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

5809. Разработка радио/проводного модуля сопряжения пульта управления и радиостанции 162.5 KB
  Введение Электропитание радиоаппаратуры осуществляется источниками вторичного электропитания (ИВЭП), которые подключаются к источникам первичного электропитания и преобразуют их переменное или постоянное напряжение в требуемые выходные напряжения ра...
5810. Разработка мероприятий по финансовой устойчивости предприятия на примере ООО РПФ Матрица 619.5 KB
  Аннотация В дипломном проекте на тему: Разработка мероприятий по финансовой устойчивости предприятия (на примере ООО РПФ Матрица) проведен анализ финансово-хозяйственной деятельности Общества за 2008-2009 гг., выявлены основные проблемы и разработ...
5812. Разработка приложения Базовые логические операции 3.4 MB
  Специальная часть Задача Постановка задачи Задача заключается в написании приложения Решение базовых логических операций. Данная организация программы в целом позволит: Создать базовые логические операции Сохранить базовы...
5813. Изучение природы родного района в процессе воспитания детей в условиях детского дома 833.5 KB
  Личность ребенка формируется, прежде всего, в семье, в системе детско-родительских отношений. В этом пространстве развиваются его гражданские качества, его будущее, семейное благополучие. Герой одного из фильмов о проблемах подростков 70-х...
5814. Теория и классификация сигналов 60 KB
  Теория сигналов. Классификация сигналов. Электрическим сигналом S(t) называют изменение электрического заряда, или тока, или напряжения во времени. Различают следующие виды сигналов: сигналы, произвольные по величине и непрерывные во врем...
5815. Авторское право Российской Федерации 190.5 KB
  Введение Авторское право в России появилось лишь в начале XIX веке (1828г.), где право автора на созданное им произведение трактовалось как право собственности, которым можно торговать. Сто семьдесят два года, прошедших с того дня, это сравнительно ...
5816. Андрей Дмитриевич Сахаров и его научная деятельность 92 KB
  Андрея Дмитриевича Сахарова знают как крупнейшего ученый современности, как автора выдающихся работ по физике элементарных частиц и космологии. Ему принадлежит основная идея осуществления термоядерного синтеза. Его мысль о нестабильн...
5817. Эффективное обучение персонала в процессе управления организацией 179.5 KB
  Развитие персонала является важнейшим условием успешного функционирования любой организации. Это особенно справедливо в современных условиях, когда ускорение научно-технического прогресса значительно убыстряет процесс устаревания...