38937

Преобразование данных при цифровой обработке видеосигнала. Необходимость сжатия информации

Контрольная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Для преобразования любого аналогового сигнала звука изображения в цифровую форму необходимо выполнить три основные операции: дискретизацию квантование и кодирование. Дискретизация представление непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений отсчетов. Ступенчатая структура дискретизированного сигнала может быть сглажена с помощью фильтра нижних частот.

Русский

2013-09-30

77 KB

9 чел.

Преобразование данных при цифровой обработке видеосигнала. Необходимость сжатия информации

Аналого-цифровое преобразование сигналов.

Для преобразования любого аналогового сигнала (звука, изображения) в цифровую форму необходимо выполнить три основные операции: дискретизацию, квантование и кодирование.

Дискретизация - представление непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений (отсчетов). Эти отсчеты берутся в моменты времени, отделенные друг от друга интервалом, который называется интервалом дискретизации. Величину, обратную интервалу между отсчетами, называют частотой дискретизации. На рис. 1 показаны исходный аналоговый сигнал и его дискретизированная версия.

Чем меньше интервал дискретизации и, соответственно, выше частота дискретизации, тем меньше различия между исходным сигналом и его дискретизированной копией. Ступенчатая структура дискретизированного сигнала может быть сглажена с помощью фильтра нижних частот. Таким образом и осуществляется восстановление аналогового сигнала из дискретизированного. Но восстановление будет точным только в том случае, если частота дискретизации по крайней мере в 2 раза превышает ширину полосы частот исходного аналогового сигнала (это условие определяется известной теоремой Котельникова). Если это условие не выполняется, то дискретизация сопровождается необратимыми искажениями. Дело в том, что в результате дискретизации в частотном спектре сигнала появляются дополнительные компоненты, располагающиеся вокруг гармоник частоты дискретизации в диапазоне, равном удвоенной ширине спектра исходного аналогового сигнала. Если максимальная частота в частотном спектре аналогового сигнала превышает половину частоты дискретизации, то дополнительные компоненты попадают в полосу частот исходного аналогового сигнала. В этом случае уже нельзя восстановить исходный сигнал без искажений.

Если объект телевизионной съемки представляет собой очень быстро движущийся или, например, вращающийся предмет, то могут возникать и искажения дискретизации во временной области. Примером искажений, связанных с недостаточно высокой частотой временной дискретизации (частота кадров телевизионного разложения), является картина быстро движущегося автомобиля с неподвижными или, например, медленно вращающимися в ту или иную сторону спицами колеса (стробоскопический эффект). Если частота дискретизации установлена, то искажения дискретизации отсутствуют, когда полоса частот исходного сигнала ограничена сверху и не превышает половины частоты дискретизации

Чем ближе частота дискретизации к удвоенной граничной частоте сигнала, тем труднее создать фильтр нижних частот, который используется при восстановлении, а также при предварительной фильтрации исходного аналогового сигнала. Это объясняется тем, что при приближении частоты дискретизации к удвоенной граничной частоте дискретизируемого сигнала предъявляются все более жесткие требования к форме частотных характеристик восстанавливающих фильтров - она все точнее должна соответствовать прямоугольной характеристике. Следует подчеркнуть, что фильтр с прямоугольной характеристикой не может быть реализован физически. Такой фильтр, как показывает теория, должен вносить бесконечно большую задержку в пропускаемый сигнал. На практике всегда существует некоторый интервал между удвоенной граничной частотой исходного сигнала и частотой дискретизации.

Квантование - представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин - уровней квантования. Другими словами, квантование - это округление величины отсчета. Уровни квантования делят весь диапазон возможного изменения значений сигнала на конечное число интервалов - шагов квантования. Расположение уровней квантования обусловлено шкалой квантования. Используются как равномерные, так и неравномерные шкалы. На рис.  показаны исходный аналоговый сигнал и его квантованная версия, полученная с использованием равномерной шкалы квантования, а также соответствующие сигналам изображения

Искажения сигнала, возникающие в процессе квантования, называют шумом квантования. При инструментальной оценке шума вычисляют разность между исходным сигналом и его квантованной копией, а в качестве объективных показателей шума принимают, например, среднеквадратичное значение этой разности. Временная диаграмма и изображение шума квантования также показаны на рис. 3 (изображение шума квантования показано на сером фоне). В отличие от флуктуационных шумов шум квантования коррелирован с сигналом, поэтому шум квантования не может быть устранен последующей фильтрацией. Шум квантования убывает с увеличением числа уровней квантования.

Цифровое кодирование. Квантованный сигнал, в отличие от исходного аналогового, может принимать только конечное число значений. Это позволяет представить его в пределах каждого интервала дискретизации числом, равным порядковому номеру уровня квантования. В свою очередь это число можно выразить комбинацией некоторых знаков или символов. Совокупность знаков (символов) и система правил, при помощи которых данные представляются в виде набора символов, называют кодом. Конечная последовательность кодовых символов называется кодовым словом. Квантованный сигнал можно преобразовать в последовательность кодовых слов. Эта операция и называется кодированием. Каждое кодовое слово передается в пределах одного интервала дискретизации. Для кодирования сигналов звука и изображения широко применяют двоичный код. Если квантованный сигнал может принимать N значений, то число двоичных символов в каждом кодовом слове n >= log2N. Один разряд, или символ слова, представленного в двоичном коде, называют битом. Обычно число уровней квантования равно целой степени числа 2, т.е. N = 2n.

Кодовые слова можно передавать в параллельной или последовательной формах Для передачи в параллельной форме надо использовать n линий связи. Символы кодового слова одновременно передаются по линиям в пределах интервала дискретизации. Для передачи в последовательной форме интервал дискретизации надо разделить на n подинтервалов - тактов. В этом случае символы слова передаются последовательно по одной линии, причем на передачу одного символа слова отводится один такт. Каждый символ слова передается с помощью одного или нескольких дискретных сигналов - импульсов. Преобразование аналогового сигнала в последовательность кодовых слов поэтому часто называют импульсно-кодовой модуляцией. Форма представления слов определенными сигналами определяется форматом кода. 

Операции, связанные с преобразованием аналогового сигнала в цифровую форму (дискретизация, квантование и кодирование), выполняются одним устройством - аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Обратная процедура, т.е. восстановление аналогового сигнала из последовательности кодовых слов, производится в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП).

Необходимость сжатия с потерями

Характерной особенностью большинства типов данных является их избыточность. Степень избыточности данных зависит от типа данных. Например, для видеоданных степень избыточности в несколько раз больше чем для графических данных, а степень избыточности графических данных, в свою очередь, больше чем степень избыточности текстовых данных. Другим фактором, влияющим на степень избыточности является принятая система кодирования. Для человека избыточность данных часто связана с качеством информации, поскольку избыточность, как правило, улучшает понятность и восприятие информации. Однако, когда речь идет о хранении и передаче информации средствами компьютерной техники, то избыточность играет отрицательную роль, поскольку она приводит к возрастанию стоимости хранения и передачи информации.

Объем информации, нужной для хранения изображений, обычно велик, а каналы передачи и возможности хранения ограничены. При этом с каждым днем разрешающая способность устройств ввода изображений растет.

Видеосжатие имеет следующие преимущества. Во-первых, оно дает  возможность использовать цифровое видео в среде передачи и хранения видеоконтента, которая не поддерживает несжатое видео. Например, пропускная способность современного Интернета  недостаточна для обращения с несжатым видео в реальном масштабе времени (даже при низкой частоте кадра и малом его размере).  Цифровой многослойный видеодиск DVD может вместить всего несколько секунд сырого видео с разрешением и  частотой кадров, обеспечивающими обычное телевизионное качество, поэтому использование DVD было бы абсолютно непрактичным без применения видео и аудиосжатия. Во-вторых, видеокомпрессия  делает более эффективным использование ресурсов при передаче и  хранении видеоданных. Если доступен высокоскоростной канал, то более привлекательно передавать сжатое видео высокого разрешения или несколько сжатых телеканалов вместо одного несжатого канала низкого разрешения.

Существуют два основных класса алгоритмов:

A называется алгоритмом сжатия без потерь (англ. lossless compression), если существует алгоритм A-1 (обратный к A) такой, что для любого изображения I A(I) = I1 и A-1(I1) = I.

A называется алгоритмом сжатия c потерями (англ. lossy compression), если он не обеспечивает возможность точного восстановления исходного изображения. Парный к A алгоритм, обеспечивающий примерное восстановление, будем обозначать как A*: для изображения I A(I) = I1, A*(I1) = I2 и при этом полученное восстановленное изображение I2 не обязательно точно совпадает с I. Пара A, A* подбирается так, чтобы обеспечить большие коэффициенты сжатия и тем не менее сохранить визуальное качество, т.е. добиться минимальной разницы в восприятии между I и I2.

Сжатие с потерями основывается на особенностях восприятия человеком изображения: наибольшей чувствительности в определенном диапазоне волн цвета, способности воспринимать изображение как единое целое, не замечая мелких искажений. Также используется тот факт, что изображение - двумерный объект. Главный класс изображений, на который ориентированы алгоритмы сжатия с потерями, - фотографии, изображения с плавными цветовыми переходами


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4613. Составление схем алгоритмов задач средней сложности с использованием возможностей программных средств 663 KB
  Введение Важным этапом разработки программы является составление схемы алгоритма решения поставленной задачи. При составлении схемы алгоритма следует придерживаться определенных стандартов в изображении элементов схемы. Для изображения схем алгоритм...
4614. Программирование выражений и операторов на языке Delphi 200.5 KB
  Главную часть программы на языке Delphi составляет раздел операторов, в котором реализуется алгоритм решения поставленной задачи, т.е. именно в нем с предварительно описанными переменными, константами, значениями функций и т.п. выполняются...
4615. Написание и использовании пользовательских подпрограмм на языке Delphi 159 KB
  В практике программирования довольно часто встречается ситуация, когда одну и ту же группу операторов, реализующих определенную цель, требуется повторить без изменений в нескольких других местах программы. Чтобы избавить программиста от сто...
4616. Разработка программ, использующих массивы, множества и записи 386.5 KB
  Тип в программировании – это множество, для которого оговорен некоторый набор операций над элементами. Сами элементы множества называются объектами или значениями данного типа. Типы realиinteger – это числовые множеств...
4617. Разработка программ, включающих данные файлового типа 298 KB
  Цель работы: приобретение практических навыков в разработке программ, включающих данные файлового типа Содержание работы: Программирование работы с файлами последовательного доступа. Программирование работы с файлами произвольного...
4618. Создание приложений в визуальной интегрированной среде разработки Delphi 314 KB
  Цель работы: привитие практических навыков написания приложений в визуальной интегрированной среде разработки Delphi. Содержание работы: Создание простейших приложений. Программирование калькулятора. Создание генератора надежных парол...
4620. Графические возможности Delphi: Программирование средств мультимедиа 301.93 KB
  Цель работы: изучение классов и компонент Delphi, предназначенных для создания изображений привитие практических навыков программирования простых мультимедиа приложений в визуальной интегрированной среде разработки Delphi. Содержание работы: Соз...
4621. Разработка тестов и устранение ошибок в программах 244.5 KB
  Цели лабораторной работы: приобретение практических навыков работы с визуальными и невизуальными компонентами Задание № 1. Создание программы Будильник с помощью компонента TTimer Написать программу, отображающую текущее и вы...