Univerzitet u Niu, Elektronski fakultet, Katedra za elektroniku

Ni, 2012

Uvod u TV sisteme

Stevica Cvetkovi, Saa Nikoli

2

Sadraj 1 Svetlost .................................................................................................................................................... 5

1.1 ovekov vizuelni sistem .................................................................................................................. 6

1.2 Relativna osetljivost oka V() ......................................................................................................... 6 1.3 Merenje svetlosti - radiometrija i fotometrija .................................................................................. 7 1.4 Fotometrijske veliine .................................................................................................................... 8

1.4.1 Fluks svetlosti .......................................................................................................................... 8

1.4.2 Jaina svetlosti ......................................................................................................................... 8

1.4.3 Osvetljenost ............................................................................................................................. 9 1.4.4 Sjajnost .................................................................................................................................... 9

2 Kolorimetrija ......................................................................................................................................... 11 2.1 Trihromatski sistemi boja .............................................................................................................. 11 2.2 RGB sistem boja ............................................................................................................................ 11 2.3 rg system boja ................................................................................................................................ 12 2.4 CIE XYZ sistem boja .................................................................................................................... 13 2.5 YCbCr sistem boja ........................................................................................................................ 13 2.6 HSV i HSL sistemi boja ................................................................................................................ 14 2.7 CMYK sistem boja ........................................................................................................................ 14

3 Formiranje slike u elektronskim kamerama .......................................................................................... 16 3.1 Senzorski deo kamere .................................................................................................................... 16

3.1.1 CCD kamere .......................................................................................................................... 16

3.1.2 Dimenzije senzora ................................................................................................................. 17 3.1.1 Senzori slike u boji ................................................................................................................ 18

3.2 Optiki deo kamere (objektiv) ....................................................................................................... 20 3.2.1 ina daljina .......................................................................................................................... 20 3.2.2 Optiko zumiranje ................................................................................................................. 20 3.2.3 Digitalni zum ......................................................................................................................... 21

3

3.2.4 Ugao snimanja ....................................................................................................................... 21 3.3 Postprocesiranje slike .................................................................................................................... 22

4 Digitalizacija slike ................................................................................................................................. 23 4.1 Analogni, diskretni i digitalni signali ............................................................................................ 23

4.1.1 Odmeravanje .......................................................................................................................... 24 4.1.2 Kvantizacija ........................................................................................................................... 24

4.2 Digitalizacija monohromatske slike .............................................................................................. 24 4.2.1 Odmeravanje 2D signala ....................................................................................................... 24 4.2.2 Kvantizacija 2D signala ......................................................................................................... 25

4.3 Digitalizacija slike u boji ............................................................................................................... 28 5 Parametri video signala ......................................................................................................................... 31

5.1.1 Rezolucija slike ..................................................................................................................... 31 5.1.2 Format slike (odnos irin/visina) ......................................................................................... 31

5.1.3 Udaljenost i ugao gledanja .................................................................................................... 34 5.2 Uestanost frejmova i poluslika .................................................................................................... 35

5.2.1 Analiza sa proredom i progresivna analiza slike ................................................................... 35

5.3 Oznaavanje video sistema ............................................................................................................ 36 5.4 Klasifikacija video sistema ............................................................................................................ 36

5.4.1 SDTV i HDTV ...................................................................................................................... 36

5.4.2 Analogni i digitalni video sistemi .......................................................................................... 37

6 Analogni i digitalni prenos TV signala .................................................................................................. 38

6.1 Tehnike prenosa TV signala .......................................................................................................... 38

6.2 Raspodela frekvencijskih opsega uSrbiji ....................................................................................... 39 6.3 Analogni video signali ................................................................................................................... 39

6.4 Nekompresovani digitalni video signal ......................................................................................... 40

7 Digitalna televizija (DTV) ..................................................................................................................... 42 7.1 Prednosti DTV u odnosu na analognu televiziju .......................................................................... 42

4

7.2 Nedostaci DTV .............................................................................................................................. 42

7.3 Standardi za kompresiju DTV ....................................................................................................... 42 7.4 Prenos DTV signala ....................................................................................................................... 43

7.4.1 DTV standardi ....................................................................................................................... 44

7.4.2 DVB standardi ....................................................................................................................... 44

8 Prikaz video signala (displeji) ............................................................................................................... 46 8.1 Monitori sa katodnom cevi (CRT) ................................................................................................. 46

8.1.1 Model katodne cevi ............................................................................................................... 46

8.1.2 Karakteristike CRT monitora ................................................................................................ 47

8.2 LCD - Displeji sa tenim kristalom ............................................................................................... 48 8.2.1 Princip rada ............................................................................................................................ 48

8.2.2 TFT ........................................................................................................................................ 49

8.2.3 Karakteristike LCD ............................................................................................................... 49

8.3 Plazma displeji ............................................................................................................................... 50 8.3.1 Model plazma displeja ........................................................................................................... 50

8.4 3DTV ............................................................................................................................................. 51

9 Literatura ............................................................................................................................................... 53

5

1 Svetlost

Vidljiva svetlost predstavlja onu vrstu elektromagnetnih talasa (zraenja) koje ljudsko oko moe detektovati. Elektromagnetni talasi se opisuju korienjem talasne duine (), frekvencije () ili energije fotona (). Veza izmeu talasne duine i frekvencije predstavljena je sledeom relacijom

= gde je 3 10 brzina svetlosti. Energija fotona se na osnovu frekvencije moe izraunati kao

= gde je Plankova konstanta. Prikaz odreenog opsega elektromegnetnih talasa u zavisnosti od neke

veliine koja ih opisuje (, , ) , naziva se elektromagnetni spektar (Slika 1).

Slika 1 Spektar elektromagnetnog zraenja

Kao to e uoava na slici, vidljiva svetlost obuhvata samo jedan deo elektromagnetnog spektra. Vidljiva svetlost predstavlja elektromagnetni talas ija je talasna duina u opsegu od priblino 380 nm do 780 nm.

Ukoliko je svetlost prostoperiodian elektromagnetni talas, tj. sadri samo jednu talasnu duinu, naziva se monohromatska svetlost. Mnogo ee svetlost se predstavlja kao sloenoperiodian talas koji se sastoji od vie razliitih talasnih duina, i onda se naziva polihromatska svetlost. Polihromatska svetlost je smea dve ili vie monohromatskih svetlosti.

Svako telo koje emituje svetlost naziva se izvor svetlosni. Primarni izvori svetlosti proizvode (emituju) sopstveno zraenje, dok sekundarni izvori reflektuju ili ine difuznom svetlost koju emituje primarni izvor. Primeri primarnih izvora svetlosti su sunce, sijalice, svee, itd.

6

Svetlost razliitih talasnih duina ovek subjektivno doivljava kao boju. To znai da boja za oveka predstavlja rezultat dejstva svetlosti odreene talasne duine na njegov nervni sistem. Tako na primer, neki objekat stvara utisak da je obojen crvenom bojom zato to reflektuje svetlost ija talasna duina odgovara crvenoj, a ostale talasne duine apsorbuje.

1.1 ovekov vizuelni sistem

Ljudske oi i mozak neprestano obrauju velike koliine podataka da bi vizuelno opazili svet oko nas. Optiki deo oka ine delovi koji formiraju sliku objekta: ronjaa, prednja komora, soivo i staklasto telo koje popunjava zadnju onu komoru. Svetlost ulazi u oko kroz providnu ronjau, prelama se prolaskom kroz ono soivo, i formira sliku objekta na mrenjai na zadnjem zidu oka. Regulacija koliine upadne svetlosti vri se promenom prenika malog otvora na duici, iji je prenik varira od 2 mm do 8 mm, a koji se naziva zenica. Prilagoavanje oka daljini posmatranog objekta vri se promenom oblika i ine daljine onog soiva koja se kree od 14 mm do 17 mm. Promene irine zenice i promene oblika soiva vre se skupljanjem i irenjem cilijarnih miia.

Prednja komora

Optika osa uta mrlja

SudovnjaaBeonjaa

MrenjaaOni nerv

Ona tenost

Cilijarni mii

Duica

Ronjaa

Ono soivo

Zenica

Slika 2 Struktura ljudskog oka

U mrenjai ljudskog oka se nalaze fotoreceptori su specijalizovane nervne elije koje reaguju na svetlost. Postoje dve vrste fotoreceptora: tapii i epii. tapii su vrlo osetljivi fotoreceptori koji omoguavaju vid pri vrlo niskim nivoima osvetljenosti (skotopski vid), ali nisu sposobni da razlikuju boje. Takoe, poto je vie tapia povezano na jedan nerv, smanjena je sposobnost razlikovanja detalja. epii su kratke nervne elije kupastog oblika koje su manje osetljive, ali imaju sposobnost razlikovanja boja (fotopski vid). Najvei broj epia se nalazi u centralnom delu mrenjae koji se naziva uta mrlja.

1.2 Relativna osetljivost oka V() Da bi se postigao cilj fotometrije, da rezultati merenja svetlosti odgovaraju karakteristikama ljudskog

vida, neophodno je korienje matematikih funkcija koje daju vezu izmeu fizikih veliina svetlosti i ljudskog vida. Zato su formirane matematike funkcije koje opisuju vid prosenog posmatraa.

Najvanija funkcija koja opisuje vid prosenog posmatraa u zavisnosti od talasne duine svetlosti je relativna osetljivost oka V().

7

Slika 3 Dijagram normalizovane relativne osetljivosti oka prosenog posmatraa - V()

Kao to se uoava sa slike, funkcija( ) je neimenovana veliina, normalizovana na opseg [0, 1] i definisana samo u opsegu talasnih duina iz vidljivog dela spektra. Uoava se da je ljudsko oko najosetljivije na talasne duinu u oblasti oko (( = ), to odgovara zeleno-utoj boji. Najmanja osetljivost ljudskog oka je na krajevima vidljivog dela spektra, (( = 0). Osim grafiki, V() se moe predstaviti i tablicom diskretnih vrednosti.

Funkcija V(), dobijena je statistikom analizom velokog broj posmatraa, i predstavlja iroko prihvaen propis izdat od strane Meunarodne komisije za rasvetu (CIE - Commission Internationale de lclairage), i prihvaen od Meunarodne organizacije za standardizaciju (ISO - International Organization for Standardization). Treba napomenuti da se opisane () vrednosti odnose na normalne nivoe sjajnosti, dok je pri drugaijem nivou sjajnosti maksimum funkcije () u drugoj vrednosti , ali je oblik priblino isti. 1.3 Merenje svetlosti - radiometrija i fotometrija

Merenje svetlosti kao nosioca vizuelnih informacija, obavlja se na dva naina. Prvi, radiometrijski, meri svetlosno zraenje ije talasne duine ukljuuju ultraljubiastu, vidljivu, i infracrvenu svetlost. Za razliku od radiometrije koja razmatra mnogo iri deo spektra od onog koji je vidljiv oveku, fotometrija analizira samo vidljivi deo spektra (380 780 ) uzimajui u obzir i osobine ljudskog vida.

Radiometrijske i fotometrijske veliine su veoma sline. Fotometrijske veliine su zapravo radiometrijske u ije raunanje je ukljuena relativna osetljivost ljudskog oka. esto se kae da radiometrija meri fizike veliine, dok fotometrija meri psiho-fizike veliine.

Radimetrijske veliine se odnose na zraenje svetlosti. Postoje etiri osnovne radiometrijske veliine: fluks zraenja (!" ), jaina zraenja (#"), ozraenost (" ) i zraenje ($"). Ideks %, oznaava da se radi o radiometrijskim veliinama.

Za svaku radiometrijsku veliinu postoji analogna fotometrijska veliina: fluks svetlosti (! , jaina svetlosti (#), osvetljenost () i sjajnost ($). Svaka fotometrijska veliina se moe izraunati iz analogne radiometrijske veliine sabiranjem radiometrijskih vrednosti svih spektralnih komponenata prethodno pomnoenih relativnom osetljivou oka (. Dakle, ako radiometrijsku veliinu oznaimo sa &", onda se analogna fotometrijska veliina & dobija na sledei nain

8

& = '( &" (*+,+ - Sve fotometrijske veliine se odnose ili na izvor svetlosti ( !, #) ili na osvetljenu povrinu (, $).

1.4 Fotometrijske veliine

Veliina Oznaka Jedinica Opisuje Engleski naziv Fluks svetlosti ! lumen (. ) izvor svetlosti Luminous flux Jaina svetlosti # kandela (- = /" ) izvor svetlosti Luminous intensity Osvetljenost lux (.0) osvetljenu povrinu Illuminance Sjajnost $ 1234 osvetljenu povrinu Luminance

1.4.1 Fluks svetlosti

Fluks svetlosti se izraunava na osnovu radiometrijskog fluksa zraenja. Fluks zraenja je veliina koja predstavlja ukupnu snagu svetlosnog zraenja izvora, tj. energiju koju izrai svetlosni izvor u jedinici vremena.

!" = -5-6 Jedinica fluksa zraenja je vat (W). Ukoliko u prethodnu formulu ukljuimo i relativnu osetljivost

ljudskog oka, dobijamo svetlosni fluks koji predstavlja fotometrijsku veliinu.

! = '( !" (*+,+ - Jedinica svetlosnog fluksa je lumen (lm). Primera radi navodimo da klasina sijalica ija je snaga zraenja

(radiometrijski fluks) 1007 , poseduje svetlosni fluks (fotomerijski fluks) od priblino 1340. . 1.4.2 Jaina svetlosti

Fluks svetlosti nam ne prua informaciju o raspodeli zraenja u prostoru. To znai da e dva izvora koji emituju istu energiju u jedinici vremena, a pri tome jedan zrai podjednako u svim pravcima, dok drugi emituje svu snagu samo u jednom pravcu, imati isti fluks svetlosti. Kako bismo omoguili veliinu koja opisuje raspodelu zraenja u prostoru, uvedena je veliina koja se naziva jaina svetlosti. Jaina svetlosti predstavlja svetlosni fluks u jedininom prostornom uglu.

# = -!-9 , gde se prostorni ugao izraunava na sledei nain: -9 = :;"4.

9

Jedinica jaine svetlosti je kandela (cd), pri emu je - = /" . Kandela je jedna od sedam osnovnih jedinica Meunarodnog sistema jedinica (SI) i definie se na sledei nain: Kandela je jaina svetlosti koju u odreenom pravcu daje izvor monohromatskog zraenja talasne duine 555 ija je jaina zraenja u tom pravcu jednak 1/683?".

1.4.3 Osvetljenost

Prethodne dve veliine odnose se na izvore svetlosti, ne dajui nikakvu informaciju o tome koliki deo svetlosti koju emituju izvori pada na neku povrinu i koliki deo se reflektuje. Zato su uvedene fotometrijske veliine koje se odnose na osvetljenu povrinu: osvetljenost i sjajnost.

Osvetljenost predstavlja svetlosni fluks koji pada na jedinicu osvetljene povrine.

= -!-@ Jedinica mere je luks (lx), pri emu je .0 = /

4.

Vrsta prostorije Osvetljenost (lx) Hodnici, stepenita 50 Dnevna soba 100 - 150 Uionice, kancelarije 150 - 300

Tabela 1 Tipini nivoi osvetljenosti 1.4.4 Sjajnost

Sjajnost je fotometrijska veliina koja je od izuzetnog znaaja za digitalnu sliku, s obzirom da digitalna slika predstavlja skup taaka razliitih sjajnosti.

Sjajnost predstavlja jainu svetlosti koju neka povrina reflektuje u odreenom pravcu. Prilikom razmatranja sjajnosti treba imati na umu da celokupan svetlosni fluks koji se dovede na neku povrinu nee biti reflektovan. Naime, samo odreeni procenat e biti reflektovan, dok e jedan deo biti apsorbovan (upijen) a drugi deo proputen (transmitovan) kroz povrinu. Tako na primer, potpuno crna povrina uopte ne reflektuje svetlost, dok potpuno bela reflektuje priblino celokupan ulazni fluks svetlosti.

Sjajnost je fotometrijska veliina koju oko neposredno osea, pa predstavlja merilo svetlosnog utiska. Sjajnost neke take svetlee povrine se u zadatom pravcu definie kao odnos svetlosnog intenziteta koji u datom pravcu emituje elementarna svetlea povrina oko te tane i ortogonalne projekcije te elementarne povrine na ravni normalnoj na pravac posmatranja.

$ = -#-@ ABC = -!-@ -9 ABC

10

Jedinica mere je DEF. Kontrast slike se definie kao odnos maksimalne i minimalne sjajnosti u slici.

= $GH$IJ Kontrast slike predstavlja vanu odrednicu subjektivnog kvaliteta slike. Pri tome vai opte pravilo: to je

vei kontrast, to je slika boljeg kvaliteta (verodostojnija).

Slika 4 Osvetljenost i sjajnost

11

2 Kolorimetrija

Kolorimetrija je nauka koja se bavi merenjem i kvantitativnim opisivanjem boja definiui pri tom matematike modele za njihovo predstavljanje. Matematiki modeli kojima se opisuju boje nazivaju se modeli boja (sistemi boja, kolor sistemi). Tokom vremena definisan je veliki broj razliitih kolor sistema u zavisnosti od specifinosti namene.

2.1 Trihromatski sistemi boja

Trihromatski sistemi boja su nastali po analogiji sa ljudskim vizuelnim sistemom. Podsetimo se da boja predstavlja rezultat dejstva svetlosti odreene talasne duine na ljudski nervni sistem. Naime, u ljudskom oku se nalaze nervne elije koje imaju sposobnost razlikovanja boja, i koje se nazivaju epii. Postoje tri vrste epia koji su maksimalno osetljivi na jednu od tri boje: crvenu, zelenu ili plavu. Na osnovu kombinacije stimulansa ove tri grupe epia, u ljudskom mozgu se stvara utisak odreene boje.

Eksperimentalno je pokazano da se kombinacijom svega tri osnovne boje moe generisati veliki broj nijansi boja koje se sreu u prirodi. Takve osnovne boje se nazivaju primarne boje ili primari, a ovakvi sistemi se nazivaju trihromatski sistemi boja.

2.2 RGB sistem boja

Jedan od najstarijih kolor sistema, definisan je od strane CIE organizacije 1931. godine. Nastao je po analogiji sa ljudski vizuelnim sistemom gde su kao primarne boje izabrane su crvena (R), zelena (G) i plava (B). Kao talasne duine primarnih boja definisane su K = 700 , L = 546.1 , N = 435.8 . Kombinovanjem primara i njihovim uporeivanjem sa drugim bojama, moe se definisati veliki broj boja. Ureaj kojim je obavljeno merenje i specifikaciju boja, naziva se kolorimetar. U osnovi kolorimetra se nalazi dve potpuno bele povrine od kojih se jedna osvetljava kombinacijom primarnih boja (O, P, Q), a druga svetlou iju boju elimo da odredimo (C). Podeavanje koliine R, G i B primara se vri sve dok posmatra ne utvrdi da su boje na obe bele povrine vizuelno identine.

Poreenje (definisanje) boja kolorimetrom se matematiki moe predstaviti na sledei nain

12

RS = OOTS + PPS + QQTS gde su primarne boje oznaene vektorima O,TTTS P,TTTS QTS , a koliine primarnih boja potrebnih za dobijanje

proizvoljne boje RS , skalarima O, P, Q . Koliine primarnih boja O, P, Q se jo nazivaju koordinate boja (komponente boja). Postavlja se pitanje kako izmeriti koliinu primarnih boja tj. u kojim jedinicama je predstaviti. Ove koordinate su definisane tako da zavise od sjajnosti piksela i da zbir njihovih jedininih vrednosti daje belu boju. Dakle, pomou tri koordinate O, P, Q mogue je definisati veinu drugih boja iz prirode. Ako iskombinujemo podjednaku koliinu R, G i B komponenti dobijamo potpuno belu boju. Treba odmah istai jedan nedostatak RGB sistema, a to je da se za generisanje neke boje iz prirode neophodno da pojedine koordinate V,W,X budu negativne.

RGB sistem se moe grafiki predstaviti RGB koordinatnim sistemom.

Na osnovu zakona koje je 1853. godine definisao Hugo Grassman, moe se izvesti zakljuak da su koordinate smee boja (RYTTTTS + RZTTTTS) jednake zbiru koordinata pojedinih boja koje ulaze u smeu. Neka su dve boje odreene jednainama

RYTTTTS = OYOTS + PYPS + QYQTS RZTTTTS = OZOTS + PZPS + QZQTS

Rezultat meanja boja je:

RYTTTTS + RZTTTTS = (OY + OZOTS + (PY + PZPS + (QY + QZQTS RGB sistem boja se koristi kod TV sistema i kod raunarskog hardvera (monitori, kamere, itd...) za

generisanje slike u boji.

2.3 rg system boja

Ukoliko normalizujemo jednainu poreenja boja RS = OOTS + PPS + QQTS , tj. podelimo obe strane sa O + P + Q, dobiemo RSO + P + Q = OO + P + QOTS + PO + P + QPS + QO + P + QQTS

Ako sada uvedemo oznake % = KK[L[N , \ = LK[L[N , ] = NK[L[N dobijamo rg sistem boja, gde se koordinate %^\ nazivaju hromatske koordinate boje. Poto je oigledno da je % + \ + ] = 1, dovoljno je

13

poznavati samo dve hromatske koordinate _, ` za definisanje boje. Trea koordinata se jednostavno izraunava kao ] = 1 % \.

Primer 1. Ako su koordinate dve boje u RGB koordinatnom sistemu (0.018; 0.8; 0.102) i (0.22; 0.52; 0.26), odrediti koordinate boje nastale meanjem ovih boja u %\ sistemu.

RYTTTTTS = OYOTS + PYPS + QYQTS RZTTTTS = OZOTS + PZPS + QZQTS

RS, = RYTTTTS + RZTTTTS = (OY + OZOTS + (PY + PZPS + (QY + QZQTS = O,OTS + P,PS + Q,QTS Na osnovu definicije hromatskih koordinata imamo

%, = O,O, + P, + Q, =(OY + OZ(OY + OZ + (PY + PZ + (QY + QZ =

0.43 0.133, \, = P,O, + P, + Q, =

(PY + PZ(OY + OZ + (PY + PZ + (QY + QZ =0.1323 = 0.44

], = 1 %, \, = 0.427 2.4 CIE XYZ sistem boja

Nedostatak RGB sistema je pojava negativnih vrednosti koordinata za predstavljanje pojedinih boja iz priorde. Takoe, nedostatak je to sve tri primarne boje nose informaciju o sjajnosti.

Da bi se izbegle ove dve pojave, tj. stvorio sistem boja kod koga su sve koordinate pozitivne i samo jedan primar odreuje sjajnost, uveden je &bc sistem boja. Ovaj sistem je predloen od strane CIE organizacije i zasnovan je na fiktivnim primarnim bojama koje nije mogue fiziki realizovati. U ovom sistemu, sjajnost boje odreuje samo primar Y, dok su druga dva primara izabrana tako da je njihova sjajnost jednaka nuli.

2.5 YCbCr sistem boja

Za potrebe digitalne televizije razvijen je posebni sistem boja pod nazivom bR]R%. b komponenta se naziva luminentna komponenta i ona predstavlja sjajnost slike. Komponente R]^R% se nazivaju hrominentne komponente i one opisuju boju u slici.

Prelaz iz RGB sistema u YCbCr sistem se opisuje linearnim transformacijama koje se mogu predstaviti kao

d bR]R%e = d0.2990 0.587 0.1140.16784 0.33126 0.50.5 0.41869 0.08133e d

OPQe Poto je glavna primena ovog sitstema boja u digitalnoj televiziji i digitalnoj obradi slike, najee se

komponente boja predstavljaju sa 8 bita pa je opseg vrednosti od 0 do 255. Ovaj sistem boja se zasniva na empirijskom zakljuku da je ljudsko oko znatno osetljivije na varijacije u sjajnosti (Y) u odnosu na varijacije u boji (Cb i Cr). Za razliku od RGB sistema gde svaka komponenta nosi podjednaku koliinu informacija o boji, kod ghih_ sistema luminentna komponenta nosi znatno vie informacija u odnosu na hrominentne komponente. Ovo je iskorieno prilikom prenosa video signala u digitalnoj televiziji, tako da se hrominentne komponente (Cb i Cr) mogu diskretizovati sa niom frekvencijom odmeravanja. Npr. na svakih 4 odmerka Y komponente mogue je odmeriti samo po jedan odmerak Cb i jedan odmerak Cr komponente.

14

2.6 HSV i HSL sistemi boja

Prethodno opisani modeli boja su pogodni za hardversku implementaciju, meutim ljudi prilikom opisivanja boja koriste drugaiju reprezentaciju. HSV model je najsliniji nainu na koji ljudi opisuju boje. Ovaj model boja je intuitivniji za ovek, i u njemu je svaka boja opisana sa tri parametra:

Hue vrsta boje tj. nijansa. To praktino znai da naziv boje kao npr. uta, zelena, plava, ljubiasta, itd. predstavlja vrstu boje.

Saturation zasienje tj. istoa boje. Zasienje pokazuje koliko se vizuelni utisak posmatrane boje razlikuje od vizuelnog utiska za belu boju.

Value (Luminosity) sjajnost.

Slika 5 Crvena boja (H) s razliitim nivoima zasienjima (S)

Slika 6 Crvena boja (H) s razliitim nivoima sjajnostima (V)

Grafiki se ovaj sistem boja predstavlja valjkom na kome je vrsta boje (H) predstavljena krugom od 0 do 360. U ovom krugu na meusobnoj udaljenosti od 120 nalaze se tri aditivna primara R, G i B (tako da su to je mogue vie udaljeni jedan od drugoga). Izmeu aditivnih primara se nalaze ostale boje koje nastaju njihovim meanjem. Zasienje (S) je predstavljeno rastojanjem od centralne ose valjka i raste s odmicanjem od sredita tijela, tako da je na obodu najvea. Izraava se vrednou od 0 do 1 ili procentulano od 0% do 100%. Sjajnost je prikazana na vertikalnoj osi, tako da je najmanja na dnu ose. Takoe se izraava vrednou od 0 do 1 ili procentulano od 0% do 100%.

2.7 CMYK sistem boja

U praksi vrlo esto boje nastaju prilikom refleksije svetlosti od objekta. Naime, svaki objekat apsorbuje odreenu koliinu bele svetlosti koja ga osvetljava, menjajui time boju svetlosti koja se reflektuje. Ovaj princip generisanja boja se koristi u tamparskoj industriji i slikarstvu.

Naime, mastila koja se koriste u tamparskoj industriji imaju osobinu da apsorbuju odreduine iz bele svetlosti koja ih osvetljava.razliku bele boje (W) i apsorbovane boje (R). Ovo se moe zapisati kao

Kao osnovne boje za mastila koriste se:

Cijan (tirkizno plava) koja ima osobinu da Magenta (ljubiasta), potpuno apsorbuje zelenu boju Yellow(uta), potpuno apsorbuje plavu boju.

Kombinacjom ovih boja mogu se dobiti sve ostale boje. na vrednost 1, onda se matematiki osnovne boje u CMY modelu mogu predstaviti kao

U praksi se javlja problem sa dobijanjem kvalitetne crne boje, koja bi trebalo da se dobije kombinovanjem sve tri C, M, Y komponente, jer dobijena crna boja nije uvek najboljeg kvaliteta. Zato je uvedena i osnovna boja crna (K). Tako da se najtampu najee je neophodno konvertovati slike u

Naime, mastila koja se koriste u tamparskoj industriji imaju osobinu da apsorbuju odreduine iz bele svetlosti koja ih osvetljava. Tako e reflektovana boja (oznaimo je sa C) zapravo predstavljati

bele boje (W) i apsorbovane boje (R). Ovo se moe zapisati kao R = 7 O. Kao osnovne boje za mastila koriste se:

koja ima osobinu da potpuno apsorbuje crvenu boju. , potpuno apsorbuje zelenu boju

potpuno apsorbuje plavu boju.

Kombinacjom ovih boja mogu se dobiti sve ostale boje. Ako pretpostavimo da je bela boja normalizovana ki osnovne boje u CMY modelu mogu predstaviti kao

d Rjb e = d111e d

OPQe U praksi se javlja problem sa dobijanjem kvalitetne crne boje, koja bi trebalo da se dobije kombinovanjem

sve tri C, M, Y komponente, jer dobijena crna boja nije uvek najboljeg kvaliteta. Zato je uvedena i . Tako da se najee ovaj sistem boja naziva Rjbk. Prilikom pripreme materijal

e je neophodno konvertovati slike u Rjbk sistem boja.

15

Naime, mastila koja se koriste u tamparskoj industriji imaju osobinu da apsorbuju odreene talasne imo je sa C) zapravo predstavljati

Ako pretpostavimo da je bela boja normalizovana ki osnovne boje u CMY modelu mogu predstaviti kao

U praksi se javlja problem sa dobijanjem kvalitetne crne boje, koja bi trebalo da se dobije kombinovanjem sve tri C, M, Y komponente, jer dobijena crna boja nije uvek najboljeg kvaliteta. Zato je uvedena i etvrta

. Prilikom pripreme materijala za

16

3 Formiranje slike u elektronskim kamerama

Video signal predstavlja sekvencu slika koja nastaje u kameri pretvaranjem energije svetlosti u elektrini napon. Svaka kamera se sastoji iz dva osnovna dela: optikog i senzorskog.

Optiki deo kamere (objektiv) ini sistem soiva i optikih filtara koji ima ulogu da formira optiku sliku objekta na senzorskom delu kamere kamere.

Senzorski deo kamere (senzor) predstavlja fotoosetljivi sloj koji pretvara optiku raspodelu (svetlost) u raspodelu potencijala (napon). U kamerama se koriste dva tipa senzora: senzori sa elektronskim mlazom (cevni senzori) i poluprovodniki senzori (CCD, CMOS, itd). Danas su dominantni poluprovodniki senzori zbog brojnih prednosti, dok se cevni senzori se jo koriste u pojedinim studijskim TV kamerama.

Slika 7 Pojednostavljen prikaz osnovnih elemenata digitalne kamere

3.1 Senzorski deo kamere

3.1.1 CCD kamere

Tipini poluprovodniki senzor se sastoji od matrice poluprovodnikih senzorskih elemenata integrisanih na jednom ipu. Svaki poluprovodniki element predstavlja jedan piksel slike ija se vrednost oitava u postupku skeniranja.

17

Najei tip poluprovodnikih senzora su CCD senzori sa meulinijskim transferom (CCD - engl. Charge Coupled Device). Matrica poluprovodnikih elemenata takvog senzora prikazana je na narednoj slici.

Slika 8CCD senzor

Matrica elemenata se sastoji od fotoosetljivih elemenata (fotodiode ili CMOS senzori), kao i elemenata za transfer koji su prekriveni neprovidnom maskom. Izmeu svake dve kolone fotoosetljivih elemenata umetnuta je jedna kolona elemenata za transfer koji se koriste samo tokom procesa oitavanja. Posle izlaganja senzorske povrine svetlosti, na svakom fotoosetljivom elementu dolazi do nagomilavanja naelektrisanja proporcionalnog intenzitetu svetlosti. Nakon toga, obavlja se istovremeni transfer naelektrisanja iz svih fotoosetljivih elemenata u susedni element za transfer (tzv. horizontalni transfer). Poto se naelektrisanja pomeraju istovremeno, ovaj transfer je veoma brz. Zatim se fotosetljivi elementi mogu ponovo osvetliti, a za to vreme se vri vertikalni transfer naelektrisanja u pomeraki registar (vertikalni transfer) i oitavanje podataka iz pomerakog registra.

Broj fotosetljivih elemenata zapravo odreuje rezoluciju slike koju kamera kreira.

3.1.2 Dimenzije senzora

Iako senzori ne spadaju u optiki deo kamere, povrina senzora je parametar koji utie na sveukupne optike karakteristike kamere. Senzori unutar kamere se najee izrauju u nekoliko standardnih dimenzija opsega od do 1.

Dimenzije senzora se najee predstavljaju kao duina dijagonale predstavljene u jedinicama koje se oznaavaju kao ini, ali ne predstavljaju stvarne ine! Za ove tzv. ine vai relacija 1 = 16 , a ne kao kod standardnih jedinica 1 = 25.4 . Razlog za ovakvo izraavanje dimenzija je isto istorijski, jer je prilikom prelaza sa analognih na digitalne senzore, vidikon cev u analognim kamerama imala dijagonalu 16mm koja je oznaena kao 1 prilikom prelaza na digitalne poluprovodnike senzore.

Treba takoe napomenuti da ukoliko drugaije nije naglaeno, podrazumeva se odnos irine i visine slike w:h=4:3.

Primer 2. Ukoliko su dimenzije CCD senzora 1/4, odrediti stvarnu irini i visinu senzora u milimetrima.

Imajui na umu da za ine prilikom zadavanja dimenzija senzora vai duinu dijagonale - Yn 16 opqF U qF Fr qF, odakle je ,s

Osim fizikih dimenzija senzora zadaje se i rezolucija senzora tj. broj piksela po horizontali i vertikali. esto se rezolucija kamera izraava kao horizontali i po vertikali, i obino se izraava u mrezoluciju 12801024, ukupan broj piksela je 1Mpx.

Slika

3.1.1 Senzori slike u boji

Fotoosetljivi elementi unutar CCD senzora podjednako reaguju na izvan vidljivog dela (380nm-780nm). osnovu intenziteta (snage) svetlosti, nezavisno od talasne duine. razlikovanje svetlosti odreenih talasnih duina (boje)dve tehnike koje su opisane u nastavku

3.1.1.1 Sistemi s jednim senzoromU sistemima sa jednim senzorom

svakog fotoosetljivog senzorskog elementa. Najsastoji od etiri optika filtra: jedan za crvenu boju, jedna senzorski element (fotodioda) osetljiv samo na jednu boju, tj. na njegovu povrkomponenta Bayerovog filtra. Filtar na tom elementu proputa samo svetlost odrejednu komponentu boje. Razlog vespektra ). Na slici je prikazan jedan blok Bajerovog filtra

prilikom zadavanja dimenzija senzora vai 1 16 4 . Na osnovu standardnog odnosa t: ,sd 2.4 i t n, 2.4 3.2mm. dimenzija senzora zadaje se i rezolucija senzora tj. broj piksela po horizontali i vertikali.

esto se rezolucija kamera izraava kao ukupan broj piksela slike, koji predstavlja proizvod broja piksela po no se izraava u megapikselima (Mpx). Na primer, za neki sistem koji ima

, ukupan broj piksela je 12801024=1310720, to je priblino 1.3

Slika 9 Primeri senzora rzliitih fizikih dimenzija

vi elementi unutar CCD senzora podjednako reaguju na svetlost irokog opsega iz 780nm). To znai da fotodiode nagomilavaju odreenu koli

tlosti, nezavisno od talasne duine. Da bismo obezbedili mehanizam za enih talasnih duina (boje), to nam omoguuje snimanje slike u boji

opisane u nastavku.

Sistemi s jednim senzorom sa jednim senzorom problem razdvajanja boja reava se nanoenjem opti

senzorskog elementa. Najee se koristi Bayerov filtar (RGBGka filtra: jedan za crvenu boju, jedna za plavu, a dva za zelenu boju. Pri tome

osetljiv samo na jednu boju, tj. na njegovu povrFiltar na tom elementu proputa samo svetlost odreene talasne duine tj. samo

eg broja zelenih filtara je vea relativna osetljivost oka na z. Na slici je prikazan jedan blok Bajerovog filtra, kao i raspored blokova na

18

16 , dobijamo stvarnu 4: 3 i EF xF U qF dimenzija senzora zadaje se i rezolucija senzora tj. broj piksela po horizontali i vertikali.

, koji predstavlja proizvod broja piksela po egapikselima (Mpx). Na primer, za neki sistem koji ima

1.3 miliona piksela tj. 1.3

svetlost irokog opsega iz spektra, ak i enu koliinu nalektrisanja na

Da bismo obezbedili mehanizam za uje snimanje slike u boji, koriste se

problem razdvajanja boja reava se nanoenjem optikih filtara ispred RGBG) iji se svaki blok

za plavu, a dva za zelenu boju. Pri tome je svaki osetljiv samo na jednu boju, tj. na njegovu povrinu je naneta jedna

ene talasne duine tj. samo osetljivost oka na zeleni deo

, kao i raspored blokova na itavom senzoru.

S obzirom da svaki piksel detektuje samo jednu od tri bojemogu direktno koristiti za generisanje slike u boji. Neophodno je obaviti proitanih sa senzorskih elemenata, da bi se 3 komponente (R, G, B). Tako npr. najjednostavnija interpolacija bi bila da se R piksele prorauna kao srednja vrednost 4

3.1.1.2 Sistemi sa tri senzora

Najbolji snimci slike u boji se dobijaju korikomponentu boje. Ova tri senzora se postavljaju oko optisvetlost na komponente i prosleuje ih do odgovarajuvrednost na svakom od senzora, koje u kombinaciji daju konareenja je velika cena zbog 3 senzora i sloenijeg optikamerama.

detektuje samo jednu od tri boje, podaci nakon primene Bayerovog filtra se ne mogu direktno koristiti za generisanje slike u boji. Neophodno je obaviti interpolaciju

itanih sa senzorskih elemenata, da bi se formirala konana vrednost boje za svaki piksel ko. Tako npr. najjednostavnija interpolacija bi bila da se npr. vrednost G komponenti za

una kao srednja vrednost 4 susedna G piksela i slino tako za B komponentu

Sistemi sa tri senzora

Najbolji snimci slike u boji se dobijaju korienjem tri posebna CCD senzora (3CCD)komponentu boje. Ova tri senzora se postavljaju oko optike prizme (Beam splitter)

uje ih do odgovarajueg senzora. Tako za svaki piksel postoji po jedna vrednost na svakom od senzora, koje u kombinaciji daju konanu vrednost boje za taj piksel.

zbog 3 senzora i sloenijeg optikog sistema, i zato se koristi samo u profesionalnim

B G

G R

Bajerov filtar

19

, podaci nakon primene Bayerovog filtra se ne interpolaciju susednih vrednosti

na vrednost boje za svaki piksel koja se sastoji od vrednost G komponenti za

komponentu boje

tri posebna CCD senzora (3CCD) za svaku (Beam splitter) koja razdvaja upadnu Tako za svaki piksel postoji po jedna

nu vrednost boje za taj piksel. Nedostatak ovog , i zato se koristi samo u profesionalnim

20

3.2 Optiki deo kamere (objektiv)

Najvanija komponenta optikog dela kamere je sistem soiva. Osnovni parametri koji opisuju objektiv i utiu na kvalitet dobijene slike, predstavljeni su u nastavku.

Slika 10 Model objektiva 3.2.1 ina daljina

Vaan parameter koji opisuje soiva u kameri je njihova ina daljina (). Ako je objekat na relativno velikom rastojanju od kamere, ina daljina predstavlja rastojanje centra soiva i senzora slike (Slika 10). Napominjenmo da ovakva aproksimacija ine daljine ne vai u sluaju kada je objekat relativno blizu kamere (npr. rastojanju manjem od 1m) tzv. macro reim rada.

Soiva unutar kamere su obino pokretna tako da se njihovim udaljavanjem i pribliavanjem u odnosu na senzor moe menjati ina daljina. S obzirom da ina daljina moe da se menja samo u odreenom dozvoljenom opsegu, kod CCD kamera se kao parametar obino zadaje dozvoljeni opseg inih daljine u milimetrima. Npr. 5,0 30,0 .

Promenom ine daljine moemo da kontroliemo irinu scene koju snimamo, to nam dalje omoguuje da vrimo optiko zumiranje slike.

3.2.2 Optiko zumiranje

Promena ine daljine omoguuje optiko zumiranje slike (Slika 11). Poveanjem ine daljine, tj. udaljavanjem soiva od senzora (2 > 1), vrimo optiko zumiranje jer se manji deo scene (72 < 71) prenosi do senzora slike koji je konstantne veliine (t), rezultujui detaljniji prikaz tog dela slike. Na primer ako je opseg ine daljine 35mm - 105mm, to znai da kada nema nikakvog zuma ina daljina je 35 mm, a

21

pri maksimalnom zumiranju je 105mm. Odnos maksimalne i minimalne ine daljine definie stepen optikog zumiranja. Tako za sluaj 105 /35 = 3, dobijamo da je stepen optikog zumiranja 3 puta (30).

Slika 11 Princip optikog zumiranja 3.2.3 Digitalni zum

Digitalni zum nije posledica podeavanja ine daljine optikog sistema. On se dobija digitalnom obradom slike u postupku post-procesiranja. Digitalni zum ne prenosi stvarnu informaciju iz prirode, ve na osnovu vrednosti susednih piksela predvia novu vrednost piksela u uveanoj slici. Ovaj postupak se naziva interpolacija vrednosti piksela. Treba imati na umu da digitalni zum moe uneti odreenu degradaciju kvaliteta zumirane slike, jer predviene vrednosti piksela ne moraju odgovarati tanoj situaciji. Digitalni zum se moe kombinovati sa optikim zumom, tako da kamera koja ima optiki zum 10x i digitalni zum 4x, moe postii ukupan zum od 40x.

3.2.4 Ugao snimanja

Na osnovu ine daljine () i irine senzora (t) moemo odrediti ugao snimanja kamere ({). 6\ |{2} t2

{ 2~%6~ t2 Dakle, moe se zakljuiti da se podeavanjem ine daljine za zadati senzor, kontroliemo ugao snimanja

kamere. Maksimalni ugao je odreen minimalnom inom daljinom. Kod standardnih digitalnih kamera maksimalan ugao snimanja iznosi oko .

Primer 3. Digitalna kamera sa senzorom irine 13 ima stepen optikog zuma 30, pri emu je maksimalna ina daljina 15 . Odrediti maksimalni ugao snimanja.

Reenje:

22

{GH 2~%6~ t2IJ = 2~%6~ 3t2GH = 2~%6~ 3 13 2 15 105 3.2.4.1 irokougaone kamere

Ukoliko elimo da postignemo veliki ugao snimanja, to je pogodno za odreene primene, neophodno je kreirati objektiv sa veoma malom inom daljinom. Obino se irokougaonim kamerama smatraju kamere ija je ina daljine takva da postiu uglove do 90. Ovakve kamere se nazivaju irokougaone kamere. Treba imati na umu da irokougaone kamere sa malim inim daljinama imaju nedostatak da unose odreena perspektivna izoblienja slike.

Za odreene namene, kao to je video nadzor, potrebno je posedivati kamere koje imaju veoma veliki ugao snimanja (do 180) i malu inu daljinu (do 15mm), bez obzira na znaajna perspektivna izoblienja slike. Ovakve kamere se esto nazivaju riblje oko (engl. fisheye).

3.3 Postprocesiranje slike

http://www.hdtvtest.co.uk/news/what-is-gamma-20080511108.htm

23

4 Digitalizacija slike

4.1 Analogni, diskretni i digitalni signali

Elektrini signal predstavlja elektrini napon koji je promenljiv u vremenu. Ovakav signal je po svojoj prirodi definisan u svakom vremenskom trenutku, pri emu vrednost amplitude napona moe biti proizvoljan realni broj iz zadatog opsega. Nasuprot tome, raunari rade sa signalom koji se predstavlja ureenim nizom binarnih cifara (0 i 1). Ovakav signal je definisan samo u pojedinim vremenskim trenucima koji su odreeni taktom procesora, i pri tom vrednost signala moe biti 0 ili 1. Da bi raunar mogao razumeti elektrini signal, neophodno ga je konvertovati u ekvivalentni niz binarnih cifara. Kako bismo razumeli ovaj postupak, neophodno je upoznati se sa osnovnim vrstama signala, kao i postupcima konverzije iz jedne vrste signala u drugu.

Generalno, postoje tri osnovne vrste signala: 1. Analogni kontinualan (neprekidan) po vremenu i po amplitudi. Kontinualnost po vremenu znai da

je signal definisan u svakom vremenskom trenutku, dok kontinualnost po amplitudi znai da vrednost amplitude signala moe biti proizvoljan realni broj iz zadatog opsega.

2. Diskretni - diskretan po vremenu i kontinalan po amplitudi. Diskretnost po vremenu znai da je signal definisan samo u odreenim vremenskim trenucima.

3. Digitalni - diskretan po vremenu i po amplitudi. Diskretnost po amplitudi podrazumeva da je amplituda signala zaokruena na neku od dozvoljenih unapred definisanih vrednosti iz opsega, tj da ne moe imati proizvoljnu vrednost iz opsega.

Slika 12

24

4.1.1 Odmeravanje

Konverzija iz analognog u diskretni signal obavlja se postupkom koji se naziva odmeravanje (odabiranje, uzorkovanje). Odmeravanjem se postie diskretizacija signala po vremenu, tj. signal postaje definisan samo u diskretnim vremenskim trenucima (Slika 12).

Matematiki posmatrano diskretni signal se na osnovu polaznog analognog signala dobija mnoenjem analognog signala sa povorkom jedininih Dirakovih impulsa. Kao rezultat se dobija diskretni signal koji u diskretnim vremenskim trenucima ima istu vrednost amplitude kao i analogni signal u tim trenucima.

Da bi bilo mogue rekonstruisati originalni analogni signal iz diskretnog signala (niza odmeraka), frekvencija odmeravanja mora da zadovolji odreeni uslov. Ovaj uslov se naziva Nikvistov kriterijum: Frekvencija odmeravanja mora biti najmanje dvostruko vea od najvie frekvencije signala, da bi bilo mogue rekonstruisati signal. Tako za signal ija je maksimalna frekvencija , minimalna frekvencija odmeravanja mora biti 2.

Za primene u telefoniji, ustanovljena je standardna frekvencija odmeravanja 8kHz, dok je npr. prilikom snimanja audio CD-a bez kompresije frekvencija odmeravanja 44.1 kHz.

4.1.2 Kvantizacija

Konverziju iz diskretnog u digitalni signal obavlja postupak kvantizacije. Kvantizacija se odnosi na amplitudu signala i podrazumeva zaokruivanje vrednosti amplitude signala na neku od dozvoljenih unapred definisanih vrednosti (nivoa kvantizacije) iz opsega. Rastojanje izmeu nivoa kvantizacije naziva se korak kvantizacije, i ukoliko je korak izmeu svih nivoa jednak onda se radi o uniformnoj kvantizaciji (Slika 12).

Dakle, ako elimo da analogni signal konvertujemo u ekvivalentan digitalni oblik, tj. da obavimo analogno/digitalnu (A/D) konverziju, neophodno je izvriti odmeravanje i kvantizaciju signala.

4.2 Digitalizacija monohromatske slike

4.2.1 Odmeravanje 2D signala

Sva prethodna razmatranja odnosila su se na jednodimenzione signale (6), kod kojih se odmeravanje obavlja uzimanjem odmeraka u odreenim vremenskim intervalima. Kod dvodimenzionih signala (kao to je slika), koji se predstavljaju funkcijom dve promenljive (0, ), odmeravanje se vri u diskretnim takama u prostoru. Kod odmeravanja slike, odmerci lee na pravilnoj mrei ili reetki. Slika 13 prikazuje primer pravougaonog 2D odmeravnja. Udaljenosti izmeu susednih odmeraka po x i y predstavljaju periode odmeravanja (H , ). Osim pravougaonog odmeravnja, u praksi se koriste i druge tehnike 2D odmeravanja, kao to su npr. kvinkus i neseparabilno odmeravanje.

25

TyT x

y

x

Slika 13

Treba istai da digitalna kamere (npr. CCD kamera) automatski odmerava, ali ne obavlja kvantizaciju odmeraka. Naime, svaki fotoosetljivi element unutar CCD senzora predstavlja po jedan odmerak signala koji dalje treba kvantizovati da bi se dobio digitalni signal.

4.2.2 Kvantizacija 2D signala

Osim prostornog odmeravanja 2D signala, za formiranje digitalne slike neophodno je obaviti i kvantizaciju amplitude, tj. predstavljanje svakog odmerka odreenim brojem bitova. Digitalna slika koja e se dobiti nakon prostornog odmeravanja i kvantizacije 2D signala, predstavlja se pomou pravougaone matrice elemenata koji se nazivaju pikseli. Pikseli zapravo predstavljaju odmerke slike u prostoru. U cilju pojednostavljenja raunskih operacije, najee se koristi isti broj bita za predstavljanje svih piksela. Pri tome su svi podaci pozitivni, pa nije potrebno korienje bita za znak.

Kod monohromatskih slika (tzv. sivih slika), svaki piksel sadri samo jednu komponentu ija je vrednost proporcionalna sjajnosti. Ako predpostavimo da se za predstavljanje piksela slike koristi bita, ukupan broj kvantizacionih nivoa koji mogu da se koduju je

$ 2J Pri emu ukupan broj bita za memorisanje cele slike dimenzija j , iznosi j $. Ako na primer koristimo = 8 bita za oznaavanje (kvantizaciju) sjajnosti piksela, onda imamo $=2 = 256 nivoa sive. U praksi se esto za ove slike kae da su 8-bitne slike. Pri tome se pikseli najmanje

sjajnosti (crna boja) koduju brojem 0, a pikseli maksimalne sjajnost (bela boja) koduju brojem 255. Tako npr. korienjem ' = 4 bita, moemo predstaviti $ = 2n = 16 nijansi sive, pri emu je u ovoj 4-bitnoj slici potpuno crna boja oznaena intenzitetom 0, dok je potpuno bela boja kodovana kao 15. Vrednost L utie na vizuelni kvalitet slike, pri emu slike predstavljene sa vie bita imaju bolji vizuelni kvalitet. Ovo se moe uoiti na narednom primeru.

Postavlja se pitanje kako izabrati optimalni broj bitova () za predstavljanje piksela. Pre toga treba razumeti mehanizme ljudskog raspoznavanja razliitih nivoa sjajnosti koji utiu na optimalno kodovanje slike.

4.2.2.1 Prag osetljivost ljudskog oka na kontrast (Weberov zakon) S obzirom da digitalna slika predstavlja skup taaka razliitih sjajnosti, od velikog je znaaja poznavanje

osobina vizuelnog sistema koje utiu na sposobnost raspoznavanja razliitih nivoa sjajnosti.

26

Eksperimentalno je ustanovljeno da ljudski oko ne moe razlikovati dva nivoa sjajnosti ako je njihovih relativni odnos manji od priblino 1.02. Ova zakonitost se naziva Weberov zakon i drugim reima se moe iskazati kao: prag osetljivosti ljudskog oka na kontrast iznosti priblino 2%. Eksperiment koji je doveo do formulacije Weberovog zakona meri osetljivost na kontrast koriem testnih uzoraka. Testni uzorak predstavlja sliku koja sadri dve susedne oblasti (polukruga) sa razliitim nivoima sjajnosti. U zavisnosti od meusobnog odnosa ta dva nivoa sjajnosti, posmatra moe uoiti dve oblasti na slici ili samo jedan pun krug (ukoliko su polukrugovi bliskih vrednosti sjajnosti). Napominjemo da se u pojedinoj literaturi sree podatak o pragu osetljivosti od 1% umesto 2% koji smo mi prihvatili.

Slika 14 Test uzorak za odreivanje praga osetljivosti na kontrast

Podsetimo se da Y komponenta u bR]R% sistemu boja nosi informaciju o sjajnosti i zato e u nastavku Y biti korieno kao oznaka sjajnosti piksela. Dakle kod Weberovog test uzorka, jedna oblast je polukrug (sjajnosti Y), dok je druga oblast svetliji polukrug ija sjajnost ima vrednost Y+Y. Vrednost Y se postepeno menja, sve dok posmatra moe uoiti da se na test uzorku radi o dva razliita polukruga. Prag kontrasta predstavlja granicu razlikovanja dve susedne oblasti. Ustanovljeno je da ukoliko je relativna razlika sjajnosti manja od praga kontrasta (~ 2%) neemo razlikovati dva polukruga, a ukoliko je razlika vea, uoiemo dve oblasti sa razliitom sjajnou. Ovo se matematiki formulie Weberovim zakonom na sledei nain: bb 0.02 bZ bYbY 0.02 bZ 1.02bY

4.2.2.2 Nelinarna kvantizacija sjajnosti piksela Uniformna kvantizacija sjajnosti, kod koje se itav opseg sjajnosti deli na jednake kvantizacione korake,

nije prihvatljiva za digitalne slike iz razloga koji e biti opisani u nastavku. Pretpostavimo da za kvantizaciju itavog opsega sjajnosti koristimo uniformne korake, pri emu vrednost (kod) 0 predstavlja najmanju sjajnost (crna), dok 255 predstavlja piksele najvee sjajnosti (bela).

27

Uoavamo da pikseli sjajnosti 50 i 51 imaju relativni odnos sYs+s+ 2%, to zadovoljava Weberov zakon, tj. znai da su ove dve susedne nijanse vizuelno razliite za oveka. Meutim svi kodovi sa vrednostima veim od 50, npr 100, 101, itd... (Y+YY++Y++ = 1%,) imaju relativni odnos sjajnosti manji od 2% i to su susedne nijanse koje su neprimetne za oveka. S druge strane, veina kodova s vrednostima manjim od 50 imaju relativni odnos koji je dosta vei od 2% i kako se intenzitet piksela smanjuje ispod 50, ta razlika e biti sve primetnija. Ove velike razlike relativne sjajnosti stvaraju skokovite prelaze koji bi se manifestovali kao vertikalne trake koje se nazivaju nazivaju banding. Na slici sa proizvoljnom raspodelom sjajnosti piksela to bi se manifestovalo kao pojava kontura na mestima gdje je raspodela sjajnosti inae kontinualna.

Zakljuujemo da prethodno opisana uniformna kvantizacija niije prihvatljiva zbog opisanih nedostataka. Idealna kvanizacija bi trebalo da zadovolji uslov da svi susedni nivoi imaju relativni odnos sjajnosti priblino 2%. Ako predpostavimo da ima ' razliitih nivoa nelinearne kvantizuje sjajnosti kodovanih sa bY, . . . , b, onda za njih treba da vai bZ 1.02bY, b, 1.02bZ, , b 1.02bY,

odakle se moe zakljuiti da je

b 1.02YbY, bbY 1.02Y, Znajui da odnos maksimalne i minimalne sjajnosti predstavlja kontrast slike = b'b1, dobijamo

= 1.02Y ' 1 + loglog1.02)

Takoe, znajui da se optimalni kontrast slike kree u opsegu vrednosti od D = F (TV prijemnik) do D = (bioskop), moemo npr. za vrednost Y = 20 i Z = 80 odrediti 'Y i 'Z , tj. broj razliitih kvantizacionih nivoa potrebnih za kodovanje ovog kontrasta.

28

'Y 1 + log20)log1.02) 152 'Z = 1 + log80log1.02) 222

Oigledno je da ovaj broj razliitih nelinearnih nivoa (od 152 do 222) moemo kodovati sa 8 bita. Zato je izabrano 8b kao optimalna vrednost za kodovanje intenziteta piksela monohromatske slike.

4.3 Digitalizacija slike u boji

Digitalizacija slike u boji se obavlja zasebnom digitalizacijom svih komponenti boje u odreenom prostoru boja. S obzirom da senzori slike (kamere) najee generiu RGB signal, mogue je obaviti digitalizaciju svake od R,G i B komponenti korienjem principa digitalizacije monohromatskih slika. Pri tome se za svaki piksel slike pamte sve tri komponene boje ponaosob. Ako pretpostavimo da se svaka komponenta boje piksel predstavlja sa 8 bita, broj svih moguih nijansi boje je 2 2 2 = 2Zn =16777216. Za ovakve slike se esto kae da su 24 bitne i da imaju priblino 16 miliona boja.

Meutim, ovoliki broj razliitih nijansi boje prevazilazi mogunosti ovekovog vizuelnog sistema, a osim toga zahteva veliku koliinu podataka za memorisanje ili prenos ovakvih slika. Zato se prilikom digitalizacije slike u boji koristi nejednak broj bitova za svaku komponentu boje, kako bi se utedelo na koliini podataka. Pri tome se ne koristi OPQ prostor boja, ve se slika transformie u bR]R% ili b prostor boja. Ovi prostori boja su posebno pogodni za kompresiju slike u boji zato to je najvea koliina informacija sadrana u luminentnoj komponenti (g) koja nosi informaciju o sjajnosti piksela. Hrominentne komponente (R], R% ili , ) koje sadre informacije o boji, pokazuju veliku redundantnost informacija i od manjeg su vizuelnog znaaja za posmatraa. Zato se luminentna komponenta (g) predstavlja veim brojem bitova u odnosu na hrominentne komponente(hih_).

Luminentna komponenta boje se najee predstavlja sa 8 bita, dok se redukovanje koliine podataka za R]^R% obavlja odgovarajuim (pod)odmeravanjem. Pododmeravnje znai da e npr. umesto niza od po tri komponente boje za svaki od 4 susedna piksela bYR]YR%YbZR]ZR%Zb,R],R%,bnR]nR%n biti preneta npr. sledea sekvenca bYR]YR%YbZb,bn.Vrednosti hrominentnih komponenti su prenete samo za prvi piksel, pri emu se podrazumeva da su vredosti ovih komponenti za naredna tri piksela isto tolike. Ovakvo pododmeravanje se u TV standardima oznaava kao 4:1:1. U praksi se najee vre tri vrste odmeravanja hrominentnih komponenti oznaene kao 4:2:2, 4:1:1 i 4:2:0. Znaenje svake cifre u ovim oznakama je sledee:

4 2 0

Odnosi se na Y komponentu i predstavlja referentnu vrednost

Odnosi se na hi i h_ komponente, i odreuje relativnu horizontalnu frekvenciju odmeravanja u odnosu na prvu cifru (U ovom sluaju 2/4).

Ima znaenje samo ako je 0 i onda se odnosi na vertikalnu frekvenciju Cb i Cr koja e biti ista kao i horizontalna.

29

Ako posmatramo komponente Y,Cb i Cr za svaki piksel, odmeravanje 4:2:2 znai da je u Cb i Cr komponentama izvreno odmeravanje po horizontali sa dva puta niom frekvencijom (svaki drugi piksel se odabira).

Prilikom 4:1:1 odmeravanja, vri se samo horizontalno odmeravanje Cb i Cr komponenti sa 4 puta niom frekvencijom.

Odmeravanje 4:2:0 znai da je u Cb i Cr komponentama izvreno odmeravanje po horizontali i po vertikali sa dva puta niom frekvencijom u odnosu na Y. Primeri odmeravanja prikazani su na narednoj slici:

Oznaka Stepen kompresije Y Cb Cr

4:4:4 1

4:2:2

(horizontalno odmeravanje Cb i Cr)

1.5

4:1:1

(horizontalno odmeravanje Cb i Cr)

2

4:2:0

(horizontalno i vertikalno odmeravanje Cb i Cr)

2

Ako predpostavimo da se u svakoj komponenti boje nalazi n piksela, onda se primenom 4:2:0 odmeravanja postie da umesto 3 piksela imamo U Jn U Jn 1.5, to je stepen kompresije RO = ,JY.sJ = 2 (uteda od 50%) uz odreeni gubitak informacija koji nije primetan ljudskom oku. Moe se primetiti da se kod odmeravanja 4:1:1 postie ista uteda informacija od 50%, ali je u ovom sluaju loiji vizelni kvalitet slike (loija aproksimacija). Zato se kod JPEG kompresije slike u boji kao i kod MPEG kompresije uglavnom koristi odmeravanje 4:2:0.

Primer 4. Video signal rezolucije 720x576 piksela i uestanosti frejmova 25Hz odmerava se tehnikom 4:2:2 u YCbCr sistemu boja. Ako se pikseli predstavljaju sa 8b za svaku komponentu boje, odrediti brzinu prenosa (u Mb/s).

Reenje: Ako se koristi 4:2:2 odmeravanje, to znai da se na svakih 4 odmerka Y komponente, uzima 2 odmerka Cb i 2 odmerka Cr komponente boje. Dakle, za Y komponentu se po horizontali uzima svih 720

30

piksela u svakoj liniji, dok se za Cb i Cr komponente odabira 720/2 piksela u svakoj liniji. U svakoj sekundi se prenese 25 frejmova pri emu je bitska brzina (engl. bit rate - BR):

25 720 576 8 U 7202 576 8 U 7202 576 8 = 165.888 j]B Napomena: Iako je po SI standardu 1Kb = 1000b, 1Mb = 1000Kb, u praksi se koristi 1Kb=210=1024b,

1Mb=210 Kb = 1024Kb

31

5 Parametri video signala 5.1.1 Rezolucija slike

Jedna od najvanijih mera kvaliteta slike je rezolucija. Rezolucija digitalne slike predstavlja broj piksela po horizontali i vertikali (npr. 800x600). Na osnovu rezolucije izraunava se ukupan broj piksela slike, koji predstavlja proizvod broja piksela po horizontali i po vertikali, i obino se izraava u megapikselima (Mpx). Na primer, za neki sistem koji ima rezoluciju 1152864, ukupan broj piksela je 1152864=995328, to je priblino milion piksela tj. 1 Mpx.

Postoje brojne standardne rezolucije slike, kojima su pridrueni standardni nazivi, kao npr. HD ( 12800720 ) ili FullHD ( 192001080 ). Error! Reference source not found. prikazuje pojedine standardne rezolucije.

Kod oznaavanja analognih TV sistema, vertikalna rezolucija se esto naziva broj aktivnih linija slike.

5.1.2 Format slike (odnos irin/visina)

Format slike (engl. aspect ratio) predstavlja odnos irine i visine slike. To je neimenovan broj i pie se kao proporcija (npr. 4:3), s tim da je uobiajeno da se proporcija skraivanjem svede na prost razlomak (dakle 4:3, a ne 12:9 ili 16:12).

Standardni formati slike za film i video su dati na Error! Reference source not found.. Televizija standardne standardne rezolucije (engl. Standard Definition Television - SDTV) koristi format slike 4:3. Televizija visoke definicije (engl. High Definition Television - HDTV) koristi format slike 16:9, to se moe dobiti ako se podeli YZ+Y++ ili

YZ+*Z+ . Bioskopski film koristi specifian format slike 1.85:1.

Ako je poznata dijagonala ekrana (-) i format slike (%) mogue je izraunati stvarnu irinu (t) i visinu () prikazane slike

-Z = tZ UZ, % t

32

-Z tZ U|t% }Zt -Z|1 + 1%Z}

Sa aspekta televizije najznaajniji su formati 4:3 i 16:9 (tzv. widescreen format). Format : r = . pp: p ima veu irinu u odnosu na format o: p,i kao takav omoguava prikaz vee koliine informacija u jednom frejmu. Na slici je narandastim kvadratim prikazan deo slike koji je vidljiv u 16:9, a nije vidljiv u 4:3 formatu iste visine.

U praktinim primenama je esto neophodno promeniti format slike zbog prilagoenja dolaznog signala veliini ekrana. Javljaju se dve situacije:

Dolazni signal je formata 16:9 i treba ga ga prikazati na ekranu koji podrava samo 4:3.

Dolazni signal je formata 4:3 i treba ga prikazati na ekranu kome je podrazumevani format 16:9. U ovakvim situacijama se primenjuje nekoliko strategija koje su opisane u nastavku.

16:9 -> 4:3 4:3 -> 16:9

orig

inal

na

slika

33

prik

az o

dsec

anjem

(gubi

se

de

o in

form

acija

)

prik

az be

z o

dsec

anja

(neisk

orien

de

o ek

rana)

(letterbox transformacija)

(pillarbox transformacija)

Koja e strategija konverzije formata biti primenjena zavisi od izbora korisnika. Podrazumevana strategija bi trebalo da se prenosi u okviru samog TV signala, tako da prijemnik automatski obavi podrazumevanu konverziju.

Primer 5. Dolazni signal formata 4:3, prikazuje se na ekranu ije su dimenzije odnosa 16:9. a) Ukoliko se koristi prikaz bez odsecanja, izraunati koliki deo povrine ekrana e biti neiskorien

(procentualno). b) Ukoliko se koristi prikaz sa odsecanjem, izraunati za koliki procenat slike e biti izgubljen.

Reenje:

Ako poznate podatke oznaimo na sledei nain: %I n,, % Y a) Za prikaz bez odsecanja, visine dolaznog i prikazanog signala e biti iste. Dakle visina prikazanog

signala I , dok se irina odreuje iz formata dolazne slike %I tII tI %I

Procenat neiskorienog dela ekrana je:

34

I 1 tI It = 1 tIt = 1 %I t = 1 %I% = 1 43169

= 1 34 = 14 = 0.25 b) Za prikaz sa odsecanjem slika se proiruje tako da joj irina postaje jednaka irini ekrana, tj. tI =t , %I = tII I =

t%I

= I I = 1 t tI I = 1

t t%t I = 1 tI % = 1

%I% = 1 43169

= 1 34 = 14= 0.25

5.1.3 Udaljenost i ugao gledanja

Ako prikaemo belu povrinu na ekranu sa tipinom veliinom piksela, linije slike na ekranu e biti uoljive ukoliko se posmatra nalazi na udaljenosti manjoj od one na kojoj susedne linije slike zahvataju ugao od jedne minute ( ).

Jasno je da rastojanje posmatraa od ekrana zavisi od veliine ekrana. Na osnovu uslova da maksimalni ugao koji zahvata jedan piksel treba da bude , moe se izraunati rastojanje posmatraa od ekrana da ne bi bile uo;ljive linije ekrana.

Primer 6. Odrediti minimalnu udaljenost posmatraa od ekrana (u zavisnosti od dijagonale), ako je rezolucija 1920x1080 u formatu 16:9. Predpostaviti da minimalni vertikalni ugao posmatranja jedne linije iznosi .

Reenje: Za male uglove, kao to je ugao posmatranja jedne linije ({/IJ ), koristi se aproksimacija 6\({/IJ) B^({/IJ) {/IJ. Dakle za vai

35

6\{/IJ 6\ 160 2360 10800 Ovaj ugao se moe izraziti na osnovu visine linije tj. piksela (/IJ) i rastojanja posmatraa (D)

6\({/IJ) = /IJ = /IJ6\({/IJ) =

"6\({/IJ) Gde je vertikalna rezolucija " = 1080. Visina ekrana (h) se izraava na osnovu dijagonale (- ) i formata slike (% ): -Z = tZ + Z -Z =Z(1 + %Z) = :Y["4

= "6\({/IJ) =-

"1 + %Z6\({/IJ) - 10800

1080|1 + 25681 } 1.56-

Dakle, minimalno rastojanje posmatraa od ekrana pri kome nisu uoljive linije je 1.56-. Meutim, u praktinim primenama se, zbog dodatnih ogranienja, kao optimalno rastojanje nejee

koristi pE. 5.2 Uestanost frejmova i poluslika

Niz slika prikazanih dovoljno velikom brzinom moe da stvori iluziju pokreta u slici. Uestanost frejmova se izraava brojem prikazanih frejmova u sekundi (engl. fps) ili u Hz. Tipine vrednosti u TV sistemima su 25 i 30Hz.

5.2.1 Analiza sa proredom i progresivna analiza slike

Ukoliko se prikaz slike u TV sistemima osveavao kompletno novom slikom u odreenim vremenskim intervalima (npr 30 Hz), onda se radi o progresivnoj analizi slike (engl. progressive scanning). Meutim, ustanovljeno je da pri uestanosti frejmova od 25 fps, ljudsko oko moe povremeno uoiti treperenje prilikom osveavanja prikaza ekrana. Da bi se ovo izbeglo, pogotovo kod starijih TV sistema sa ogranienim propusnim opsegom kanala, koristi se specifina tehnika prikaza slike koja se naziva analiza slike sa proredom (engl. interlaced scanning). Kod analize sa proredom, slika se formira na osnovu dve slike (poluslike, polja), pri emu jedna poluslika sadri samo neparne linije frejma, a druga samo parne linije frejma. Osveavanje slike na ekranu se vri tako to se u diskretnim vremenskim trenucima osveava samo jedna poluslika. Pri emu se u jednom vremenskom trenutku osvei neparna poluslika (neparne linije), a u narednom parna poluslika (parne linije). Praktino, mogue je sa istim propusnim opsegom preneti dva puta vie poluslika u odnosu na broj frejmova, i na taj nain izvriti dva puta ee osveavanje ekrana. Na ovaj nain ljudsko oko nee uoiti treperenje. Kod analize sa proredom, umesto uestanosti frejmova, koristi se informacija o uestanost poluslika (engl. field rate) koja je dvostruko vea od stvarne uestanosti frejmova. Tako uestanost poluslika 50Hz znai da je uestanost frejmova 25Hz.Razlog za uvoenje analize sa proredom leao je u ogranienosti prvih analognih sistema za prenos TV signala, jer je propusni opseg signala kod analize sa proredom je

36

dvostruko manji u odnosu na progresivnu analizu. Ovo je direktno zailo znatno niu cenu ovakvih sistema. http://www.dvmp.co.uk/digital-video.htm

5.3 Oznaavanje video sistema

Video sistemi se najee oznaavaju sa tri parametra:

Rezolucija pri emu se navodi samo vertikalna rezolucija (tj. broj aktivnih linija), dok se horizontalna podrazumeva na osnovu poznavanja standarda i formata. Tako npr. za rezoluciju 1280x720 navodi se samo 720.

Vrsta analize slike (tj. skeniranja). Pri emu se analiza sa proredom oznaava slovom i (interlaced), dok se progresivna analiza oznaava slovom p.

Uestanost frejmova. Predstavlja broj frejmova u sekundi, pri emu se u pojedinim starim sistemima oznaavanja, za analizu sa proredom zapisuje broj poluslika, tj udvostrueni broj frejmova. Mi emo smatrati da je u svim notacijama prikazana stvarna uestanost frejmova a ne poluslika.

Prethodna tri parametra se zapisuju kao 720p30 ili npr. 576i25

5.4 Klasifikacija video sistema

Klasifikacija video sistema moe se izvriti sa vie razliitih aspekata.

5.4.1 SDTV i HDTV

Sa aspekta definicije slike, video sisteme moemo klasifikovati na SDTV Televizija standardne definicije (engl. Standard Definition TV) i HDTV- Televizija visoke definicije (engl. High Definition TV). Granica izmeu ove dve kategorije nije precizno definisana, ali se moe rei da se HDTV smatra video signal ija je vertikalna rezolucija vea od 720 piksela i iji je format slike 16:9. Kod SDTV video sistema broj linija

37

slike je manji od 720, a format iznosi 4:3. S obzirom da je primarna razlika u reoluciji, esto se koristi i termini Televizija standardne/visoke rezolucije.

5.4.2 Analogni i digitalni video sistemi

Sa aspekta vrste signala prilikom prenosa, sve sisteme moemo klasifikovati na analogne i digitalne. Analogni video sistemi sliku i zvuk pretvaraju u analogni elektrini signal koji se dalje utiskuje u signal nosilac (modulacija) i na taj nain prenosi do krajnjeg korisnika. Digitalni video sistemi sliku i zvuk pretvaraju u binarni niz podataka, i dalji prenos se odvija u skladu sa principima prenosa digitalnih podataka. Pri tome digitalni video sistemi imaju mogunost kompresije podataka. Odmah treba istai da se HDTV i SDTV signali teorisjki mogu prenositi i analogno i digitalno, mada je HDTV pojam koji se uglavnom vezuje za digitalnu televiziju.

38

6 Analogni i digitalni prenos TV signala

6.1 Tehnike prenosa TV signala

TV signal se formira u televizijskom studiju, gde se zatim obrauje, sinhronizuje sa zvukom i ostalim podacima i alje do predajnika. Prenos TV signal od predajnika do krajnjih korisnika moe se obaviti primenom razliitih prenosnih tehnologija:

Zemaljske radio veze. Emitovanje putem zemaljske mree predajnika i prenos do prijemnih antena. Koristi se UHF i VHF opseg frekvencija gde su frekvencije reda MHz.

Digitalne satelitske veze. Putem predajne satelitske stanice signal se alje do geostacionarnog satelita. Na satelitu se nalaze posebni primopredajnici relativno male snage, koji se nazivaju transponderi.

Kablovska TV mrea. Signal se do odreenog mesta prenosi satelitskim putem, odakle se dalje distribuira kablovskom mreom do korisnika.

Paketske/elijske veze (Internet). Odnosi se samo na digitalnu TV, pri emu se koristi Internet Protokol za prenos digitalnog TV signal (IPTV).

Mikrotalasne veze (wireless, mobile). Odnosi se samo na digitalnu TV.

Za prenos TV signala se koriste signali visokih frekvencija (VF), jer niskofrekvencijski signali slike i tona (NF) nemaju neophodne osobine prostiranja kao signali visoke frekvencije. Zbog toga se u postupku prenosa poruke, VF signal koristi za 'ispomo' na nain da se NF signal poruke modulacijom 'utiskuje' u VF signal. Dakle, VF signal slui NF signalu kao nosilac informacija. Prema meunarodnim preporukama dogovoreni su visokofrekvencijski rasponi i raspored pojedinih kanala (noseih signala) koji se koriste u TV sistemima. Prema meunarodnom dogovoru, u skladu s frekvencijom visokofrekventnog signala slike izvrena je raspodela frekvencijskog podruja u odseke od priblino 8 MHz (kanale) i pridrueni su im redni brojevi (kanal 1, 2, 3, 4, ...).

39

6.2 Raspodela frekvencijskih opsega uSrbiji

Dokument pod nazivom "Plan namene radio-frekvencijskih opsega", usvojen u Beogradu, 2004., utvruje osnovne kriterijume za raspodelu i uslove za korienja frekvencijskih opsega, kao i konkretnu namenu frekvencijskih opsega po radio slubama i delatnostima. U izradi ovog Plana uzeta su u obzir zvanina meunarodna dokumenta relevantnih organizacija ITU (International Telecommunication Union) i CEPT (Conference of Postal and Telecommunications Administrations). Ovaj document predvia da su za TV radiodifuzne stanice namenjeni sledei frekvencijski opsezi:

1. 47 - 68 MHz (VHF, I opseg), sadri 3 frekvencijska kanala irine 7 MHz, i to od 2. do 4.-og 2. 174 - 230 MHz (VHF, III opseg), sadri 8 kanala irine 8 MHz, i to od 5 do 12-og 3. 470 - 862 MHz (UHF, IV/V opseg), sadri 49 kanala irine 8MHz, i to od 21 do 69-og

Treba odmah istai da se kod analogne televizije, jednim frekvencijskim kanalom () moe prenostiti jedan TV program, dok se kod digitalne televizije jednim kanalom moe preneti i do 20 TV programa (u SDTV). Ovo je posledica kompresije kod digitalne TV, koja postie znaajnu utedu informacija.

Kanali iz pomenuth opsega mogu se koristiti pod sledeim uslovima:

- Televizijski kanali koriste vrstu emisije za sliku C3E, a za ton F3E ili F8E, - irina potrebnog opsega je 6.25 MHz, - Pomeraj frekvencije predajnika (offset) prema preporuci ITU - Snaga, frekvencija, kao i drugi parametri svake radio stanice utvreni su u Planu raspodele.

Plan raspodele sadri detaljan tabelarni prikaz parametara za TV radiodifuzne stanice po rastuem nizu kanala. 1. ifra; 2. Dodeljeni kanal; 3. Naziv lokacije predajne radiodifuzne stanice; 4. Geografske koordinate predajne antene; 5. Nadmorska visina lokacije predajne antene, u metrima; 6. Visina centra zraeeg elementa predajne antene iznad tla, u metrima; 7. Polarizacija: H horizontalna ili V - vertikalna; 8. Ukupna efektivna izraena snaga, u kW; 9. Azimut maksimalnog zraenja, u stepenima.

6.3 Analogni video signali

Prvi standardizovani sistem za prenos analognog TV signala u boji usvojen je 1953. godine u SAD, od strane organizacije NTSC (National Television Systems Committee). I pored prednosti koje je NTSC standard doneo, ubrzo su se pokazali odreeni nedostaci. Naime, NTSC sistem je veoma osetljiv na fazne greke koje se manifestuju kao promena vrste boje na prijemniku. S obzirom da u Evropi televizija u boji jo uvek nije bila uvedena, traena su reenja za eliminasanje ovih

40

nedostataka. Tako su poetkom 60-tih godina 20. veka razvijena dva nova sistema koji nisu bili osetljivi na fazne greke. U Nemakoj je razvijen PAL (Phase Alternation Line), a u Francuskoj SECAM (SEquentiel Couleur Avec Memoire), koji se pored NTSC sistema prihvaeni kao meunarodni standardi. U naoj zemlji je prihvaen PAL sistem.

NTSC PAL Broj linija 525 625 Rezolucija 640x480 768x576 Uestanost slike/poluslike 30/60 25/50 Format slike 4:3 4:3

6.4 Nekompresovani digitalni video signal

Prvi digitalni video signali su bili nekompresovani i korieni su neko vreme u televizijskim studijima. Meunarodni standard, oznaen kao ITU - BT.R601, definie formiranje nekompresovanog digitalnog video signala na osnovu analognog komponentnog video signal sa kamere. Komponentni video signal se sastoji od tri analogna signala (komponente): O, P^Q . Ovi signali se prvo konvertuju u bR]R% prostor boja, jednostavnim postupkom:

b 0.30O U 0.59P U 0.11Q; R 0.56Q b; R% 0.71(O b);

Nakon toga, obavlja se A/D konverzija kroz postupke odmeravanja i kvantizacije signala. Pre odmeravanja signal se proputa kroz niskofrekvencijski filtar (Slika 15).

Slika 15 Digitalizacija komponentnog RGB signala

Podsetimo se da Y predstavlja luminentnu komponentu (sjajnost), dok su Cb i Cr hrominentne komponente signala (boja). Ovaj prostor boja je pogodan za predstavljanje video signala jer je najvei deo informacija o slici sadran u luminentnoj komponenti (Y) tj. ljudsko oko je najosetljivije na promenu ove komponente. Hrominentne komponente, pokazuju veliku redundantnost informacija, tj. od manjeg su vizuelnog znaaja za posmatraa. Zato e se Y komponenta odmeravati duplo veom frekvencijom u odnosu

41

na Cb i Cr. Dakle Y komponenta e se odmeravati frekvencijom p. , dok e Cb i Cr komponente biti odmeravane sa 13.5/2 = 6.75j. Imajui u vidu da je frekvencija odmeravanja Y komponente dva puta vea od Cb i Cr, kompletan YCbCr signal e u cilju prenosa biti multipleksiran u redosledu: hi,g, h_, g, hi, g, h_,... Opisani postupak odmeravanja video signala, kod koga je frekvencija odmeravanja Y komponente dva puta vea u odnosu na Cb i Cr, oznaava se kao 4:2:2 odmeravanje. Originalni YCbCr signal, pre odmeravanja se oznaava kao 4:4:4.

U konkretnom primeru kvantizacija je obavljena korienjem 10 bita po odmerku, tj. 2Y+ = 1024 kvantizacionih nivo. Ovaj standard nudi i opciju za kvantizaciju sa 8 bita po odmerku (256 nivoa).

Na osnovu prethodnog, moe se izraunati brzina protoka (bitska brzina) nekompresovanog digitalnog video signala po ITU - BT.R601 standardu. Brzina protoka se izraava brojem bita u sekundi i najee se predstavlja u Mb/s ili Kb/s. U konkretnom sluaju:

QO = "IG "IG "IG:"G ":"GG "IG:"G 10] 13.5 + 10] 6.75 + 10] 6.75 = 10] 27j = 270 Brzina prenosa od 270 prihvatljiva je za distribucija unutar televizijskog studiju, ali isuvie visoka za

TV prenos korienjem postojeih komunikacionih kanala (zemaljski , satelitski ili kablovski). Ovo je bio razlog za uvoenje kompresije. Nekompresovani video signal formiran po ITU-BT.R601 standardu, se dalje kompresuje primenom MPEG strandarda i prenosi do korisnika.

42

7 Digitalna televizija (DTV)

Digitalna televizija (DTV) obavlja prenos audio/video zapisa i dodatnih informacija u digitalnom format. Pionir u razvoju tehnologije digitalne televizije je japanska dravna institucija NHK (Japan Broadcasting Corporation) koja se time bavi jo od sedamdesetih godina 20-og veka. Prva demonstracija digitalnog TV prenosa obavljena je 1995 godine. U Evropi je do juna 2015. godine planiran potpun prelazak sa analognog na digitalno emitovanje TV programa i prelazak na format 16:9.

7.1 Prednosti DTV u odnosu na analognu televiziju

Kompresija - Digitalni signal koji se prenosi je binarno kodovan pa se sadraj moe znaajno kompresovati. Ovo omoguava da se emituju i po deset digitalnih kanala umesto jednog analognog u jednom frekvencijskom kanalu.

Vei kvalitet slike i zvuka - Digitalni prenos obezbeuje bolji kvalitet slike/zvuka, koji u toku prenosa ne mogu biti ometani interferencijom sa drugim signalima, bez obzira na udaljenost mesta na koje se slika i zvuk prenose. Slika i zvuk koju digitalni signal nosi su isti kao i na izvoru emitovanja, sve dok signal ne postane toliko slab da prijem vie nije mogu.

Nove vrste usluga - DTV omoguava uvoenje novih usluga kao to su: izbor jezika za prevod , interaktivne multimedijalni sadraje, video na zahtev (VOD), itd. Ovo je znaajno za operatere, jer imaju mogunost naplaivanja dodatnih usluga.

7.2 Nedostaci DTV

Dodatna infrastruktura Sa aspekta emitera postojea analogna TV infrastruktura se ne moe koristiti, to podrazumeva dodatne trokove za kreiranje infrastructure. Sa aspekta korisnika, analogni TV prijemnici se mogu iskoristiti samo uz upotrebu dodatnih DTV prijemnih ureaja (tzv. Set Top Box).

Degradacija slike usled kompresije - Digitalna slika poseduje odrena oteenja usled kompresije i ogranienja propusnog opsega. Npr: uoavaju se ivice na blokovima slike usled kompresije (blocking efekat), prelivanje boja na ivicama objekata, itd.

Sporiji odziv - Menjanje kanala kod DTV je znatno sporije nego kod analogne televizije. Ovo je posledica potrebe privremenog nagomilavanja (baferovanja) izvesnog broja frejmova pre nego to zapone dekodovanje na prijemniku. Iz istog razloga reprodukcija programa kasni u poreenju sa analognom televizijom.

Gubitak prijema - u sluaju loeg prijema signala, kvalitet slike i zvuka se ne degradira postepeno, ve prijem u potpunosti prestaje. Naravno, prag za prestanak signala je dosta veliki.

7.3 Standardi za kompresiju DTV

Za kompresiju signala u digitalnoj televiziji koriste se MPEG-2 i MPEG-4 standardi kompresije koji definiu algoritme za kodovanje i dekodovanje audio/video podataka. Poslednjih godina, pojavom HDTV, sve vie se koristi H.264/MPEG-4 AVC standard.

Za kompresiju digitalnog audio signala najee se koristi MPEG-2 Audio Layer III poznatiji kao MP3.

43

7.4 Prenos DTV signala

Nakon kompresije video signala, ovi podaci se koduju i prenose korienjem paketski orijentisanih protokola u kombinaciji sa odgovarajuim mehanizmima za detekciju i obradu greaka. Da bi se na prijemnoj strani mogli povezati u celine kao i da bi se obezbedila odgovarajua sinhronizacija audio i video podataka, moraju se prenositi i dodatni podaci. Ovako kompleksna struktura prenosa podataka zahteva postojanje posebnog transportnog protokola koji se dodatno definie odgovarajuim DTV standardom (standardom digitalne televizije).

Tipian MPEG-2 sistem za prenos obuhvata nekoliko koraka koji su prikazani na narednoj slici. Nakon kompresije, nad elementarnim strimovima se prvo obavlja paketizacija i multipleksiranje u cilju efikasnijeg prenosa. Za ovu namenu MPEG-2 definie mehanizam za kombinovanje MPEG kompresovanih video, audio signala i dodatnih podataka u tzv. transportne strimove. Ovo dalje omoguuje kombinovanje veeg broj transportnih strimova razliitih TV programa u jedinstveni MPEG-2 transportni strim, koji se kanalnim koderom pretvara u oblik pogodan za prenos preko kanala primenom neke vrste modulacije. Modulisani signal se prenosi putem komunikacionog kanala, korienjem zemaljske, satelitske ili kablovske mree.

Slika 16 MPEG-2 sistem za prenos digitalnih multimedijalnih signala Video signal, nakon MPEG-2 kompresije, ima bitsku brzinu od priblino 2-7 Mb/s. Audio signali se

kompresuje na priblino 192 Kb/s. Na osnovu kompresovanih video signala formira se elementarni video strim (tok, niz). Zasebno se formiraju elementarni video strim, audio strim i strim optih podataka koji moe sadrati bilo koji tip podataka.

Nad beskonanim elementarnim strimovima se prvo obavlja paketizacija u cilju efikasnijeg prenosa. MPEG-2 standard vri paketizaciju u dva koraka. U prvom koraku se elementarni strimovi (audio, video, opti) dele na pakete promenljive duine. Elementarni strimovi podeljeni na pakete nazivaju se paketizovani elementarni strimovi (PES). PES paketi su promenljive duine, pri emu je maksimalna duina paketa 64KB + 6B, i sastoji se od zaglavlja (engl. header) duine 6B i dela sa podacima (engl. payload) duine 64KB.

U MPEG-1 standardu, PES paketi medijumu. Maksimalna bitska brzina je iznosila oko 1.5 Mb/s, pri audio strimove. U MPEG-2, cilj je bio objediniti dozajedniki multipleksirani MPEG -2 strim. Ovakav signal bi se potom prenosio putemzemaljske veze za prenos. Postojei paketa (< 64KB), nije pogodan za emitovanje vesignalu. Da bi se ovo postiglo, predugi PESduine. Dakle, od elementarnih PES paketaduine 188 bajtova koji se potom multipleksiraju formirajustrim se dalje modulie i prenosi.

7.4.1 DTV standardi

Dva najvanija DTV standarda su:

DVB (Digital Video Broadcasti270 instucija i kompanija. Ovi standardni se

ATSC (Advanced Television Systems Committee) standardi se primenjuju u digitalnom TVzemaljskim putem u SAD, Kanadi,

7.4.2 DVB standardi

DVB standard koristi MPEG-2 iAAC za audio kompresiju. Ovaj standard prua vza tip podataka koji se moe prenositi. Npr. jmoe se koristiti za emitovanje razli

4-8 SDTV kanala (zavisno od vrste i kvaliteta programa) 2 HDTV kanala 150 radio programa 550 ISDN kanala podataka na 64 kbps Bilo koje kombinacije usluga do maksimalnog kapaciteta transpondera

1 standardu, PES paketi su jednostavno multipleksiralni i skladitenimedijumu. Maksimalna bitska brzina je iznosila oko 1.5 Mb/s, pri emu konani strim obuhvata samo

2, cilj je bio objediniti do 10, pa ak i 20 nezavisnih TV ili radio programa u jedan 2 strim. Ovakav signal bi se potom prenosio putemi paketizovani elementarni strim (PES), koja ima r

64KB), nije pogodan za emitovanje veeg broja digitalnih TV programa u jednom multipleksiranom Da bi se ovo postiglo, predugi PES-paketi se moraju dodatno podeliti na manje pakete kons

od elementarnih PES paketa promenljive duine, formiraju se krai transportni paketikoji se potom multipleksiraju formirajui MPEG-2 transportni strim

Dva najvanija DTV standarda su:

(Digital Video Broadcasting) grupa standarda koja je definisan od strane konzorcijuma od preko . Ovi standardni se dominantno koriste u Evropi ali i u

(Advanced Television Systems Committee) standardi se primenjuju u digitalnom TVemaljskim putem u SAD, Kanadi, Junoj Koreji, itd.

2 ili MPEG-4 AVC standarde za video kompresijuOvaj standard prua visok stepen fleksibilnosti, tj. ne name

prenositi. Npr. jedan satelitski DVB transponder propusnog opsega 38Mbps a emitovanje razliitih skupova usluga:

V kanala (zavisno od vrste i kvaliteta programa)

550 ISDN kanala podataka na 64 kbps Bilo koje kombinacije usluga do maksimalnog kapaciteta transpondera

44

su jednostavno multipleksiralni i skladiteni na memorijskom ni strim obuhvata samo video i

ak i 20 nezavisnih TV ili radio programa u jedan 2 strim. Ovakav signal bi se potom prenosio putem satelitske, kablovske ili

ntarni strim (PES), koja ima relativno veliku duinu eg broja digitalnih TV programa u jednom multipleksiranom

paketi se moraju dodatno podeliti na manje pakete konstantne i transportni paketi fiksne

2 transportni strim (TS). Transportni

rupa standarda koja je definisan od strane konzorcijuma od preko koriste u Evropi ali i u ostatku sveta.

(Advanced Television Systems Committee) standardi se primenjuju u digitalnom TV prenosu

4 AVC standarde za video kompresiju, kao i MPEG-2, AC3 i ne namee stroga ogranienja

edan satelitski DVB transponder propusnog opsega 38Mbps

45

Za veinu tehnika prenosa postoje standardi (dokumenti) koji definiu njihovu primenu u prenosu digitalne TV. Najvaniji su obuhvaeni DVB standardima:

DVB Terrestrial (DVB-T) definie zemaljski DTV prenos putem UHF/VHF DVB Satellite (DVB-S) definie satelitski prenos DTV DVB Cable (DVB-C) definie DTV prenos putem digitalne kablovske mree DVB Handheld (DVB-H) DTV za prenosne ureaje kao to su mobilni telefoni

Meunarodna obaveza Srbije je prelazak na digitalno emitovanje televizije do juna 2015. godine. Usvojeni su DVB standardi, pri emu je za zemaljski prenos odabran je DVB-T2 standard koji podrazumeva MPEG-4 AVC standardom za kompresiju. DVB-T2 je druga generacija DVB standarda, koja prua veu iskorienost frekvencijskih kanala, kroz MPEG4 kompresiju i poboljane tehnike modulacije. Veina zemalja prelazi sa DVB-T na DVB-T2. Trenutno nekoliko domaih televizija emituje DVB-T2 signal (npr. RTS) a kablovski operateri su zapoeli sa emitovanjem DVB-C signala.

46

8 Prikaz video signala (displeji)

8.1 Monitori sa katodnom cevi (CRT)

Katodna cev, ili CRT (engl. cathode-ray tube) upotrebljena je u prvim televizorima 1950-ih godina. Kod ove vrste monitora povrina ekrana (prednji deo katodne cevi) je prekrivena fosfornim takama. Na zadnjem kraju katodne cevi nalazi se elektronski top (tanije tri topa za crvenu, plavu i zelenu boju) koji alje snop elektrona u pravcu pojedinih taaka. U zavisnosti od intenziteta zraka, dobija se svetlija ili tamnija taka odreene boje na ekranu. Kombinovanjem svetlosti crvene, zelene i plave boje (RGB) dobija se bilo koja eljena boja. Snop elektrona se usmerava elektromagnetima promenljive jaine koji se nalaze na bonim strana katodne cevi (zbog toga dolazi do poremeaja boje slike kada se magnet priblii televizoru). Veina monitora za raunare koristi okrugle estice fosfora i rasporeuje ih u trougaone formacije koje se nazivaju "trijade".

Glavni nedostaci CRT monitora su:

velike dimenzije, potronja elektrine energije, zraenje i nesavrena geometrija slike.

8.1.1 Model katodne cevi

Katodna cev je zapeaena staklena komora (Slika 17), bez vazduha u svojoj unutranjosti. Ona poinje uskim valjkastim delom koji se konusno se iri, sve dok ne oblikuje iroku osnovu - ekran. Ekran monitora je sa unutranje strane pokriven matricom od vie hiljada malih fosfornih taaka.

Fosfor je hemijski element koji emituju svetlost kada su pobudi mlazom elektrona, pri emu razliite vrste fosfora emituju svetlost razliitih boja. Svaka taka se sastoji od tri estice obojenog fosfora: jedne crvene, jedne zelene i jedne plave. Ove grupe od po tri fosforna elementa ine osnovni element slike koji se naziva jedan piksel (engl. pixel - picture element).

Slika 17 Model katodne cevi

47

U valjkastom delu katodne cevi nalazi se elektronski top koji se sastoji od katode i anoda za ubrzanje i fokusiranje elektrona. Monitori u boji imaju tri razdvojena elektronska topa, po jedan za svaku boju fosfora.

Slika nastaje kada se elektroni iz elektronskog topa usmeravaju da bi udarili u odgovarajue fosforne estice, koje onda zasvetle odreenim intenzitetom. Elektronski top zrai elektrone kada se katoda dovoljno zagreje da pone da oslobaa elektrone, koji se zatim usredsreuju (fokusiraju) u tanak elektronski mlaz i privlae ka esticama fosfora pomou snane, pozitivno naelektrisane anode.

Elektronski mlaz se pomera po ekranu pomou magnetnog polja stvorenog u okviru magnetnog otklonskog sistema. Mlaz polazi od gornjeg levog ugla ekrana i pali se i gasi kako se kree