Шумопонижение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Применение шумоподавления на основе вейвлет-преобразования

Шумопонижение — процесс устранения шумов из полезного сигнала с целью повышения его субъективного качества. 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, 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. К ним относятся и аудио компандерные системы шумопонижения.

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.

В электронных системах звукозаписи основной формой шума является шипение, вызванное тепловыми процессами, влияющими на направление движения электронов. Эти случайные электроны создают напряжение на выходе, которое при воспроизведении воспринимаются как шум.

В случае кино-фотопленки и магнитной ленты, шум (видимый и слышимый) вносится структурными частицами носителя. В кинопленке зернистость определяется чувствительностью пленки, более чувствительная пленка имеет большую зернистость. В магнитной ленте большие гранулы магнитных частиц (обычно оксид железа) более подвержены к возникновению шума. Для компенсации этого применяются большие площади пленки или магнитной ленты, чтобы снизить шумы до допустимого уровня.

Содержание

Шумоподавление в звуковой технике [править]

Компандерные системы шумопонижения [править]

Для улучшения звучания в системах записи и передачи звука осуществляется предкоррекция звукового сигнала с использованием компандирования. Компандерные системы шумопонижения используют предварительную компрессию сигнала, то есть сжатие динамического диапазона, а при приёме (воспроизведении) полученный сигнал экспандируется, то есть расширяется динамический диапазон, при этом уменьшается уровень проникших помех и шумов в канал передачи (записи). Отсюда название систем: Компрессор + Экспандер = Компандер.

Так как тракт передачи (записи) сигналов имеет две стороны — приёмную и передающую, или, иначе говоря, вход и выход, а в компандерных системах обработка сигнала производится как на входе, так и на выходе, то такую систему шумопонижения принято называть «двухсторонней» (англ. double-ended).

К такому типу относится широкополосная частотнонезависимая система dbx и семейство систем шумопонижения Dolby NR с применением частотнозависимой обработки. Основное отличие этих систем в том, что в dbx обработка применяется ко всей полосе частот звукового сигнала, а в системах Dolby отдельно в одной или нескольких полосах частот с учетом уровня громкости каждой из них.

Односторонние шумоподавители [править]

Другой тип алгоритмов предполагает процесс улучшения звучания уже имеющегося материала. В случае, когда доступа к исходному сигналу уже нет, то есть имеется только зашумленная фонограмма, полученный сигнал обрабатывается «с одной стороны», а именно — при его воспроизведении. По принятой терминологии такие шумоподавители именно так и называются — «односторонние» (от англ. single-ended).

Самый простой способ подавления шума — пороговый шумоподавитель или гейт (от англ. noise-gate), который блокирует прохождение сигналов в паузах фонограммы. Он действует как простой выключатель — либо полностью пропускает входной сигнал на выход, либо полностью его подавляет. В современных моделях задается порог срабатывания, ниже которого сигнал не проходит. Это не всегда дает необходимый эффект, так как во время звучания тихих фрагментов уровень шума все равно остается довольно высоким и заметным на слух, либо такие фрагменты могут быть и вовсе подавляться.

Другой способ шумоподавления был распространен в бытность магнитофонов и носил название DNL (от англ. Dynamic Noise Limiter — динамический ограничитель шума). На основе анализа уровней ВЧ-составляющих обрабатываемого сигнала происходило их ослабление в том случае, если их уровень в исходном сигнале достаточно мал, и ими можно пренебречь. Для этого применялся скользящий адаптивный фильтр, который изменял полосу своего пропускания в зависимости от спектра обрабатываемого сигнала. Типичным представителем данного типа являлась отечественная система шумопонижения "Маяк".

С развитием цифровой обработки сигналов широкое распространение получил метод спектрального вычитания. Суть метода в том, что из амплитудно-частотного спектра полезного сигнала вычитается указанный заранее (или выделяемый автоматически) спектр чистого шума. Число частотных полос, на которые разбивается сигнал, в зависимости от реализации алгоритма может достигать нескольких тысяч, то есть ширина полосы, в которой ведется обработка, будет составлять единицы Герц. Это позволяет эффективно отфильтровывать гармоники полезного звукового сигнал от шумовых составляющих.

Подавление шума на изображениях [править]

Удаление полиграфического растра применением размытия по Гауссу

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:

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

Шумоподавление видео [править]

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-временная 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 [править]

Литература [править]

Источник — «http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Шумопонижение&oldid=54906248»