Шумопонижение (Orbkhkun'yuny)

Применение шумоподавления на основе вейвлет-преобразования

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, в которых различными схемотехническими методами и применением специальных полупроводниковых приборов и пассивных компонентов достигается максимально возможное отношение сигнал/шум.

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).

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

Компандерные системы шумопонижения

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 различие 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 учётом 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

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 задаётся порог срабатывания, ниже которого сигнал не проходит. Это не всегда даёт необходимый эффект, так как во время звучания тихих фрагментов уровень шума все равно остаётся довольно высоким и заметным на слух, либо такие фрагменты могут и вовсе подавляться.

Другой способ шумоподавления был распространён 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 ведётся обработка, будет составлять единицы Герц. Это позволяет эффективно отфильтровывать гармоники полезного звукового сигнала от шумовых составляющих.

Подавление шума на изображениях

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:

• 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 киноплёнки
    • 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).

Активное шумоподавление

Основная статья: Активное шумоподавление

Активное шумоподавление — способ устранить нежелательный шум с помощью наложения специально сгенерированного звука.

См. также

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

Литература

• Алексей Лукин. Подавление широкополосного шума: история и новые разработки. // Звукорежиссёр : журнал. — 2008. — № 10. Архивировано 1 ноября 2011 года.
• Кен Гендри. Системы шумоподавления // Звукорежиссёр : журнал. — 2004. — № 6,7,8. Архивировано 16 марта 2012 года.
• Михаил Чернецкий. Системы шумоподавления // Звукорежиссёр : журнал. — 2001. — № 9. Архивировано 17 марта 2012 года.
• 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). Архивировано 22 июня 2011 года.