Giới thiệu Tín hiệu và Hệ thống

Hướng dẫn này bao gồm các khái niệm cơ bản về tín hiệu và hệ thống cần thiết để hiểu các khái niệm về xử lý hình ảnh kỹ thuật số. Trước khi đi vào các khái niệm chi tiết, trước tiên hãy xác định các thuật ngữ đơn giản.

Tín hiệu

Trong kỹ thuật điện, đại lượng cơ bản đại diện cho một số thông tin được gọi là tín hiệu. Không quan trọng thông tin là gì, tức là: Thông tin tương tự hay kỹ thuật số. Trong toán học, tín hiệu là một hàm truyền đạt một số thông tin. Trên thực tế, bất kỳ đại lượng nào có thể đo được thông qua thời gian trong không gian hoặc bất kỳ chiều cao hơn nào đều có thể được coi là tín hiệu. Một tín hiệu có thể ở bất kỳ thứ nguyên nào và có thể ở bất kỳ hình thức nào.

Tín hiệu tương tự

Một tín hiệu có thể là một đại lượng tương tự có nghĩa là nó được xác định theo thời gian. Đó là một tín hiệu liên tục. Các tín hiệu này được xác định trên các biến độc lập liên tục. Chúng rất khó phân tích, vì chúng mang một số lượng lớn các giá trị. Chúng rất chính xác do có một lượng lớn giá trị mẫu. Để lưu trữ các tín hiệu này, bạn yêu cầu một bộ nhớ vô hạn vì nó có thể đạt được giá trị vô hạn trên một dòng thực. Tín hiệu tương tự được ký hiệu bằng sóng sin.

Ví dụ:

Tiếng người

Giọng nói của con người là một ví dụ về tín hiệu tương tự. Khi bạn nói, giọng nói được tạo ra sẽ truyền qua không khí dưới dạng sóng áp suất và do đó thuộc về một hàm toán học, có các biến độc lập về không gian và thời gian và một giá trị tương ứng với áp suất không khí.

Một ví dụ khác là sóng sin được thể hiện trong hình bên dưới.

Y = sin (x) trong đó x độc lập

Tín hiệu kỹ thuật số

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu kỹ thuật số rất dễ phân tích. Chúng là những tín hiệu không liên tục. Chúng là sự chiếm đoạt của các tín hiệu tương tự.

Từ kỹ thuật số là viết tắt của các giá trị rời rạc và do đó nó có nghĩa là chúng sử dụng các giá trị cụ thể để đại diện cho bất kỳ thông tin nào. Trong tín hiệu kỹ thuật số, chỉ có hai giá trị được sử dụng để biểu diễn một cái gì đó, tức là: 1 và 0 (giá trị nhị phân). Tín hiệu số kém chính xác hơn so với tín hiệu tương tự vì chúng là các mẫu rời rạc của tín hiệu tương tự được lấy trong một khoảng thời gian. Tuy nhiên tín hiệu kỹ thuật số không bị nhiễu. Vì vậy, chúng tồn tại lâu dài và dễ diễn giải. Tín hiệu số được ký hiệu bằng sóng vuông.

Ví dụ:

Bàn phím máy tính

Bất cứ khi nào một phím được nhấn từ bàn phím, tín hiệu điện thích hợp sẽ được gửi đến bộ điều khiển bàn phím có chứa giá trị ASCII của phím cụ thể đó. Ví dụ, tín hiệu điện được tạo ra khi nhấn phím a trên bàn phím, mang thông tin của chữ số 97 ở dạng 0 và 1, là giá trị ASCII của ký tự a.

Sự khác biệt giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu kỹ thuật số

Yếu tố so sánh	Tín hiệu tương tự	Tín hiệu kĩ thuật số
Phân tích	Khó khăn	Có thể phân tích
Đại diện	Tiếp diễn	Không liên tục
Sự chính xác	Chính xác hơn	Kém chính xác hơn
Lưu trữ	Bộ nhớ vô hạn	Dễ dàng lưu trữ
Chịu tiếng ồn	Đúng	Không
Kỹ thuật ghi âm	Tín hiệu gốc được bảo toàn	Các mẫu tín hiệu được lấy và bảo quản
Ví dụ	Giọng người, nhiệt kế, điện thoại tương tự, v.v.	Máy tính, điện thoại kỹ thuật số, bút kỹ thuật số, v.v.

Hệ thống

Hệ thống được xác định bởi kiểu đầu vào và đầu ra mà nó xử lý. Vì chúng tôi đang xử lý các tín hiệu, vì vậy trong trường hợp của chúng tôi, hệ thống của chúng tôi sẽ là một mô hình toán học, một đoạn mã / phần mềm hoặc một thiết bị vật lý hoặc một hộp đen có đầu vào là tín hiệu và nó thực hiện một số xử lý trên tín hiệu đó, và đầu ra là một tín hiệu. Đầu vào được gọi là kích thích và đầu ra được gọi là phản ứng.

Trong hình trên, một hệ thống đã được chỉ ra mà cả đầu vào và đầu ra đều là tín hiệu nhưng đầu vào là tín hiệu tương tự. Và đầu ra là tín hiệu kỹ thuật số. Nó có nghĩa là hệ thống của chúng tôi thực sự là một hệ thống chuyển đổi chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu kỹ thuật số.

Hãy xem bên trong của hệ thống hộp đen này

Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu kỹ thuật số

Vì có rất nhiều khái niệm liên quan đến chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số này và ngược lại. Chúng ta sẽ chỉ thảo luận về những vấn đề liên quan đến xử lý hình ảnh kỹ thuật số. Có hai khái niệm chính liên quan đến phần trình bày.

Sampling
Quantization

Lấy mẫu

Lấy mẫu như tên gọi của nó có thể được định nghĩa là lấy mẫu. Lấy mẫu tín hiệu kỹ thuật số trên trục x. Việc lấy mẫu được thực hiện trên một biến độc lập. Trong trường hợp của phương trình toán học này:

Việc lấy mẫu được thực hiện trên biến x. Chúng ta cũng có thể nói rằng việc chuyển đổi trục x (giá trị vô hạn) sang kỹ thuật số được thực hiện theo mẫu.

Lấy mẫu được chia thành lấy mẫu lên và lấy mẫu xuống. Nếu phạm vi giá trị trên trục x ít hơn thì chúng tôi sẽ tăng mẫu giá trị. Điều này được gọi là lấy mẫu lên và ngược lại được gọi là lấy mẫu xuống.

Lượng tử hóa

Lượng tử hóa như tên gọi của nó gợi ý có thể được định nghĩa là phân chia thành các lượng tử (phân vùng). Lượng tử hóa được thực hiện trên biến phụ thuộc. Nó ngược lại với lấy mẫu.

Trong trường hợp của phương trình toán học này, y = sin (x)

Lượng tử hóa được thực hiện trên biến Y. Nó được thực hiện trên trục y. Việc chuyển đổi các giá trị vô hạn trục y thành 1, 0, -1 (hoặc bất kỳ mức nào khác) được gọi là Lượng tử hóa.

Đây là hai bước cơ bản có liên quan trong khi chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu kỹ thuật số.

Lượng tử hóa một tín hiệu được thể hiện trong hình bên dưới.

Tại sao chúng ta cần chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số.

Lý do đầu tiên và rõ ràng là xử lý hình ảnh kỹ thuật số xử lý hình ảnh kỹ thuật số, đó là tín hiệu kỹ thuật số. Vì vậy, bao giờ hình ảnh được chụp, nó được chuyển đổi thành định dạng kỹ thuật số và sau đó nó được xử lý.

Lý do thứ hai và quan trọng là, để thực hiện các hoạt động trên một tín hiệu tương tự với máy tính kỹ thuật số, bạn phải lưu trữ tín hiệu tương tự đó trong máy tính. Và để lưu trữ một tín hiệu tương tự, cần phải có bộ nhớ vô hạn để lưu trữ tín hiệu đó. Và vì điều đó là không thể, đó là lý do tại sao chúng tôi chuyển đổi tín hiệu đó thành định dạng kỹ thuật số và sau đó lưu trữ trong máy tính kỹ thuật số và sau đó thực hiện các hoạt động trên đó.