языков и приложений. Они принимаются и регистрируются Международной организацией по стандартизации (ISO).

Число строк текста изменяется от 12 до 40 (типичное значение — 24), а число символьных позиций в строке лежит в диапазоне 30-120 (обычно 80). Поэтому для полноэкранного отображения требуется примерно 20000 бит. Очевидно, что скорость работы телекса 300 бит/с слишком низка, и, чтобы получить приемлемое время обращения к дисплею, требуется передача по частной линии связи или каналу PSTN с помощью высокоскоростного модема. Минимальная требуемая скорость составляет 1200 бит/с, а оптимальная — 2400 или 4800 бит/с. При этом применяется модуляция FFSK (2400 бит/с) или QPSK (4800 бит/с). Более высокоскоростная модуляция QPSK непригодна для многих линий PSTN, но ее можно использовать на частных (арендованных) линиях. Время передачи можно сократить за счет сжатия данных путем передачи символа пробела, за которым следует указание числа неиспользуемых про­белов. При этом, конечно, возрастает сложность обработки.

Очевидно, что сигналы от терминала при интерактивной работе — это вводимые с клавиатуры символы, и скорость их передачи не может превышать скорости ручного ввода. Поэтому дуплексный модем для такой системы обеспечивает высокую скорость передачи в одном направлении (1200 бит/с или выше) и более низкую (как правило, 75 бит/с)—в другом.

 сжатие ВИДЕОДАННЫХ

Видеосигналы передаются с очень высокой скоростью. Для передачи аналоговых сигналов требуется полоса частот по крайней мере 6 МГц для черно-белого изображения или 8 МГц для цветного. После дискретизации этих сигналов скорость передачи равна 48 Мбит/с или 64 Мбит/с соответственно в предположении 8-битового аналого-цифрового преобразования.

Из анализа видеосигналов следует, что изображения от кадра к кадру изменяются незначительно. Задний план, например, часто остается неизменным, когда диктор говорит перед камерой, и лишь незначительно изменяется положение его головы. Объем данных, который требуется передать для этих изменений, составляет лишь долю от 64 Мбит/с, необходимых для всего изображения.

На этом принципе разрабатываются системы видеоконференций, где задним планом служит внутренняя обстановка офиса. Передается только различие между двумя сюжетами. В общем случае скорость передачи данных снижается примерно до 1,28 Мбит/с. Низкоскоростные системы передачи данных выпускаются для видеотелефонных применений, в которых скорость обновления (смены) изображения и его разрешение ниже, чем для телевизионного вещания, и возможна передача данных со скоростью лишь 64 кбит/с.

Данные для видеофильмов можно сжимать для последующей передачи по линиям связи. Процесс сжатия требует времени, по­этому сжатие «в реальном времени» пока нецелесообразно (методы сжатия «в реальном времени» находятся в процессе разработки и, вероятно, будут применяться в коммерческой продукции). В настоящее время предварительно записанные фильмы и программы обрабатываются кадр за кадром. Существует два метода сжатия, известные по названиям соответствующих групп ISO: JPEG (Joint Photographic Expert Group) и MPEG (Moving Pictures Expert Group). Стандарт JPEG разработан для сжатия неподвижных изо­бражений и мы не будем его рассматривать. Стандарт MPEG разработан для сжатия движущихся изображений.

Применяя MPEG, скорость передачи можно снизить до 1,5 Мбит/с. Изображения при этом сжимаются в два этапа. На первом этапе изображение преобразуется в некоторое число блоков по 8х8 пикселов, а затем каждый блок подвергается дискретному ко­синусному преобразованию DCT (discrete cosine transform). На вто­ром этапе используется предсказатель движения для оценки следу­ющего изображения. Результат упрощается с помощью математической обработки для получения цифрового потока, состоящего из серий «единиц» и «нулей». Затем цифровой поток сжимается с по­мощью кода Хаффмена с использованием фиксированных таблиц. При этом обнаруживаются длинные серии «единиц» и «нулей», и они заменяются простыми кодами.

В телевидении с медленной разверткой сжатие изображения не применяется. Вместо этого изображение запоминается в видеокамере, медленно передается, и затем отображенный на дисплее кадр обновляется. Видеотерминал также имеет запоминающее устройство, поэтому изображение обновляется по кадрам, а не постепенно по мере приема данных.