Л 1.2 - Введение ОТВ

1.

Основы телевидения
и видеотехники
Передающее звено – кодер.
Задачи:
Преобразовать информацию к виду,
доступному для передачи по каналу
связи.
Согласовать информационный поток
с пропускной способностью канала
связи.

2.

Основы телевидения и видеотехники
Приступая к изучению новой дисциплины
необходимо найти ответы на следующие вопросы:
Что является объектом изучения в дисциплине?
Чем отличается объект изучения от родственных объектов настолько, что требует
организации отдельной дисциплины?
Почему в названии нашей дисциплины объединены две области изучения: телевидения и
видеотехника? Что в них общего и в чем специфика каждой?
Какие технические приемы и средства используются, чтобы реализовать требования,
предъявляемые к объекту изучения?
С поиска ответов
на эти вопросы
и начнем

3.

Основы телевидения и видеотехники
Что является объектом изучения в дисциплине?
В нашей дисциплине Вы будете изучать телевизионные и видеотехнические системы,
являющиеся
частным
случаем
информационной
системы.
Что является
объектом
изучения
в дисциплине?
Поэтому вначале рассмотрим
информационную систему.

4.

Основы телевидения и видеотехники
Задачей информационной системы является доставка информации об источнике
информации (ИИ) по тракту передачи пользователю.
В самом общем виде информационная система включает:
– ИИ, генерирующий информацию;
– тракт передачи, передающий информацию;
– пользователя, воспринимающего информацию.
Источник
информации
Тракт
передачи
Пользователь
В общем случае возможности ИИ по генерации информационного потока, тракта
передачи по передаче полученного потока пользователю и пользователя по восприятию
этого потока могут не совпадать.
Поэтому при проектировании таких систем необходимо учитывать:
– возможность генерации ИИ информационного потока: размах сигнала, темп его
генерации, вид информационного агента, генерируемого сценой;
– возможность тракта передачи по передаче полученной от сцены информации;
– необходимость и возможность приема и анализа переданной информации пользователем.

5.

Основы телевидения и видеотехники
Информационный подход
Для дальнейшего рассмотрения необходимо определить понятие "информация".
К. Шенон с позиции теории связи рассматривал информацию как снижение
неопределенности (энтропии) ожидаемого сообщения в результате его приема. С этой
точки зрения для дискретного передаваемого сигнала информация определяется как:
N
I pi log pi ,
i 1
где i – номер сообщения в алфавите; N – количество возможных сообщений (объем
алфавита); pi – вероятность i-го сообщения.

6.

Основы телевидения и видеотехники
Информационный подход
Таким образом, информация не является признаком источника, она имеет место только
если в результате приема сообщения у пользователя изменяется неопределенность
(энтропия) данных об объекте.
Рассматривая эту задачу, А. Н. Колмогоров сформулировал онтологические свойства
информации. Информация должна быть:
адекватной – отражать действительное состояние ИИ;
актуальной – отражать текущее состояние ИИ;
доступной – воспринимаемой пользователем;
полезной – обеспечивающей выполнение задачи, стоящей перед пользователем.
В рамках этого подхода сообщение, содержание которого пользователь не в состоянии понять
или которое не способствует решению стоящей перед ним задачи, не содержит информации.

7.

Основы телевидения и видеотехники
Информационный подход
Формализовать эту постановку можно следующим образом.
Пусть имеем алфавит сообщений об ИИ объема N, сообщения в котором
индексируются переменной n 1, N и передаются с вероятностями pn .
Пусть у пользователя имеется алфавит априорных данных об ИИ (гипотеза) объема M,
элементы в котором индексируются переменной m 1, M .
В общем случае m n.
Если до приема n-го сообщения у пользователя имелась энтропия относительно m-го
элемента алфавита, обозначаемая H m , а после приема сообщения она стала равной H m n ,
то полученную в результате приема информацию можно определить как
I n, m H m H m n .
Заметим, что если в результате приема n-го сообщения энтропия в m-м элементе
алфавита не изменилась, то H m n , H m и I m 0, что в соответствии с подходом
Колмогорова трактуется как отсутствие в n-м сообщении полезной информации в
отношении m-го элемента алфавита гипотез.

8.

Основы телевидения и видеотехники
Информационный подход
Формализовать эту постановку можно следующим образом.
Пусть имеем алфавит сообщений об ИИ объема N, сообщения в котором
индексируются переменной n 1, N и передаются с вероятностями pn .
Пусть у пользователя имеется алфавит априорных данных об ИИ (гипотеза) объема M,
элементы в котором индексируются переменной m 1, M .
В общем случае m n.
Если до приема n-го сообщения у пользователя имелась энтропия относительно m-го
элемента алфавита, обозначаемая H m , а после приема сообщения она стала равной H m n ,
то полученную в результате приема информацию можно определить как
I n, m H m H m n .
Кроме того, определенная таким образом информация может быть как положительной,
так и отрицательной.
Положительная информация свидетельствует о снижении энтропии у пользователя по
отношению к ИИ. Таким образом, положительная информация свидетельствует о
справедливости гипотезы пользователя по отношению к ИИ.

9.

Основы телевидения и видеотехники
Информационный подход
Пусть имеем алфавит сообщений об ИИ объема N , сообщения в котором
индексируются переменной n 1, N и передаются с вероятностями pn .
Пусть у пользователя имеется алфавит априорных данных об ИИ (гипотеза) объема M
, элементы в котором индексируются переменной m 1, M .
В общем случае m n.
I n, m H m H m n .
Кроме того, определенная таким образом информация может быть как положительной,
так и отрицательной.
Отрицательная информация свидетельствует о возрастании энтропии у пользователя по
отношению к ИИ в результате приема сообщения, т. е. о противоречии между гипотезой и
полученным сообщением.
Это может происходить по двум причинам:
1. Гипотеза пользователя противоречит полученной в сообщении информации и
нуждается в корректировке.
2. ИИ передает в сообщении ложную информацию (генерация ложной информации
рассмотрена далее).
В рамках информационного подхода разделить эти ситуации невозможно.

10.

Основы телевидения и видеотехники
Информационный подход
Пусть имеем алфавит сообщений об ИИ объема N , сообщения в котором
индексируются переменной n 1, N и передаются с вероятностями pn .
Пусть у пользователя имеется алфавит априорных данных об объекте (гипотеза)
объема M , элементы в котором индексируются переменной m 1, M .
В общем случае m n.
Полная информация, полученная пользователем при приеме n-го сообщения,
определяется как
I n I n,m H m H m n .
m
m
Средняя информация относительно m-го элемента гипотезы, передаваемая объектом
пользователю, определяется как
I m pn I n,m pn H m H m n .
n
n
Средняя информация, передаваемая ИИ пользователю, определяется как
I pn I n,m pn H m H m n .
n m
n m

11.

Основы телевидения и видеотехники
Информационный подход
Термин "средняя" в двух последних определениях информации связан с тем, что по
Колмогорову наличие информации подразумевает ее восприятие пользователем.
Восприятие информации отражается в гипотезе, используемой пользователем, изменяя
значения априорных вероятностей элементов гипотезы после приема каждого сообщения.
В результате количество принимаемой от ИИ информации зависит не только от набора
сообщений и априорной гипотезы, но и от последовательности прихода сообщений.
К моменту прихода каждого очередного сообщения актуальная информация
пользователя (и, как следствие, воспринимаемая полезная информация) зависит от ранее
принятых сообщений. В силу этого пользователь может рассматриваться как система с
адаптацией.
Более того, можно ставить вопрос о передаче пользователем по обратному каналу
тракту передачи инструкции об отборе интересующей пользователя информации и,
возможно, ИИ – инструкции о генерации такой информации.
В таком случае адаптивной становится информационная система в целом.

12.

Основы телевидения и видеотехники
Продолжаем рассмотрение структуры
информационной системы
В общем случае возможности ИИ по генерации информационного потока, тракта
передачи по передаче полученного потока пользователю и пользователя по восприятию
этого потока могут не совпадать.
Поэтому тракт передачи должен последовательно решить следующие задачи:
– принять информацию в виде, поступающем от ИИ;
– преобразовать ее к виду, оптимальному для передачи;
– передать информацию пользователю;
– предъявить переданную информацию в виде, воспринимаемом пользователем.
В результате модель информационной системы имеет следующий вид

13.

Основы телевидения и видеотехники
Модель информационной системы
Канал
связи
Кодеры
ИИ
Декодеры
Тракт передачи
Задачи
Отобрать информацию,
полезную для пользователя.
Преобразовать информацию к виду,
доступному для передачи по каналу связи.
Согласовать информационный поток
с пропускной способностью канала связи.
Ввести противошумовое и противопомеховое
кодирование.
Решается
кодером
источника
Решается
кодером
канала
КИ
КК
Пользователь

14.

Основы телевидения и видеотехники
Модель информационной системы
ИИ
КИ
КК
Канал
связи
Декодеры
Тракт передачи
Канал связи.
Задачи:
Передать информацию,
поступившую от кодера канала,
на вход декодеров.
Пользователь

15.

Основы телевидения и видеотехники
Модель информационной системы
Объект
интереса
КИ
КК
Канал
связи
Декодеры
Пользователь
Тракт передачи
ДК
ДП
Решается
декодером
канала
Решается
декодером
пользователя
Задачи:
Восстановить потери и искажения
информации, возникшие при передаче
по каналу связи.
Преобразовать информацию
к виду, доступному для восприятия
пользователем.

16.

Основы телевидения и видеотехники
Из рассмотрения структуры информационной системы следует, что одной из
функций кодирования является согласование возможностей ИИ по генерации
информации с возможностями канала связи по ее передаче, выполняемая кодером
источника, а одной из функций декодирования – согласование возможностей
канала с требованиями пользователя по ее восприятию.
В радиосистемах и видеосистемах используются каналы связи, в которых
значения сигнала зависят от одной независимой переменной – времени.
Из этого следует, что качественным различием систем может служить
размерность генерируемого ИИ или/и воспринимаемого пользователем сигнала:
– если эта размерность равна единице, задачи преобразования размерности
информации не возникает;
– если же эта размерность превышает единицу, в задачи кодера и декодера входят
преобразования размерности.
Рассмотрим этот вопрос подробнее.

17.

Основы телевидения и видеотехники
От сигнала к изображению
C t – детерминированное описание сигнала.
Этот сигнал зависит от одной координаты – времени. В информационной
системе, передающий такой сигнал, размерности сигнала, поступающего от ИИ,
передаваемого по каналу связи и воспринимаемого пользователем, совпадают.
В преобразовании размерностей нет необходимости.
C t
E t
Ĉ t
Получатель
Канал
информации
связи
Радиосистема

18. Основы телевидения и видеотехники

От сигнала к изображению
Более сложной является задача одновременной передачи набора сигналов.
Ci t , i 1, N – множество независимых сигналов.
В случае, если эти сигналы характеризуют состояние конкретного ИИ, они могут
рассматриваться как информационное поле, в пределах которого сигналы зависят от
четырех независимых переменных: трех пространственных x, y, z, и времени t.
y
C x, y, z, t – пространственное информационное поле
z
x

19. Основы телевидения и видеотехники

От сигнала к изображению
y
C x, y, z, , t – учет особенностей сигналов отдельных точек
Эти особенности описываются параметром λ.
z
x
В частности (при передаче изображения), это могут быть
отличия в спектральном составе различных точек. В этом случае
параметр λ характеризует этот спектральный состав и является
трехмерным:
C x, y , z , 3 , t
Таким образом, ИИ при передаче изображения в видимом спектральном диапазоне
порождает сигнал, зависящий от 7 независимых параметров.

20. Основы телевидения и видеотехники

От сигнала к изображению
Передача и воспроизведение полного информационного поля
изображения – перспективная задача.
y
C x, y , z , 3 , t
z
x
Пренебрегаем координатой глубины
C x, y, 3 , t – изменяющееся во времени цветное
изображение.
Пренебрегаем спектральным составом
излучения отдельных точек
C x, y, t – изменяющееся во времени монохромное
(черно-белое) изображение.
Следовательно, при передаче изображения необходимо обеспечить передачу информации,
зависящей как минимум от трех независимых координат.

21. Основы телевидения и видеотехники

Радиосистема vs видеосистема
C t
E t
Ĉ t
Получатель
Канал
информации
связи
Радиосистема
Размерность информации во всех сечениях системы постоянна и равна 1
Передача информации ведется непрерывно

22. Основы телевидения и видеотехники

Радиосистема vs видеосистема
En t , n 1, N
Субканал
связи
Cn t ,
n 1, N
…
…
Субканал
связи
Cˆ n t ,
n 1, N
Получатель
информации
Субканал
связи
Многоканальная радиосистема
Для каждого источника выделяется отдельный субканал (в частности, субполоса частот).
В каждом субканале размерность информации по-прежнему остается постоянной и равной 1.
Передача информации ведется непрерывно
А если источников так много,
что невозможно выделить
для каждого субканал связи?

23. Основы телевидения и видеотехники

Радиосистема vs видеосистема
Перейти от непрерывной передачи к повторно-последовательной.
Согласно информационному подходу Колмогорова информация от ИИ должна
передаваться с параметрами, не превышающими возможностей пользователя по ее
восприятию.
Значения этих параметров мы обсудим позже, пока зафиксируем, что вместо непрерывной передачи информации от каждого источника (элемента изображения) можно
ограничиться передачей выборки, переходу к передаче выборки от следующего элемента
и так далее.
В И Д Е О С И СТ Е М А
Cˆ n t ,
n 1, N
E t
Канал
связи
Пользователь
…
…
Cn t ,
n 1, N
Коммутация на входе из многих каналов в один;
декоммутация на выходе из одного канала во многие

24. Основы телевидения и видеотехники

Модель информационной системы
Сцена
y
x
z
Передающее
звено
B t
Канал
связи
u t
Приемное
звено
û t
Потребитель
B̂ t
Размерность информации в системе постоянна.
Модель видеоинформационной системы
Сцена (ИИ в видеоинформационной системе)
y
Передающее
Канал
z
звено
связи
x
B x, y , z , 3 , t
u t
Приемное
звено
û t
Потребитель
B x, y , z , 3 , t
Если пренебречь информацией элементов о глубине и о различии параметров отдельных точек объекта,
остается зависимость информации от трех независимых координат при одномерном канале связи.
Размерность информации уменьшается для передачи по одномерному каналу связи, причем таким образом,
чтобы на приемной стороне эта размерность могла быть по крайней мере частично, восстановлена.

25. Основы телевидения и видеотехники

Модель видеоинформационной системы
Сцена
y
x
z
Передающее
звено
B x, y , z , 3 , t
u t
Канал
связи
Приемное
звено
û t
Потребитель
B x, y , z , 3 , t
Уменьшение размерности информации на передающей стороне
и ее увеличение – на приемной
является видовым признаком видеосистемы.