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.

Шумоподавление в звуковой технике[править | править исходный текст]

Компандерные системы шумопонижения[править | править исходный текст]

Для улучшения звучания в системах записи и передачи звука осуществляется предкоррекция звукового сигнала с использованием компандирования. Компандерные системы шумопонижения используют при передаче (записи) предварительную компрессию сигнала, то есть сжатие динамического диапазона. Это осуществляется путём дополнительного усиления сигналов малого уровня, чтобы поднять их выше уровня шумов передающего тракта или магнитной ленты. Затем, при приёме (воспроизведении) полученный сигнал экспандируется, то есть расширяется (восстанавливается до исходного значения) 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 наиболее известным типам компандерных СШП 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.

Другие компандерные системы шумопонижения:

  • CX — СШП, используемая для записи грампластинок (LP) и аналогового канала лазерных дисков (LD), редко в радиовещании, примерно аналогична Dolby B.
  • ANRS, Super ANRS — СШП фирмы JVC (Victor), практически полные аналоги Dolby B и Dolby C соответственно.
  • Telcom, HighCom, HighCom II, Highcom C4 — СШП фирмы Telefunken, применяются также в некоторых моделях Nakamichi, UHER и Aiwa. "Частично" (условно) совместимы с Dolby B.
  • ADRES — СШП фирмы Toshiba (Aurex). Совместима с Dolby.

Односторонние шумоподавители[править | править исходный текст]

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 | править исходный текст]

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 | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Литература[править | править исходный текст]