WikiSort.ru - Не сортированное

Шумопонижение — процесс устранения шумов из полезного сигнала с целью повышения его субъективного качества или для уменьшения уровня ошибок в каналах передачи и системах хранения цифровых данных. Методы шумоподавления концептуально очень похожи независимо от обрабатываемого сигнала, однако предварительное знание характеристик передаваемого сигнала может значительно повлиять на реализацию этих методов в зависимости от типа сигнала.

Системы шумопонижения (СШП) — системы обработки сигнала, реализованные в виде электронных схем или программных алгоритмов, предназначенные для увеличения отношения сигнал/шум за счёт избыточности либо понижения разрядности или разрешения сигнала. Также для обозначения СШП часто применяется термин «шумоподавитель».

Системы шумопонижения широко используются как для обработки звукового (аудио) сигнала, так и для видео (фото) сигнала. Большинство СШП делится на два типа:

• Фильтрация. СШП обрабатывает сигнал при приёме (воспроизведении) или записи (передаче) пытаясь очистить полезный сигнал от шума. Большинство систем обработки фотоизображений относится к этому типу.
• Системы, модифицирующие сигнал для передачи по шумным каналам (или для записи сигнала на носитель), с последующим обратным преобразованием на приёмной стороне (при воспроизведении). К ним относятся компандерные системы шумопонижения в магнитной звукозаписи, а также принцип фонокоррекции в механической грамзаписи.

Источники шума

Все устройства записи, как аналоговые, так и цифровые, обладают свойствами, которые делают их восприимчивыми к шуму. Шум может быть случайным и не когерентным, то есть не связанный с самим сигналом, или когерентным, вносимый устройствами записи и алгоритмами обработки.

Любые аналоговые схемы усиления и преобразования сигналов являются источниками шума. Во-первых, это тепловой шум, который вызван тепловыми процессами, влияющими на направление движения электронов. Во-вторых, это дробовой шум, причиной которого является дискретность носителей электрического заряда — электронов, ионов. Эти случайные процессы создают напряжение на выходе, которое при воспроизведении воспринимаются как шум. Наибольший вклад в собственные шумы усилительного тракта вносят первые каскады, которые усиливают слабый сигнал (единицы — доли милливольт), потому что их собственные шумы затем усиливаются следующими каскадами. Для снижения собственных шумов усилительного тракта применяются т. н. малошумящие усилители^[en], в которых различными схемотехническими методами и применением специальных полупроводниковых приборов и пассивных компонентов достигается максимально возможное отношение сигнал/шум^[1].

В случае кино-фотоплёнки и магнитной ленты шум (видимый и слышимый) вносится структурными частицами носителя. В киноплёнке зернистость определяется чувствительностью плёнки, более чувствительная плёнка имеет большую зернистость. В магнитной ленте большие гранулы магнитных частиц (обычно оксид железа) более подвержены возникновению шума. Для компенсации этого применяются бо́льшие площади плёнки (размер кадра) или магнитной ленты (ширина дорожки записи)^[2].

В фотоматрицах имеет место флуктуация «уровня чёрного» (значения сигнала каждого пикселя при отсутствии света). Чем крупнее пиксель, (что достигается увеличением размеров фотосенсора), тем лучше отношение сигнал/шум в условиях слабого освещения.

Шумоподавление в звуковой технике

Подавление шума на изображениях

Шумоподавление изображений чаще всего служит для улучшения визуального восприятия, однако возможно применение в медицине в целях увеличения четкости изображения на рентгеновских снимках, в качестве предобработки для последующего распознавания и в других случаях.

Источниками шумов на изображении могут быть:

• Аналоговый шум
  • Зернистость плёнки
  • Грязь, пыль
  • Царапины
  • Отслоение фотографической эмульсии
• Цифровой шум
  • Тепловой шум матрицы
  • Шум переноса заряда
  • Шум квантования АЦП
  • Усиление сигналов в цифровом фотоаппарате
  • Грязь, пыль на сенсоре

При цифровой обработке изображений применяется пространственное шумоподавление. Выделяют следующие методы:

• Адаптивная фильтрация — линейное усреднение пикселей по соседним
• Медианная фильтрация
• Математическая морфология
• Размытие по Гауссу
• Методы на основе дискретного вейвлет-преобразования
• Метод главных компонент
• Анизотропная диффузия
• Фильтры Винера

Шумоподавление видео

Шумоподавление видео — процесс устранения шума из видеосигнала. Выделяют следующие методы шумоподавления видео:

• Пространственные методы — алгоритмы шумоподавления изображения применяются для каждого кадра отдельно.
• Временные методы — усреднение между несколькими последовательно идущими кадрами. Могут появляться артефакты в виде раздвоения изображения.
• Пространственно-временные методы — так называемая 3D-фильтрация, сочетают оба метода, основаны на пространственно-временной корреляции изображения.

Методы подавления шума в видеосигнале разрабатываются и применяются в зависимости от типа шума (искажений). Типичными видами шума или искажений видеосигнала являются:

• Аналоговый шум
  • Искажения канала радиопередачи
    • Высокочастотные помехи (точки, короткие горизонтальные цветные линии и т. д.)
    • Помехи канала яркости и цветности (проблемы с антенной)
    • Раздвоение видео — появление ложных контуров
  • VHS искажения
    • Искажения цвета
    • Помехи канала яркости и цветности (типично для VHS)
    • Хаотичные сдвиги строк по краям кадра (смещение сигнала строчной синхронизации)
    • Широкие горизонтальные шумные полосы (старые кассеты или засорение видеоголовки)
  • Искажения кинопленки
    • Грязь, пыль
    • Царапины
    • Отслоение фотографической эмульсии
    • Отпечатки пальцев
• Цифровой шум
  • Артефакты сжатия — искажения сильного сжатия потока данных
  • Окантовка — для низких и средних битрейтов, особенно для мультипликационных фильмов
  • Разбиение изображения на квадратные блоки («рассыпание»), замирание изображения — искажения в случае пропадания цифрового сигнала или повреждения носителя (царапины на DVD, замятины ленты DV).

См. также

• Обработка сигналов
• Цифровая обработка сигналов
• Цифровой шум изображения
• Обработка изображений
• Отношение сигнал/шум

Примечания

Литература

• Алексей Лукин. Подавление широкополосного шума: история и новые разработки. // Звукорежиссёр : журнал. — 2008. — № 10.
• Кен Гендри. Системы шумоподавления // Звукорежиссёр : журнал. — 2004. — № 6,7,8.
• Михаил Чернецкий. Системы шумоподавления // Звукорежиссёр : журнал. — 2001. — № 9.
• Шкритек П. Способы снижения шумов и помех // Справочное руководство по звуковой схемотехнике = Handbuch der Audio-Schaltungstechnik. — М.: Мир, 1991. — С. 244—267. — 446 с.
• Дарья Калинкина, Дмитрий Ватолин. Проблема подавления шума на изображениях и видео и различные подходы к её решению // Компьютерная графика и мультимедиа : журнал. — 2005. — № 3(2).