Reducerea zgomotului

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 7 martie 2022; verificarea necesită 1 editare .

Reducerea zgomotului este procesul de eliminare a zgomotului dintr-un semnal util pentru a-i îmbunătăți calitatea subiectivă sau pentru a reduce nivelul erorilor în canalele de transmisie și sistemele digitale de stocare a datelor . Metodele de reducere a zgomotului sunt conceptual foarte asemănătoare indiferent de semnalul care este procesat, totuși, cunoașterea prealabilă a caracteristicilor semnalului transmis poate afecta semnificativ implementarea acestor metode, în funcție de tipul de semnal.

Sistemele de reducere a zgomotului ( UWB ) sunt sisteme de procesare a semnalului implementate sub formă de circuite electronice sau algoritmi software menționați să mărească raportul semnal-zgomot din cauza redundanței sau să reducă adâncimea de biți sau rezoluția semnalului. De asemenea, termenul „squelch” este adesea folosit pentru a se referi la UWB .

Sistemele de reducere a zgomotului sunt utilizate pe scară largă atât pentru procesarea semnalului sonor (audio), cât și pentru semnalul video (foto). Majoritatea UWB-urilor sunt împărțite în două tipuri:

Filtrarea . UWB procesează semnalul în timpul recepției (redării) sau înregistrării (transmisiei) în încercarea de a curăța semnalul util de zgomot. Majoritatea sistemelor de procesare a imaginilor sunt de acest tip.
Sisteme care modifică semnalul pentru transmisie pe canale zgomotoase (sau pentru înregistrarea semnalului pe o purtătoare), urmată de conversie inversă pe partea de recepție (în timpul redării). Acestea includ sisteme de reducere a zgomotului compander în înregistrarea magnetică a sunetului, precum și principiul corecției fono în înregistrarea mecanică .

Surse de zgomot

Toate dispozitivele de înregistrare, atât analogice, cât și digitale, au proprietăți care le fac susceptibile la zgomot. Zgomotul poate fi aleatoriu și necoerent, adică nu este asociat cu semnalul în sine, sau coerent, introdus de dispozitivele de înregistrare și algoritmii de procesare.

Orice circuite de amplificare și conversie a semnalului analogic sunt surse de zgomot. În primul rând, este zgomotul termic , care este cauzat de procesele termice care afectează direcția mișcării electronilor. În al doilea rând, acesta este zgomotul împușcat , a cărui cauză este discretitatea purtătorilor de sarcină electrică - electroni, ioni. Aceste procese aleatorii creează o tensiune de ieșire care este percepută ca zgomot în timpul redării. Cea mai mare contribuție la zgomotul inerent al căii de amplificare o au primele etape, care amplifică un semnal slab (unități - fracțiuni de milivolt), deoarece zgomotul lor este apoi amplificat de următoarele etape. Pentru a reduce zgomotul intrinsec al căii de amplificare, așa-numitul. amplificatoare cu zgomot redus , în care raportul semnal-zgomot maxim posibil este realizat prin diverse metode de circuite și utilizarea unor dispozitive speciale semiconductoare și componente pasive [1] .

În cazul filmului și benzii magnetice , zgomotul (vizibil și audibil) este introdus de particulele structurale ale mediului. În filmele cinematografice , granularea este determinată de viteza filmului, cu cât filmul mai sensibil are mai multă granulare. În banda magnetică, granulele mari de particule magnetice (de obicei oxid de fier) sunt mai susceptibile la zgomot. Pentru a compensa acest lucru, sunt utilizate suprafețe mai mari de film (dimensiunea cadrului) sau bandă magnetică (lățimea pistei de înregistrare) [2] .

În fotomatrice , există o fluctuație a „nivelului de negru” (valoarea semnalului fiecărui pixel în absența luminii). Cu cât pixelul este mai mare (care se realizează prin creșterea dimensiunii fotosenzorului), cu atât raportul semnal-zgomot este mai bun în condiții de lumină scăzută.

Reducerea zgomotului în inginerie audio

Sisteme de reducere a zgomotului Compander

Pentru a îmbunătăți sunetul în sistemele de înregistrare și transmisie a sunetului, pre-corectarea semnalului sonor se realizează prin compresare. Sistemele de reducere a zgomotului Compander utilizează precomprimarea semnalului în timpul transmisiei (înregistrării), adică compresia în intervalul dinamic . Acest lucru se realizează prin amplificarea suplimentară a semnalelor de nivel scăzut pentru a le ridica peste nivelul de zgomot al căii de transmisie sau al benzii magnetice. Apoi, la recepție (reproducere), semnalul primit este extins, adică intervalul dinamic este extins (restabilit la valoarea sa originală), în timp ce nivelul de interferență și zgomot care a pătruns în canalul de transmisie (înregistrare) este redus. De aici și numele sistemelor: Compresor + Expander = Compander .

Deoarece calea de transmisie (înregistrare) a semnalului are două laturi - recepție și transmitere, sau, cu alte cuvinte, intrare și ieșire, iar în sistemele de comandă, procesarea semnalului este efectuată atât la intrare, cât și la ieșire, atunci un astfel de sistem de reducere a zgomotului este denumit în mod obișnuit „bidirecțional” ( în engleză cu două capete ).

Cele mai cunoscute tipuri de compresoare UWB includ sistemul independent de frecvență dbx în bandă largă și familia Dolby NR de sisteme de reducere a zgomotului care utilizează procesare dependentă de frecvență. Principala diferență dintre aceste sisteme este că în procesarea dbx se aplică întregii benzi de frecvență a semnalului audio, în timp ce în sistemele Dolby se aplică separat în una sau mai multe benzi de frecvență, ținând cont de nivelul de volum al fiecăreia dintre ele.

Alte sisteme de reducere a zgomotului compander:

CX - UWB folosit pentru înregistrarea înregistrărilor fonograf (LP) și a canalului de disc laser analog (LD), rar în difuzare, aproximativ analog cu Dolby B.
ANRS , Super ANRS - UWB de la JVC (Victor), analogi aproape completi Dolby B și, respectiv, Dolby C.
Telcom, HighCom, HighCom II, Highcom C4 - Telefunken UWB , folosit și în unele modele Nakamichi , UHER și Aiwa . Compatibil „parțial” (condițional) cu Dolby B.
ADRES - UWB de la Toshiba (Aurex). Compatibil cu Dolby.

Squelch pe o singură față

Un alt tip de algoritm implică procesul de îmbunătățire a sunetului materialului existent. În cazul în care nu mai există acces la semnalul original, adică există doar o fonogramă zgomotoasă, semnalul primit este procesat „pe de o parte”, și anume, în timpul redării acestuia. Conform terminologiei acceptate, astfel de supresoare de zgomot sunt numite exact așa - „unilateral” (din engleză single-ended ).

Cel mai simplu mod de a suprima zgomotul este un suprimator de zgomot de prag sau o poartă (din engleză noise-gate ), care blochează trecerea semnalelor în pauzele fonogramei. Acționează ca un simplu comutator - fie trece complet semnalul de intrare la ieșire, fie îl suprimă complet. În modelele moderne, este stabilit un prag sub care semnalul nu trece. Acest lucru nu dă întotdeauna efectul dorit, deoarece în timpul sunetului fragmentelor liniștite, nivelul de zgomot rămâne destul de ridicat și vizibil pentru ureche, sau astfel de fragmente pot fi complet suprimate.

O altă metodă de reducere a zgomotului era comună pe vremea magnetofonelor și se numea DNL (din engleză. Dynamic Noise Limiter - dynamic noise limiter). Pe baza analizei nivelurilor componentelor de înaltă frecvență ale semnalului procesat, acestea au fost atenuate dacă nivelul lor în semnalul inițial era suficient de scăzut și puteau fi neglijate. Pentru aceasta s-a folosit un filtru adaptiv glisant, care și-a modificat lățimea de bandă în funcție de spectrul semnalului procesat. Un reprezentant tipic de acest tip a fost sistemul casnic de reducere a zgomotului „Mayak”.

Odată cu dezvoltarea procesării digitale a semnalului , metoda de scădere spectrală a devenit larg răspândită . Esența metodei este că spectrul de zgomot pur specificat în prealabil (sau alocat automat) este scăzut din spectrul de amplitudine-frecvență al semnalului util. Numărul de benzi de frecvență în care este împărțit semnalul, în funcție de implementarea algoritmului, poate ajunge la câteva mii, adică lățimea de bandă în care se efectuează procesarea va fi unități de Herți. Acest lucru vă permite să filtrați eficient armonicile semnalului audio util din componentele de zgomot.

Reducerea zgomotului în imagini

Reducerea zgomotului imaginii este folosită cel mai adesea pentru a îmbunătăți percepția vizuală, dar poate fi folosită în medicină pentru a crește claritatea imaginii în raze X, ca preprocesare pentru recunoașterea ulterioară și în alte cazuri.

Sursele de zgomot din imagine pot fi:

Zgomot analogic
- Granul de film
- Murdărie, praf
- zgârieturi
- Detașarea emulsiei fotografice
zgomot digital
- Matricea de zgomot termic
- Zgomot de transfer de încărcare
- Zgomot de cuantizare ADC
- Amplificarea semnalelor într-o cameră digitală
- Murdărie, praf pe senzor

Procesarea digitală a imaginilor aplică reducerea zgomotului spațial . Există următoarele metode:

Filtrare adaptivă - medie liniară a pixelilor față de vecini
Filtrarea mediană
Morfologie matematică
estompare gaussiană
Metode bazate pe transformarea wavelet discretă
Metoda componentei principale
Difuzie anizotropă
Filtre Wiener

Reducerea zgomotului video

Reducerea zgomotului video este procesul de eliminare a zgomotului dintr-un semnal video .

Există următoarele metode de reducere a zgomotului video:

Metode spațiale - algoritmii de reducere a zgomotului de imagine sunt aplicați pentru fiecare cadru separat.
Metode temporale - mediere între mai multe cadre consecutive. Pot apărea artefacte sub forma unei imagini divizate.
Metode spatio-temporale - asa-numita filtrare 3D, combina ambele metode, pe baza corelatiei spatio-temporale a imaginii.

Metodele de suprimare a zgomotului într-un semnal video sunt dezvoltate și aplicate în funcție de tipul de zgomot (distorsiune). Tipurile tipice de zgomot sau distorsiuni într-un semnal video sunt:

Zgomot analogic
- Distorsiunea canalului radio
  - Interferență de înaltă frecvență (puncte, linii scurte orizontale colorate etc.)
  - Interferența canalului de luminanță și crominanță (probleme la antenă)
  - Divizarea video - apariția unor contururi false
- distorsiuni VHS
  - distorsiunea culorii
  - Zgomotul canalului de luminanță și crominanță (tipic pentru VHS)
  - Schimbări haotice ale liniilor la marginile cadrului (deplasarea semnalului de sincronizare orizontală)
  - dungi orizontale largi de zgomot (casete vechi sau cap video înfundat)
- distorsiunea filmului
  - Murdărie, praf
  - zgârieturi
  - Detașarea emulsiei fotografice
  - Amprentele digitale
zgomot digital
- Artefacte de compresie - distorsiuni ale compresiei fluxului de date ridicat
- Fringing - pentru rate de biți mici și medii, în special pentru filme de animație
- Împărțirea imaginii în blocuri pătrate („împrăștiere”), estomparea imaginii - distorsiune în cazul pierderii unui semnal digital sau deteriorării suportului (zgârieturi pe DVD, blocaje pe bandă DV).

Anularea activă a zgomotului

Anularea activă a zgomotului este o modalitate de a elimina zgomotul nedorit prin suprapunerea audio generată special.

Vezi și

Note

↑ Pentru o discuție detaliată a subiectului construirii unui amplificator cu zgomot redus pentru domeniul de frecvență audio, consultați articolul Etapa Phono . Despre teoria construirii unui amplificator cu zgomot redus pentru reproducerea unei înregistrări magnetice și a surselor de zgomot în canalul de înregistrare-reproducere al unui magnetofon - Revista Radio, 1982, nr. 4, pp. 42 - 45.
↑ În plus, cu cât pista de înregistrare este mai largă, cu atât este mai mare tensiunea semnalului util la capul repro, ceea ce crește și raportul semnal-zgomot.

Literatură

Alexey Lukin. Suprimarea zgomotului în bandă largă: istorie și noi evoluții. // Inginer de sunet : revistă. - 2008. - Nr. 10 . Arhivat din original la 1 noiembrie 2011.
Ken Gendry. Sisteme de reducere a zgomotului // Inginer de sunet: revistă. - 2004. - Nr. 6,7,8 . Arhivat din original pe 16 martie 2012.
Mihail Cernețki. Sisteme de reducere a zgomotului // Inginer de sunet: revistă. - 2001. - Nr 9 . Arhivat din original pe 17 martie 2012.
Shkritek P. Modalități de reducere a zgomotului și interferențelor // Ghid de referință pentru circuitele de sunet = Handbuch der Audio-Schaltungstechnik. - M . : Mir, 1991. - S. 244-267. — 446 p.
Daria Kalinkina, Dmitri Vatolin. Problema suprimării zgomotului în imagini și video și diverse abordări ale soluției sale // Computer Graphics and Multimedia : journal. - 2005. - Nr. 3 (2) . Arhivat din original pe 22 iunie 2011.

Procesare video
post procesare	Eliberare Scalare Dezintercalarea Înlăturarea zgomotului Eliminarea pâlpâirii
Prelucrare specială	Colorizare ( colorare film ) Clasificarea culorilor Filmare Super Rezoluție Videoclip necomprimat Algoritmi de scalare pixel art
Conversie 24 30 fps $\sageata dreapta$	Telekino ( conversie 3:2 )
Conversie 30 24 fps $\sageata dreapta$	Telecinema inversă