Digital Video Measurements (unit 2)
การอพยพจากระบบแอนะลอกไประบบดิจิตอล
ข้อมูลในแบบดิจิตอลสามารถนำไปแตกแยกออกเป็นแต่ละองค์ประกอบได้โดยง่าย เช่นเดียวกับการนำไปใช้งานในหน้าที่แบบเดิมที่เคยมีส่วนร่วมในระบบแอนะลอกมาแล้ว เราจะมาต่อกันด้วยวิธีอุปมาอุปมัยดังเช่นได้อธิบายแบบเปรียบเทียบในเชิงของแอนะลอกกับดิจิตอลมาแล้ว
ตอนนี้เรามีความเข้าใจอย่างชัดเจนถึงความคล้ายกันระหว่างแอนะลอกวิดีโอและดิจิตอลวิดีโอแล้ว เราสามารถก้าวไปยังโทรทัศน์แบบความคมชัดสูง (HDTV) ที่ระบบดิจิตอลได้เข้ามาทำหน้าที่แทนโทรทัศน์ความคมชัดสูงรูปแบบแอนะลอกดั้งเดิมทั้งหมด
ในระบบโทรทัศน์แบบดั้งเดิมนั้นสัญญาณที่มาจากกล้องอันประกอบด้วยแม่สีทั้งสาม
คือ แดง เขียว น้ำเงิน ถูกนำมาเข้าสมการแบบเมตริกซ์ในรูปแบบของสัญญาณส่องสว่างช่องหนึ่งและอีกช่องหนึ่งเป็นผลลัพธ์จากการปรับเปลี่ยนอันเป็นผลิตผลจากข้อมูลของสีสองสีที่รวมกับแบบกดความถี่คลื่นพาห์ไว้
(suppressed subcarrier) และในปัจจุบันนี้เราไม่จำเป็นต้องลงทุนไปศึกษาเพิ่มเติมเรื่องของสันญาณแบบคอมโพสิตวิดีโอที่เป็นเรื่องล้าสมัยอีกแล้ว
(composite video)
องค์ประกอบของสัญญาณสามแม่สี (RGB component)
กล้องวิดีโอแบ่งแยกแสงของภาพออกตามแม่สีทั้งสาม
คือ แดง เขียว น้ำเงิน
อุปกรณ์รับภาพในกล้องเปลี่ยนภาพที่รับได้ของแต่ละสีให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบขาวดำโดยเป็นอิสระจากกัน
ข้อมูลของการทำงานแบบประสานกันจะถูกเพิ่มเข้าไปในสัญญาณเพื่อระบุจุดเริ่มต้น
คือ เริ่มต้นจากด้านซ้าย ไปด้านขวา จากด้านบน ลงสู่ด้านล่าง ของแต่ละภาพนั้น (synchronization) การใส่ข้อมูลนี้อาจกระทำที่ช่องสันญาณสีเขียวหรืออาจทำหมดทั้งสามสีเลยก็ได้
การเชื่อมต่อแบบง่ายดังที่แสดงให้เห็นในภาพที่
1. คือการเชื่อมต่อโดยตรงจากกล้องไปยังจอแสดงภาพ วิธีการการส่งข้อมูลแบบหลายเส้นของระบบแอนะลอกนั้นเหมือนกันทั้ง
ชนิดความคมชัดมาตรฐานและชนิดความคมชัดสูง ระบบการเชื่อมต่อแบบนี้อาจถูกใช้ในระบบของอุปกรณ์ขนาดเล็กๆ
วิธีการนี้ให้ภาพคุณภาพสูงจากกล้องไปยังจอแสดงผล
แต่จำเป็นต้องส่งผ่านสัญญาณทั้งสามแยกจากกัน
ที่มีความเกี่ยวข้องกับเชิงวิศวกรรมเพื่อให้แน่ใจว่าการประมวลผลแต่ละช่องสัญญาณมีอัตราขยายที่เท่าเทียมกัน ไฟฟ้ากระแสตรงที่จ่ายไปยังแต่ละสาขาต้องเท่าเทียมกัน รวมทั้งค่าของเวลาที่หน่วงไป การตอบสนองความถี่ที่อาจแตกต่างกัน ตัวแปรต่างๆเหล่านี้เป็นเหตุให้การแสดงผลที่จอภาพของแต่ละสีเปลี่ยนแปลงไม่เท่าเทียมกัน
ในระบบอาจได้รับผลกระทบจากค่าของเวลาที่ผิดพลาดซึ่งเกิดจากความยาวของสายเคเบิลแตกต่างกัน
สาเหตุต่างๆเหล่านี้ก่อให้เกิดอาการภาพเบลอไม่คมชัด ภาพซ้อน เป็นต้น จำเป็นต้องบริหารจัดการดูแลทั้งสามช่องสันญาณให้เท่าเทียมกันทุกปัจจัยให้ได้
ภาพที่ 1.การเชื่อมต่อสัญญาณแม่สีทั้งสามโดยตรงจากกล้องไปยังจอรับภาพ
ภาพที่2.สัญญาณวิดีโอที่เข้ารหัสแล้วใช้สายโคแอกเชียลเส้นเดียวเชื่อมต่อ
ภาพที่3.การส่งข้อมูลแบบดิจิตอลเพื่อหลีกเลี่ยงการลดทอนคุณภาพ
การสอดแทรกตัวเข้ารหัสและตัวถอดรหัสตามภาพที่สองไม่ใช่เป็นเรื่องง่ายดายเพียงแต่ว่ามันทำให้การจัดการสัญญาณในสายเพียงเส้นเดียวของวงการโทรทัศน์เป็นเรื่องง่ายขึ้นเท่านั้นเอง แถบของย่านความถี่ใช้งานในระบบที่มีเพียงพอต่อการบรรจุพลังงานของสัญญาณวิดีโอทั้งสามที่ประมาณ
5-6 MHz
การเชื่อมต่อด้วยวิธีการใช้สายนำสัญญาณเพียงเส้นเดียวมาเชื่อมต่อในระบบทำให้วิธีการออกแบบเส้นทางสัญญาณวิดีโอง่ายขึ้น
แต่ทั้งนี้ในเรื่องของการตอบสนองความถี่และฐานของเวลาก็ต้องนำมาพิจารณาด้วยในกรณีที่เป็นการเชื่อมต่อระยะไกล สาเหตุเนื่องจากว่าทั้งสัญญาณความส่องสว่างและสัญญาณสีแบ่งปันย่านความถี่ใช้ร่วมกัน
ที่สำคัญและพึงหลีกเลี่ยงคือการนำไปเข้ารหัสแล้วถอดรหัสกลับไปกลับมาหลายครั้งจะลดทอนคุณภาพไปตามลำดับ
การนำเอาระบบการเข้ารหัสและถอดรหัสดิจิตอลชนิดองค์ประกอบมาใช้งานทดแทนตามภาพที่สามมีความซับซ้อนกว่าแต่ให้คุณสมบัติที่ดีกว่าด้วย พลังงานที่ใช้ในการส่งข้อมูลสำหรับความคมชัดปกติและในระบบความคม
ชัดสูงมีอัตราความเร็วที่ 270 Mb/s and 1.485 Gb/s ตามลำดับ
การชดเชยทางแกมมา
(Gamma correction)
เรื่องของการจัดการสัญญาณวิดีโอระบบแอนะลอกที่ต้องนำมาพิจารณาคือการแสดงผลความส่องสว่างของแต่ละส่วนในภาพอย่างแม่นยำให้ถูกต้องสมจริง เนื่องจากจอรับภาพแบบหลอดแก้วเรืองแสงนั้น (CRT)
เป็นอุปกรณ์ที่ทำงานแบบไม่เป็นเชิงเส้นตามธรรมชาติอยู่แล้วสาเหตุจากปริมาณของแสงที่ปล่อยออกมาไม่ได้แปรผันอย่างเที่ยงตรงตามแรงดันที่ป้อนเข้าไป การทำงานแบบนี้แหละที่ถูกเรียกว่าแกมมาของอุปกรณ์นั้นๆ ในภาวะเงื่อนไขที่ต้องการให้อุปกรณ์ CRT
มีการสนองตอบอย่างแม่นยำจึงจำเป็นต้องนำปัจจัยของการแก้ไขเข้ามาใช้งานในระบบของโทรทัศน์ ดังนั้นสัญญาณแม่สีทั้งสามในตัวของกล้องเป็นการปรับชดเชยค่าของแกมมาให้เป็นการทำงานตรงข้ามกับการแสดงผลของจอรับภาพ สัญญาณที่ถูกปรับค่าแกมมาแล้วจะถูกแทนค่าด้วยเครื่องหมายดังนี้
คือ R’ , G’ , B’ เครื่องหมายของ ( ‘ ) เป็นการบ่งชี้ว่าปัจจัยการแก้ไขแกมมาได้ถูกนำมาใช้ชดเชยสำหรับการถ่ายทอดจากอุปกรณ์ตัวรับภาพและอุปกรณ์แสดงผลแล้ว
ถึงแม้ว่าเครื่องหมายสำคัญอาจทำให้เกิดความยุ่งยากไปบ้างและในบางครั้งอาจถูกละเว้นไปบ้างมันยังถูกใช้อ้างถึงในเอกสารตามมาตรฐาน
ในปัจจุบันนี้เทคโนโลยีของจอภาพแบบ LCD
และจอแบบ LED เป็นที่แพร่หลายมากขึ้น ดังนั้นความคิดที่ว่าการแก้ไขชดเชยแกมมาอาจเป็นสิ่งไม่จำเป็นในอนาคต อย่างไรก็ดีการตอบสนองต่อแสงสว่างของดวงตามนุษย์ก็ยังเป็นปัจจัยสำคัญ
(power function)
การยกเพิ่มความเข้มขึ้นไปประมาณเศษหนึ่งส่วนสามเพื่อให้มีค่าของสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนเพิ่มขึ้นและเกิดผลให้มีการแสดงความแตกต่างภาพดีที่สุด
วิธีการทำงานเข้ารหัสวิดีโอใช้หลักการเช่นเดียวกันนี้และถูกเรียกว่ากรอบของแบบจำลองหรือว่าแผนภูมิรวบยอด
(conceptual coding)
ภาพที่
4.การแก้ไขแกมมาเพื่อชดเชยการตอบสนองของจอภาพหลอดแก้วเรืองแสง(CRT)
การชดเชยแกมมาเป็นมากกว่าการแก้ไขสำหรับการตอบสนองของ
CRT
การแก้ไขแกมมาเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับจอภาพซีอาร์ทีคือเกือบทั้งหมดของกรอบความคิดเรื่องการแก้ไขชดเชยแกมมา ด้วยเหตุนี้ควรระมัดระวังเมื่อทำการปรับแต่งระบบในอุปกรณ์ส่วนที่เกี่ยวข้องกับปัจจัยการแก้ไขชดเชยทางแกมมา จากภาพที่4.แสดงการแก้ไขแกมมาด้วยเพาเวอร์ที่
0.45 ตามข้อกำหนดของ ITU-R BT.709 การแก้ไขทางแกมมานี้กระทำที่ตัวกล้องเพื่อชดเชยความไม่เป็นเชิงเส้นของจอภาพแบบซีอาร์ทีและรวมไปถึงการเข้ารหัสแผนภูมิวิดีโอ
ความไม่เป็นเชิงเส้นของจอภาพตามสมการของกำลังงานมี่ค่าระหว่าง 2.2-2.6
และจอภาพเกือบทั้งหมดมีค่าประมาณ 2.5 ผลรวมของระบบแกมมาทั้งหมดเป็นประมาณ 1.2
ซึ่งมีค่าใกล้เคียงตามอุดมคติสำหรับสภาพการรับชมทั่วไป
นี่เป็นค่าการแก้ไขโดยประมาณสำหรับการตอบสนองการรับรู้ต่อแสงสว่างของมนุษย์ ซึ่งมันจะช่วยลดจำนวนของข้อมูลที่จำเป็นเมื่อนำเอาสัญญาณวิดีโอแปลงเป็นเชิงดิจิตอล
การแปลงแม่สีทั้งสามไปเป็นค่าของการส่องสว่างและความแตกต่างของสี
องค์ประกอบของวิดีโออันประกอบด้วยแม่สี
แดง เขียว น้ำเงิน ที่เป็นค่าดั้งเดิมจากอุปกรณ์ตรวจจับในกล้องและเกือบทั้งหมดจะถูกใช้งานโดยอุปกรณ์ทำหน้าที่บริหารจัดการวิดีโอที่เป็นสี แต่อย่างไรก็ดีมันย่อมเป็นวิธีการที่ขาดประสิทธิภาพในการลำเลียงข้อมูลภาพในระหว่างการประมวลผล
สาเหตุเพราะองค์ประกอบทั้งสามสีจำเป็นต้องใช้แถบความถี่เท่าเทียมกันด้วย
ดวงตาของมนุษย์มีการรับรู้ความเปลี่ยนแปลงในรายละเอียดของการส่องสว่างมากกว่าการเปลี่ยนแปลงของสีสัน
ดังนั้นเราสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของการใช้แถบความถี่ด้วยการจัดส่งข้อมูลการส่องสว่างเต็มความกว้างของแถบความถี่และแบ่งปันแถบความถี่ที่ยังเหลืออยู่เพื่อส่งข้อมูลความแตกต่างของสี
การประมวลผลสัญญาณวิดีโอชนิดองค์ประกอบข้อมูลส่องสว่างและความแตกต่างของสีช่วยลดปริมาณข้อมูลที่จำเป็นต้องนำส่งลงไปได้ ด้วยการมีช่องทางเต็มแถบความถี่ของการส่องสว่างเพื่อนำเสนอความแตกต่างและรายละเอียดของสันญาณ
(
Y’ ) ช่องสัญญาณอีกสองช่องเป็นข้อมูลความแตกต่างของสีที่สามารถจำกัดแถบความถี่ให้เหลือเพียงครึ่งเดียวของช่องส่องสว่างแต่มีข้อมูลของสีเพียงพอ
( R’-Y’ and B’-Y’) นี่เป็นการยินยอมให้มีการแปลงกลับด้วยสมการเมตริกซ์อย่างง่ายระหว่างสัญญาณอันเป็นแม่สีทั้งสามและสัญญาณองค์ประกอบของการส่องสว่างและความแตกต่างของสี
การจำกัดแถบความถี่ในช่องความแตกต่างของสีจะกระทำหลังจากผ่านกระบวนการของเมตริกซ์แล้ว และเมื่อมีการแปลงกลับไปเป็นสัญญาณแม่สีทั้งสามเพื่อการแสดงผลบนจอภาพข้อมูลความแตกต่างของแม่สีทั้งสามจะคืนค่าไปเป็นแบบเต็มย่านความถีดังเดิมตามสมการในตารางที่
1.และตารางที่ 2.
การแก้ไขแกมมาขององค์ประกอบแม่สีทั้งสามด้วยสมการเมตริกซ์เพื่อสร้างให้เกิดค่าของความส่องสว่างและค่าความแตกต่างของสีทั้งสอง
(Y’ , R’-Y’ , B’-Y’ )
ซึ่งได้มาจากปริมาณอันเป็นแม่สีทั้งสามในหน่วยของแรงดันทางไฟฟ้าของแต่ละสีนั้นๆ
(Volts)
ตารางที่ 1.
แสดงย่านของแรงดันไฟฟ้าสำหรับการแปลงค่าของแม่สีทั้งสามไปเป็นองค์ประกอบของปริมาณค่าของการส่องสว่างและค่าของความแตกต่างของสีทั้งสอง สัญญาณการส่องสว่างมีค่าการเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่
0-700 mV. สัญญาณความแตกต่างของสีทั้งสองอาจมีย่านของการเปลี่ยนแปลงที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับตัวแปรของการปรับขนาดตามรูปแบบขององค์ประกอบที่ต่างกัน
ในกรณีขององค์ประกอบที่เป็นรูปแบบแอนะลอกมีย่านของการเปลี่ยนแปลงที่ +/-
350 mV. นี่เป็นค่าที่ยอมรับได้ในการนำสัญญาณวิดีโอไปประมวลผล สำหรับมาตรฐานแบบดิจิตอลค่าของ Y’ ที่หมายถึงการส่องสว่างอันเหมือนกับสัญญาณวิดีโอแบบขาวดำและค่าความแตกต่างของสีทั้งสอง
C’b , C’r ที่บรรจุข้อมูลของสีโดยปราศจากข้อมูลการส่องสว่างนั้น
ทั้งหมดนี้ล้วนมีความเหมาะสมต่อการนำไปสุ่มเพื่อแปลงเป็นข้อมูลแบบดิจิตอลทั้งนั้น
รูปแบบที่หลากหลายของสูตรการแปลงค่าความแตกต่างของสีขึ้นอยู่กับว่านำไปใช้งานแบบไหน
แต่ที่มีความสำคัญควรรู้เป็นไปตามตารางที่สองคือ PAL , NTSC , SECAM
ภาพที่
5. การแปลงค่าของแม่สีทั้งสามในกล้องวิดีโอให้อยู่ในรูปแบบดิจิตอล
หมายเหตุ ช่วงนี้เป็นการปูพื้นฐานเพื่อทำความเข้าใจในเบื้องต้นก่อนครั้งต่อไปเป็นเรื่องของการเชื่อมต่อสัญญาณ ดิจิตอลวิดีโอครับ
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น