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

49179. Підприємство, яке спеціалізується на виробництві двох видів виробів 97.6 KB
  Суму витрат на виготовлення продукції кошторис та собівартість одиниці виробу калькуляцію. Оптимальна кількість факторів виробництва кількість обладнання та чисельність робітників визначається із системи рівнянь: де запланований обєм виробництва двох виробів; Звідки середня місячна заробітна плата 1 го робітника; витрати на утримання та експлуатацію обладнання грн міс; Ціна одиниці обладнання взята без ПДВ гранична норма технологічного заміщення виробництва Використавши цю рівність...
49181. Принципиальная схема управляемого блока питания для двигателя в механизме подъёма хирургического стола 633.32 KB
  Механический стол показанный на рисунок 1 уже устаревший но до сих пор успешно применяется в области медицинского приборостроения. Рисунок 1. Механический стол Гидроприводные столы рисунок 2 являются следующим этапом развития конструкции операционного стола. Рисунок 2.
49182. Разработка игры «Морской бой» с ИИ 4.29 MB
  Разработанный программный продукт реализует классическую версию игры «морской бой» с возможностью выбора уровня сложностей и визуализацией. Кроме того, в проекте реализована система ведения статистики игры. Среди рассмотренных аналогов ни один не обладал всеми этими возможностями сразу.
49183. Жизнедеятельность М. Вебера. Теория познания и методология 246.2 KB
  Вебере и его трудах несмотря на то что современная социология уже ушла далеко вперед актуальность этой теме не вызывает сомнений. Вопервых потому что как и всякий крупный ученый М. Вебера не только классическую социологическую теорию но и чтото новое современное и апеллирующее к непреложным и неизменным законам по которым живет социум.: Аграрная история древнего мира 1923 сразу поставившие его в ряд наиболее крупных ученых свидетельствуют о том что он усвоил требования исторической школы и умело пользовался...
49184. Понятие марксистской социологии. Диалектический материализм и социология 161.07 KB
  Устами своих основоположников Карла Маркса и Фридриха Энгельса она заявила о себе как о научном истолковании исторического процесса базирующемся на объективных данных исторической экономической социологической и других науках. Марксом и Ф.
49185. Расчет системы автоматического регулирования ГТД для поддержания частоты вращения ГТД 592.8 KB
  Расчет клапана для регулирования подачи топлива. Расчет расходов топлива. Расчет расхода топлива на номинальном режиме работы ГТД. Расчет расхода топлива на максимальном режиме работы ГТД.