Этот учебник охватывает основы сигналов и системы, необходимые для понимания концепций цифровой обработки изображений. Прежде чем углубляться в концепции деталей, давайте сначала определим простые термины.
сигналы
В электротехнике фундаментальное количество представления некоторой информации называется сигналом. Неважно, что это за информация, то есть: аналоговая или цифровая информация. В математике сигнал — это функция, которая передает некоторую информацию. Фактически любая величина, измеряемая во времени в пространстве или любом более высоком измерении, может быть принята как сигнал. Сигнал может быть любого размера и любой формы.
Аналоговые сигналы
Сигнал может быть аналоговой величиной, что означает, что он определен относительно времени. Это непрерывный сигнал. Эти сигналы определены над непрерывными независимыми переменными. Их сложно анализировать, поскольку они несут огромное количество ценностей. Они очень точны из-за большой выборки значений. Для хранения этих сигналов вам требуется бесконечная память, поскольку она может достигать бесконечных значений в реальной строке. Аналоговые сигналы обозначаются синусоидальными волнами.
Например:
Человеческий голос
Человеческий голос является примером аналоговых сигналов. Когда вы говорите, производимый голос путешествует по воздуху в форме волн давления и, таким образом, принадлежит математической функции, имеющей независимые переменные пространства и времени и значение, соответствующее давлению воздуха.
Другой пример — волна греха, которая показана на рисунке ниже.
Y = грех (х), где х не зависит
Цифровые сигналы
По сравнению с аналоговыми сигналами цифровые сигналы очень легко анализировать. Это прерывистые сигналы. Это присвоение аналоговых сигналов.
Слово digital обозначает дискретные значения и, следовательно, оно означает, что они используют конкретные значения для представления любой информации. В цифровом сигнале для представления чего-либо используются только два значения: 1 и 0 (двоичные значения). Цифровые сигналы менее точны, чем аналоговые, потому что они представляют собой дискретные выборки аналогового сигнала, взятые за некоторый период времени. Однако цифровые сигналы не подвержены шуму. Так что они длятся долго и их легко интерпретировать. Цифровые сигналы обозначаются прямоугольными волнами.
Например:
Компьютерная клавиатура
Всякий раз, когда клавиша нажимается на клавиатуре, соответствующий электрический сигнал отправляется на контроллер клавиатуры, содержащий значение ASCII этой конкретной клавиши. Например, электрический сигнал, который генерируется при нажатии клавиши клавиатуры a, несет информацию о цифре 97 в форме 0 и 1, которая является значением ASCII символа a.
Разница между аналоговыми и цифровыми сигналами
| Элемент сравнения | Аналоговый сигнал | Цифровой сигнал |
|---|---|---|
| Анализ | Сложно | Можно анализировать |
| Представление | непрерывный | прерывистый |
| точность | Более точным | Менее точный |
| Место хранения | Бесконечная память | Легко хранится |
| С учетом шума | да | нет |
| Техника записи | Исходный сигнал сохраняется | Образцы сигнала взяты и сохранены |
| Примеры | Человеческий голос, термометр, аналоговые телефоны и т. Д. | Компьютеры, цифровые телефоны, цифровые ручки и т. Д. |
системы
Система определяется типом ввода и вывода, с которым она имеет дело. Поскольку мы имеем дело с сигналами, то в нашем случае нашей системой будет математическая модель, фрагмент кода / программного обеспечения или физическое устройство, или черный ящик, вход которого является сигналом, и он выполняет некоторую обработку этого сигнала, и выходной сигнал. Вход известен как возбуждение, а выход известен как ответ.
На приведенном выше рисунке показана система, вход и выход которой являются сигналами, но вход является аналоговым сигналом. И на выходе это цифровой сигнал. Это означает, что наша система на самом деле является системой преобразования, которая преобразует аналоговые сигналы в цифровые сигналы.
Давайте посмотрим на внутреннюю часть этой системы черного ящика
Преобразование аналоговых в цифровые сигналы
Поскольку существует множество концепций, связанных с этим аналого-цифровым преобразованием и наоборот. Мы обсудим только те из них, которые связаны с цифровой обработкой изображений. В покрытии есть две основные концепции.
- отбор проб
- квантование
отбор проб
Выборка, как следует из ее названия, может быть определена как отбор проб. Возьмите образцы цифрового сигнала по оси X. Выборка производится по независимой переменной. В случае этого математического уравнения:
Выборка производится по переменной x. Можно также сказать, что преобразование оси x (бесконечные значения) в цифровое выполняется при выборке.
Выборка далее делится на восходящую выборку и понижающую выборку. Если диапазон значений на оси х меньше, то мы увеличим выборку значений. Это называется повышающей выборкой, и наоборот, понижающей выборкой.
квантование
Квантование, как следует из его названия, может быть определено как деление на кванты (разделы). Квантование производится по зависимой переменной. Это противоположно выборке.
В случае этого математического уравнения y = sin (x)
Квантование выполняется по переменной Y. Это сделано на оси Y. Преобразование бесконечных значений оси y в 1, 0, -1 (или любой другой уровень) называется квантованием.
Это два основных этапа, которые используются при преобразовании аналогового сигнала в цифровой.
Квантование сигнала показано на рисунке ниже.
Зачем нам нужно преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой сигнал.
Первая и очевидная причина заключается в том, что цифровая обработка изображений связана с цифровыми изображениями, которые являются цифровыми сигналами. Поэтому, когда изображение захватывается, оно конвертируется в цифровой формат и затем обрабатывается.
Вторая и важная причина заключается в том, что для выполнения операций с аналоговым сигналом на цифровом компьютере вы должны сохранить этот аналоговый сигнал в компьютере. А чтобы сохранить аналоговый сигнал, для его хранения требуется бесконечная память. И поскольку это невозможно, поэтому мы преобразуем этот сигнал в цифровой формат, а затем сохраняем его на цифровом компьютере и затем выполняем операции с ним.
Непрерывные системы против дискретных систем
Непрерывные системы
Тип систем, чьи вход и выход являются непрерывными или аналоговыми сигналами, называют непрерывными системами.
Дискретные системы
Тип систем, чьи вход и выход представляют собой дискретные сигналы или цифровые сигналы, называют цифровыми системами.