Шумы квантования и алиасинг | Алексей Данилов
В опубликованной недавно статье говорилось о частоте дискретизации и разрядности. Аналоговый сигнал, попадая в цифровую среду, записывается с помощью «ступенек», которые мы можем видеть на графике волны.
Однако логично предположить, что промежуточные участки волны, которые оцифровщику не удалось достоверно отобразить, не могут просто так исчезнуть.
Шумы квантования
Между аналоговым сигналом и его цифровой копией в вашей системе записи существует разница, которая называется ошибками квантования, или шумами квантования.
С помощью несложных математических формул можно вычислить частоту и уровень громкости шумов квантования. Также их характер можно проследить наглядно, если проанализировать отклонения графика оцифрованной волны от оригинальной синусоиды. На рисунке справа показана разница между исходным и оцифрованным сигналом.
Шумы квантования — это неотъемлемая составляющая цифрового звука, они возникают в момент оцифровки. Для минимизации влияния этих шумов на звук в конструкциях конверторов используются специальные фильтры. Покупая оцифровщик с более дорогими характеристиками (например, 24/192), многие не обращают внимания качество этих фильтров, ориентируясь лишь на красивые численные характеристики разрядности и частоты дискретизации.
Чем выше показатели конвертора, тем дороже должны быть фильтры, однако именно на них производители обычно экономят, чтобы сохранить себестоимость на низком уровне и обеспечить себе конкурентоспособность.
Об этих нюансах продавцы умалчивают, рекламируя только нужные параметры. В итоге музыкант получает прибор, звучащий хуже более старых моделей с меньшими показателями разрядности и частоты дискретизации, но с оптимальным качеством фильтров.
Алиасинг
Еще одна неприятная вещь, которая может произойти в процессе семплирования (оцифровки) звука, называется алиасингом. Алиасинг — наложение двух непрерывных сигналов разной частоты друг на друга при семплировании, в результате которого в звуке возникают искажения.
Мы можем представить алиасинг даже визуально. Вспомните вращение колес автомобилей или поездов в старых фильмах. В определенные моменты можно отчетливо заметить, что колеса как бы крутятся в обратную сторону. И это не обман зрения, этот эффект появляется в моменты, когда частота вращения колес приближается к кадровой частоте кинокамеры (обычно это 24 кадра в секунду, но когда-то это значение было на уровне 16-20). Каждая точка колеса, двигаясь по часовой стрелке, успевает пройти почти полный оборот за один кадр, оказываясь с обратной стороны исходной точки, как будто эта точка сдвинулась против часовой стрелки. И мы видим обратное вращение.
В результате алиасинга записанный сигнал отличается от ожидаемого.
В соответствии с
То есть, скажем, если максимальная скорость вращения колес составляет 10 оборотов в секунду, то для устранения эффекта алиасинга фиксировать этот движение нужно с частотой не менее 20 кадров в секунду. А кинокамера – этот тот же семплер, только записывающий не звук, а изображение. При указанных значениях, как бы ни крутилось колесо, камера за один его оборот успеет сделать два семпла, а значит обратного вращения мы уже не увидим.
Так что если нам надо записать звук в пределах 20 кГц (верхний порог идентифицируемых человеческим ухом частот), то семплирование должно происходить с частотой дискретизации не менее 40 кГц.
При этом половина частоты дискретизации называется числом Найквиста (Найквист и Котельников – ученые, которые независимо друг от друга занимались исследованиями данной проблемы).
Однако мы знаем, что даже если наше ухо не распознает какие-то частоты, это еще не значит, что их нет. А раз они есть, то семплер (оцифровщик) попытается их зафиксировать, работая при этом на недостаточной для записи этого спектра частоте дискретизации. И возникнет алиасинг.
Чтобы устранить негативный эффект от алиасинга, при семплировании требуется частота дискретизации с запасом более чем в два раза. Кроме того, необходимо на входе оцифровщика применять фильтры, отсекающие нежелательные частоты выше определенного значения.
Именно поэтому используемые в звукозаписи «стандартные» частоты дискретизации выше 40 кГц – 44.1 и 48 кГц: такое семплирование обеспечивает запас для устранения искажений.
В примере из Википедии можно поочередно услышать «хорошую» и «плохую» запись пилообразной волны на частотах 440, 880 и 1760 Гц. В первом варианте были применены фильтры, а во втором отчетливо слышен алиасинг.
Сегодня уже никого не удивишь даже значениями 32 бита или 96–192 кГц. С каждым годом производители «улучшают» характеристики приборов. Но поскольку, как я уже говорил, для фильтрации более высоких частот требуются более качественные и дорогие фильтры, нередко получается, что конвертор, работающий в режиме 16/44.1, дает более качественный звук, чем конвертор 24/192. Шумы квантования, алиасинг и отсутствие хороших фильтров делают свое дело. И это мы еще опускаем возможные погрешности, связанные с повышенной нагрузкой на систему при работе с более высокими параметрами звука.
Если статья оказалась полезной, вы можете подписаться на обновления этого блога, чтобы бесплатно получать новые материалы на электронную почту. Или вступайте в группу ВКонтакте, оставляйте комментарии в обсуждениях или под статьями здесь.
Также хочу сообщить, что книга «Академия Мюзикмейкера» временно недоступна для покупки напрямую через сайт MusicMaker.Pro, так что по всем вопросам обращайтесь через личные сообщения с соцсетях.
© Алексей ДаниловИллюстрации: А. РублевскийПри перепечатывании ссылка на источник обязательна
Хотите получать новые статьи
прямо на почту?
Подпишитесь на обновления блога А. Данилова
Интересное:
danalex.ru
Алиасинг (обработка сигналов) — это… Что такое Алиасинг (обработка сигналов)?
- Алиасинг (обработка сигналов)
Алиасинг, наложение — в статистике, обработке сигналов и смежных дисциплинах эффект, приводящий к
Алиасинг — одна из главных проблем при аналого-цифровом преобразовании видео- и аудиосигналов. Неправильная дискретизация аналогового сигнала приводит к тому, что высокочастотные его составляющие накладываются на низкочастотные, в результате чего восстановление сигнала во времени приводит к его искажениям. Для предотвращения этого эффекта частота дискретизации должна быть достаточно высокой и сигнал должен быть надлежащим образом отфильтрован перед оцифровкой.
Алиасинг в компьютерной графике — эффект «ступенчатости» изображения, против которого используются различные алгоритмы сглаживания.
Два разных синусоидальных сигнала, при оцифровке неотличимых: высокочастотный с частотой (красный) и низкочастотный (синий).См. также
Ссылки
Категории:- Обработка сигналов
- Артефакты компьютерной графики
Wikimedia Foundation. 2010.
- Казагранди, Николай Николаевич
- Корн, Ицхок
Смотреть что такое «Алиасинг (обработка сигналов)» в других словарях:
Цифровая обработка сигналов — (ЦОС, DSP англ. digital signal processing) преобразование сигналов, представленных в цифровой форме. Любой непрерывный (аналоговый) сигнал может быть подвергнут дискретизации по времени и квантованию по уровню (оцифровке), то… … Википедия
Квантование (обработка сигналов) — У этого термина существуют и другие значения, см. Квантование. Квантованный сигнал … Википедия
Децимация (обработка сигналов) — У этого термина существуют и другие значения, см. Децимация. Децимация (от лат. decimatio, от decem «десять») уменьшение частоты дискретизации дискретного во времени сигнала путем удаления его отсчетов. Отсчёт численное… … Википедия
Алиасинг — Алиасинг, наложение в статистике, обработке сигналов и смежных дисциплинах эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации. Алиасинг одна из главных проблем при аналого цифровом преобразовании… … Википедия
Аналого-цифровой преобразователь — Четырёхканальный аналого цифровой преобразователь Аналого цифровой преобразователь[1][2] … Википедия
АЦП — Четырёхканальный аналого цифровой преобразователь Аналого цифровой преобразователь (АЦП, ADC) устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (DAC)… … Википедия
Цифро-аналоговое преобразование — Четырёхканальный аналого цифровой преобразователь Аналого цифровой преобразователь (АЦП, ADC) устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (DAC)… … Википедия
Передискретизация — Иллюстрация эффекта наложения спектров (алиасинга) при уменьшении разрешения (децимации) растрового изображения. Сверху изображение, уменьшенное без фильтрации. Снизу изображение, уменьшенное с применением фильтра нижних частот. Передискретизация … Википедия
Интерполяционная формула Уиттекера — Шеннона служит для восстановления непрерывного сигнала с ограниченным спектром из последовательности равноотстоящих отсчётов. Интерполяционная формула, как её обычно называют, восходит к работе Эмиля Бореля, датированной 1898 годом, и к работе… … Википедия
Преобразование Фурье — Преобразование Фурье операция, сопоставляющая функции вещественной переменной другую функцию вещественной переменной. Эта новая функция описывает коэффициенты («амплитуды») при разложении исходной функции на элементарные составляющие … … Википедия
dic.academic.ru
Алиасинг | СНИМИ КИНО
В прошлой статье я писал о плюсах и минусах видеосъемки на фотоаппарат. Минусов и правда много, но Full HD со сменной оптикой за $600 — это слишком жирный плюс, чтобы обращать на это внимание. И сегодня я предлагаю разобрать одну из главных проблем съемки на фотоаппарат — это алиасинг.
Когда оцифровывающая система фотоаппарата не может правильно воспроизвести то, что оцифровывает, появляется алиасинг. Вместо реальных деталей система показывает то, что додумала сама. Само название Алиасинг происходит от английского «alias» — фиктивный, вымышленный. И в результате вы получаете искаженное изображение. Вот как это выглядит:
На первой картинке вы видите как воспроизводит предложенный тест обычная видеокамера, на второй — как это делает фотоаппарат и третья картинка — это оригинал предложенного изображения.
Как видите, когда деталей стало слишком много, фотоаппарат решил, что полосы вертикальные, а не горизонтальные. К сожалению, такое часто случается не только во время тестов:
Как видите, здесь камера пририсовала узорчик на роллет. Проблема еще заключается и в том, что такие узорчики не статичны и изменяются, когда вы двигаете камеру, что очень сильно привлекает внимание.
КАК С ЭТИМ БОРОТЬСЯ
Есть как минимум два способа борьбы с алиасингом, которые я знаю: дорогой и бесплатный.
Дорогой способ заключается в том, чтобы купить специальный оптический фильтр, который изобрела компания Mosaic Engineering. Как показано на тестовых видео, он очень хорошо справляется со своей задачей. Такой фильтр будет вам стоить 300-400 долларов.
Если таких денег пока нет, предлагаю вам способ второй — бесплатный. Вам нужно правильно подстраивать камеру и кадрировать сцену таким образом, чтобы алиасинг не был заметен. Помните, что он проявляется только на самых мелких деталях. Попробуйте скадрировать сцену таким образом, чтоб эти мелкие детали можно было размыть или используйте для них мягкий фокус. Когда один мой друг пришел на съемку в полосатой рубашке, и я ничего не смог поделать с алиасингом — я попросил друга переодеться.
Алиасинг — вещь противная, но и с ней можно бороться. Кстати, чем выше класса камера, тем реже этот алиасинг проявляется. Боритесь, и вы обязательно выйдете победителем! В крайнем случае, скажите, что это такой художественный прием. В следующий раз я расскажу вам про Роллинг Шаттер — вещь тоже коварная.
snimikino.com
Алиасинг — Википедия (с комментариями)
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Алиасинг, наложение — в статистике, обработке сигналов и смежных дисциплинах эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации.
Алиасинг — одна из главных проблем при аналого-цифровом преобразовании видео- и аудиосигналов. Неправильная дискретизация аналогового сигнала приводит к тому, что высокочастотные его составляющие накладываются на низкочастотные, в результате чего восстановление сигнала во времени приводит к его искажениям. Для предотвращения этого эффекта частота дискретизации должна быть достаточно высокой и сигнал должен быть надлежащим образом отфильтрован перед оцифровкой.
Алиасинг в компьютерной графике — эффект «ступенчатости» изображения, против которого используются различные алгоритмы сглаживания.
Файл:AliasingSines.svgДва разных синусоидальных сигнала, при оцифровке неотличимых: высокочастотный с частотой Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): f > f_s/2 (красный) и низкочастотный Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): f_s-f (синий).
См. также
Напишите отзыв о статье «Алиасинг»
Ссылки
- [http://www.lavryengineering.com/documents/Sampling_Theory.pdf Sampling Theory white paper] (англ.)
- [http://burtonmackenzie.com/2006/07/i-cant-drive-55.html Frequency Aliasing Demonstration] (англ.)
Отрывок, характеризующий Алиасинг
Видение исчезло и появилось другое… Это был всё тот же самый юноша по имени Аксель, но вокруг него жила уже совершенно другая, потрясающая по своей красоте «реальность», которая больше походила на какую-то ненастоящую, неправдоподобную мечту…Тысячи свечей головокружительно сверкали в огромных зеркалах какого-то сказочного зала. Видимо, это был чей-то очень богатый дворец, возможно даже королевский… Невероятное множество «в пух и в прах» разодетых гостей стояли, сидели и гуляли в этом чудесном зале, ослепительно друг другу улыбаясь и, время от времени, как один, оглядываясь на тяжёлую, золочёную дверь, чего-то ожидая. Где-то тихо играла музыка, прелестные дамы, одна красивее другой, порхали, как разноцветные бабочки под восхищёнными взглядами так же сногсшибательно разодетых мужчин. Всё кругом сверкало, искрилось, сияло отблесками самых разных драгоценных камней, мягко шуршали шелка, кокетливо покачивались огромные замысловатые парики, усыпанные сказочными цветами…
Аксель стоял, прислонившись к мраморной колонне и отсутствующим взглядом наблюдал всю эту блестящую, яркую толпу, оставаясь совершенно равнодушным ко всем её прелестям, и чувствовалось, что, так же, как и все остальные, он чего-то ждал.
Наконец-то всё вокруг пришло в движение, и вся эта великолепно разодетая толпа, как по мановению волшебной палочки, разделилась на две части, образуя ровно посередине очень широкий, «бальный» проход. А по этому проходу медленно двигалась совершенно потрясающая женщина… Вернее, двигалась пара, но мужчина рядом с ней был таким простодушным и невзрачным, что, несмотря на его великолепную одежду, весь его облик просто стушёвывался рядом с его потрясающей партнёршей.
o-ili-v.ru
алиасинг — это… Что такое алиасинг?
Алиасинг — Алиасинг, наложение в статистике, обработке сигналов и смежных дисциплинах эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации. Алиасинг одна из главных проблем при аналого цифровом преобразовании… … Википедия
алиасинг — (Aliasing) Искажения контура масштабируемых изображений, в том числе шрифтов, при воспроизведении их на экране низкого разрешения. В этих случаях изображения растрируются, то есть разбиваются на мелкие элементы (пикселы, или растровые точки) … Шрифтовая терминология
Алиасинг (обработка сигналов) — Алиасинг, наложение в статистике, обработке сигналов и смежных дисциплинах эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации. Алиасинг одна из главных проблем при аналого цифровом преобразовании… … Википедия
Анти-алиасинг — … Википедия
Наложение спектров — Алиасинг, наложение в статистике, обработке сигналов и смежных дисциплинах эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации. Алиасинг одна из главных проблем при аналого цифровом преобразовании… … Википедия
aliasing — Алиасинг (Aliasing) Искажения контура масштабируемых изображений, в том числе шрифтов, при воспроизведении их на экране низкого разрешения. В этих случаях изображения растрируются, то есть разбиваются на мелкие элементы (пикселы, или… … Шрифтовая терминология
Отрицательная частота — Понятие отрицательной и положительной частоты может быть показано на примере вращающегося в ту или другую сторону вектора. Частота со знаком отражает как скорость, так и направление вращения. Скорость выражена в оборотах (циклах) в секунду… … Википедия
Аналого-цифровой преобразователь — Четырёхканальный аналого цифровой преобразователь Аналого цифровой преобразователь[1][2] … Википедия
АЦП — Четырёхканальный аналого цифровой преобразователь Аналого цифровой преобразователь (АЦП, ADC) устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (DAC)… … Википедия
Цифро-аналоговое преобразование — Четырёхканальный аналого цифровой преобразователь Аналого цифровой преобразователь (АЦП, ADC) устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (DAC)… … Википедия
technical_translator_dictionary.academic.ru
Aлиасинг и теорема Найквиста (Котельникова)
Теорема Найквиста (известная также как теорема Котельникова) утверждает, что для корректной передачи и последующего воспроизведения всего спектра частот, содержащегося в сигнале, частота дискретизации должна быть как минимум в два раза больше наивысшей частототной состявляющей, содержащейся в оцифровываемом сигнале. Это означает:
Другими словами, если мы хотим, чтобы наивысшая частота, воспринимаемая человеческим слухом (20 KHz), была корректно преобразована в цифровую форму, необходимая частота дискретизации должна быть как минимум в два раза больше этой частоты. Таким образом, 20 KHz × 2 будет равняться 40 KHz. В математической форме это известно как теорема Найквиста (Nyquist) и выглядит следующим образом:
Если это правило не будет соблюдено, то к сигналу будут подмешаны частоты, изначально не присутствовашие в нем. На схеме ниже проилюстрированно данное явление, известное как Alias Noise или Alising. Частоту, которая будет подмешана к сигналу, можно вычислить по следующей формуле:
Проблема в принебрежении вышеописанным правилом заключается в том, что из серии дискретных значений, полученных в результате преобразования аналогового сигнала в цифровой, можно получить несколько различных сигналов при реконструкции цифрового сигнала обратно в аналоговую форму. При этом, какая из полученых форм волны отражает оригинальную, ставшей исходным материалом для цифрового сигнала, определить не представляется возможным. Это справедливо и в обратном направлении. То есть, для одной и той же серии дискретных значений, родительскими могут быть несколько различных сигналов.
На самом деле, произойдет замена частоты F на часоту Fa. Например, если в АЦП, с чатотой дискретизации 44.1 KHz, будет направлен синусоидальный сигнал с частотой, превышающей половину частоты дискретизации, скажем 30 KHz, то оцифрованный сигнал будет содержать частоту 14.1 KHz (44.1 – 30), вместо исходной 30 KHz. Поэтому, соблюдение правила Найквиста является жесткой необходимостью при оцифковке сигналов.
Одним из средств предотвращения явлений aliasing является включение в цепь АЦП блокирующих фильтров, призванных исключить возможность попадания высокочастотных составляющих, частота которых выше частоты Найквиста (или половины частоты дискретизации), в тракт преобразователя. Однако поскольку на практике добиться этого практически невозможно, часто прибегают к другому методу борьбы с этим явлением, который заключается в увеличении частоты дискретизации и тем самым частоты Найквиста. Это достигается путем передискретизации сигнала.
Похожие статьи
Аудио кодеки
Кодеки сыграли в свое время если не ключевую, то очень существенную роль в дальнейщим развитии технологий в области цифрового звука….
Цифровое представление сигналов – общие сведения
Я думаю не для кого не секрет, что цифровой звук уже давно вошел в нашу повседневную жизнь. Будь то MP3…
Бинарная система
Аналоговый сигнал представляет собой непрерывный сигнал, который теоретически может принимать бесконечное количество значений, поскольку, как известно, на непрерывной линии можно…
Aлиасинг и теорема Найквиста (Котельникова)
Теорема Найквиста (известная также как теорема Котельникова) утверждает, что для корректной передачи и последующего воспроизведения всего спектра частот, содержащегося в…
yoursoundpath.com
aliasing — это… Что такое aliasing?
Aliasing — This article applies to signal processing, including computer graphics. For uses in computer programming, please refer to aliasing (computing). In statistics, signal processing, computer graphics and related disciplines, aliasing refers to an… … Wikipedia
Aliasing — En estadística, procesamiento de señales, computación gráfica y disciplinas relacionadas, el aliasing es el efecto que causa que señales continuas distintas se tornen indistinguibles cuando se muestrean digitalmente. Cuando esto sucede, la señal… … Wikipedia Español
Aliasing — F/A/V An undesirable distortion component that can arise in any digitally encoded information (sound or picture). A&V Distortion in the video signal which may manifest itself in different ways, depending on the type of aliasing: • Spectral… … Audio and video glossary
Aliasing — Treppenstufen Effekt; Treppeneffekt; Stufenbildung * * * Ali|a|sing 〈[ɛılıəsıŋ] n. 15〉 1. verfälschtes Signal 2. 〈EDV〉 gezacktes Erscheinungsbild bestimmter Grafikelemente aufgrund der begrenzten Auflösungsfähigkeit des Bildschirms [engl.] * * *… … Universal-Lexikon
Aliasing — Crénelage Le crénelage (ou crènelage) ou repli de spectre (Aliasing en anglais) est un phénomène qui peut se produire lors du traitement numérique d un signal, lorsque des fréquences qui ne sont pas représentées dans le signal original sont… … Wikipédia en Français
Aliasing — Mit Aliasing wird in der Informatik das Vorhandensein mehrerer Bezeichner für eine Variable mit demselben Speicherort bezeichnet. Es kann hierbei, insbesondere in Verbindung mit Zeigern oder Referenzparametern von Prozeduren, zu undurchsichtigen… … Deutsch Wikipedia
Aliasing — En estadística, procesamiento digital de señales y áreas afines, el aliasing es el efecto indeseable que causa que señales contínuas distintas se tornen indistinguibles cuando se les muestrea digitalmente. Cuando esto sucede, la señal original no … Enciclopedia Universal
aliasing — ali·as·ing (aґle əs ing) 1. introduction of an artifact or error in sampling of a periodic signal when the sampling frequency is too low to properly capture the signal. 2. in pulsed Doppler ultrasonography, an artifact occurring when the… … Medical dictionary
Aliasing — Erscheinung auf Monitoren und Druckern, die schräg oder diagonal verlaufende Linien oder Kreise in einem digitalisierten Bild betrifft. Es kommt zu gezackten oder unregelmäßig verlaufenden Rändern (Treppenstufeneffekt). Unterdrückt werden kann… … Das Lexikon aus „Bernie’s Foto-Programm»
aliasing — Алиасинг (Aliasing) Искажения контура масштабируемых изображений, в том числе шрифтов, при воспроизведении их на экране низкого разрешения. В этих случаях изображения растрируются, то есть разбиваются на мелкие элементы (пикселы, или… … Шрифтовая терминология
aliasing — spektrų sanklota statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. aliasing; spectral foldover vok. Spektrenüberlappung, f rus. наложение спектров, n pranc. superposition des spectres, f … Radioelektronikos terminų žodynas
computers_en_ru.academic.ru
Оставить комментарий