Sygnały i systemy Wprowadzenie

Ten samouczek obejmuje podstawy sygnałów i systemu niezbędne do zrozumienia koncepcji cyfrowego przetwarzania obrazu. Zanim przejdziemy do szczegółowych koncepcji, najpierw zdefiniujmy proste terminy.

Sygnały

W elektrotechnice podstawową wielkością reprezentacji niektórych informacji jest sygnał. Nie ma znaczenia, jaka jest informacja, np .: informacja analogowa czy cyfrowa. W matematyce sygnał jest funkcją przekazującą pewne informacje. W rzeczywistości każda wielkość mierzalna w czasie w przestrzeni lub w jakimkolwiek wyższym wymiarze może być traktowana jako sygnał. Sygnał może mieć dowolny wymiar i dowolną formę.

Sygnały analogowe

Sygnał może być wielkością analogową, co oznacza, że jest zdefiniowany w odniesieniu do czasu. To ciągły sygnał. Sygnały te są definiowane przez ciągłe zmienne niezależne. Są trudne do analizy, ponieważ niosą ze sobą ogromną liczbę wartości. Są bardzo dokładne dzięki dużej próbie wartości. Aby przechowywać te sygnały, potrzebujesz nieskończonej pamięci, ponieważ może ona osiągnąć nieskończone wartości na prawdziwej linii. Sygnały analogowe są oznaczone falami grzechu.

Na przykład:

Głos ludzki

Głos ludzki jest przykładem sygnałów analogowych. Kiedy mówisz, wytwarzany głos przemieszcza się w powietrzu w postaci fal ciśnienia, a zatem należy do funkcji matematycznej, mającej niezależne zmienne dotyczące przestrzeni i czasu oraz wartość odpowiadającą ciśnieniu powietrza.

Innym przykładem jest fala grzechu, którą pokazano na poniższym rysunku.

Y = sin (x), gdzie x jest niezależne

Sygnały cyfrowe

W porównaniu z sygnałami analogowymi sygnały cyfrowe są bardzo łatwe do analizy. Są to nieciągłe sygnały. Są zawłaszczeniem sygnałów analogowych.

Słowo digital oznacza wartości dyskretne, a zatem oznacza, że używają określonych wartości do reprezentowania wszelkich informacji. W sygnale cyfrowym tylko dwie wartości są używane do reprezentowania czegoś, tj .: 1 i 0 (wartości binarne). Sygnały cyfrowe są mniej dokładne niż sygnały analogowe, ponieważ są to dyskretne próbki sygnału analogowego pobierane w pewnym okresie czasu. Jednak sygnały cyfrowe nie są narażone na zakłócenia. Tak więc trwają długo i są łatwe do interpretacji. Sygnały cyfrowe są oznaczane falami prostokątnymi.

Na przykład:

Klawiatura komputerowa

Za każdym razem, gdy klawisz zostanie naciśnięty na klawiaturze, odpowiedni sygnał elektryczny jest wysyłany do kontrolera klawiatury zawierającego wartość ASCII tego konkretnego klawisza. Na przykład sygnał elektryczny, który jest generowany po naciśnięciu klawisza na klawiaturze, przenosi informację cyfry 97 w postaci 0 i 1, która jest wartością ASCII znaku a.

Różnica między sygnałami analogowymi i cyfrowymi

Element porównawczy	Sygnał analogowy	Sygnał cyfrowy
Analiza	Trudny	Możliwość analizy
Reprezentacja	Ciągły	Nieciągły
Precyzja	Bardziej precyzyjne	Mniej dokładnie
Przechowywanie	Nieskończona pamięć	Łatwe do przechowywania
Z zastrzeżeniem hałasu	tak	Nie
Technika nagrywania	Oryginalny sygnał zostaje zachowany	Próbki sygnału są pobierane i przechowywane
Przykłady	Głos ludzki, termometr, telefony analogowe itp	Komputery, telefony cyfrowe, pióra cyfrowe itp

Systemy

System jest zdefiniowany przez typ wejścia i wyjścia, z którym ma do czynienia. Ponieważ mamy do czynienia z sygnałami, więc w naszym przypadku nasz system byłby modelem matematycznym, fragmentem kodu / oprogramowaniem, urządzeniem fizycznym lub czarną skrzynką, której wejście jest sygnałem i wykonuje pewne przetwarzanie na tym sygnale, a wyjście jest sygnałem. Wejście jest znane jako wzbudzenie, a wyjście jest znane jako odpowiedź.

Na powyższym rysunku pokazano system, którego wejście i wyjście są sygnałami, ale wejście jest sygnałem analogowym. A wyjście to sygnał cyfrowy. Oznacza to, że nasz system jest w rzeczywistości systemem konwersji, który konwertuje sygnały analogowe na sygnały cyfrowe.

Rzućmy okiem na wnętrze tego systemu czarnej skrzynki

Przetwarzanie sygnałów analogowych na cyfrowe

Ponieważ istnieje wiele koncepcji związanych z tą konwersją analogowo-cyfrową i odwrotnie. Omówimy tylko te, które są związane z cyfrowym przetwarzaniem obrazu. Istnieją dwie główne koncepcje, które są zaangażowane w konwersję.

Sampling
Quantization

Próbowanie

Pobieranie próbek, jak sama nazwa wskazuje, można zdefiniować jako pobieranie próbek. Pobierz próbki sygnału cyfrowego na osi x. Próbkowanie odbywa się na zmiennej niezależnej. W przypadku tego równania matematycznego:

Próbkowanie odbywa się na zmiennej x. Można również powiedzieć, że konwersja osi x (wartości nieskończonych) na cyfrową odbywa się w ramach próbkowania.

Próbkowanie jest dalej dzielone na pobieranie próbek w górę iw dół. Jeśli zakres wartości na osi X jest mniejszy, zwiększymy próbkę wartości. Jest to znane jako pobieranie próbek w górę, a odwrotnie - jako pobieranie próbek w dół.

Kwantyzacja

Kwantyzację, jak sugeruje jej nazwa, można zdefiniować jako podział na kwanty (partycje). Kwantyzacja jest wykonywana na zmiennej zależnej. Jest to przeciwieństwo pobierania próbek.

W przypadku tego równania matematycznego y = sin (x)

Kwantyzacja jest wykonywana na zmiennej Y. Odbywa się na osi y. Konwersja nieskończonych wartości osi y na 1, 0, -1 (lub dowolny inny poziom) jest znana jako kwantyzacja.

Są to dwa podstawowe kroki, które są wykorzystywane podczas konwersji sygnału analogowego na sygnał cyfrowy.

Kwantyzację sygnału pokazano na poniższym rysunku.

Dlaczego musimy konwertować sygnał analogowy na sygnał cyfrowy.

Pierwszym i oczywistym powodem jest to, że cyfrowe przetwarzanie obrazu dotyczy obrazów cyfrowych, czyli sygnałów cyfrowych. Kiedy więc obraz jest przechwytywany, jest konwertowany na format cyfrowy, a następnie przetwarzany.

Drugi i ważny powód jest taki, że aby wykonać operacje na sygnale analogowym za pomocą komputera cyfrowego, należy ten sygnał analogowy przechowywać w komputerze. Aby zapisać sygnał analogowy, do jego przechowywania wymagana jest nieskończona pamięć. A ponieważ nie jest to możliwe, dlatego konwertujemy ten sygnał na format cyfrowy, a następnie przechowujemy go w komputerze cyfrowym, a następnie wykonujemy na nim operacje.