Зниження шуму англ noise reduction процес усування шумів з корисного сигналу з метою підвищення його суб єктивної якості

Зниження шуму (англ. noise reduction) — процес усування шумів з корисного сигналу з метою підвищення його суб'єктивної якості.

Системи шумозниження (СШП) — системи обробки сигналу для збільшення відношення сигнал/шум. Також для визначення СШП в російськомовних джерелах використовується термін рос. шумоподавитель.

Системи шумозниження широко використовуються як для обробки звукового (аудіо) сигналу, так і для відео (фото) сигналу. Більшість СШП діляться на два типи:

Фільтрація. СШП обробляє сигнал при прийманні (відтворенні) або запису (передачі), очищуючи корисний сигнал від шуму. Більшість систем обробки фотозображень налжить до цього типу.
Системи, які модифікують сигнал для передачі. До них належать і аудіо компандерні системи шумозниження.

В електронних системах звукозапису основним джерелом шуму є теплові процеси, що впливають на рух електронів. Ці випадкові теплові зміни в русі підсилюються разом з корисним сигналом і при відтворенні сприймаються як шум.

У випадку кінофотоплівки та магнітної стрічки, шум (видимий і чутний) вноситься структурними часточками носія. В кіноплівці зернистість визначається чутливістю плівки, більш чутлива плівка має більшу зернистість. В магнітній стрічці більші гранули магнітних часток (зазвичай оксид заліза) більш схильні до створення шуму. Для компенсації цього використовуються більші площі плівки чи магнітної стрічки, щоб знизити шуми до допустимого рівня.

Зниження шуму в звуковій техніці

Компандерні системи шумозниження

Для покращання звучання в системах запису і передачі звуку здійснюється передкорекція звукового сигналу з використанням компандера. Компандерні системи шумозниження при передачі використовують попередню компресію сигналу, тобто стиснення динамічного діапазону, а при прийманні (відтворенні) отриманий сигнал експандується, тобто розширюється динамічний діапазон, при цьому зменшується рівень прониклих в канал передачі (запису) завад і шумів. Звідси назва систем: Компресор + Експандер = Компандер.

Оскільки обробка сигналів має дві сторони — приймальну і передавальну, то таку систему шумозниження заведено називати «двосторонньою» (англ. double-ended).

До такого типу відноситься широкосмугова частотнонезалежна система dbx і сімейство систем шумозниження Dolby NR з застосовуванням частотнозалежної обробки. Основна відмінність цих систем в тому, що в dbx обробка використовується до всієї смуги частот звукового сигналу, а в системах Dolby окремо в одній або декількох смугах частот з урахуванням рівня гучності кожної з них.

Односторонні обмежувачі шуму

Другий тип алгоритмів передбачає процес покращення звучання наявного матеріалу. Отриманий сигнал обробляється «з одної сторони», а саме — при його відтворенні. По прийнятій термінології такі СШП називаються «односторонніми» (від англ. single-ended).

Найпростіший обмежувач шуму — пороговий обмежувач шуму або гейт (від англ. noise-gate), який блокує проходження сигналів в паузах фонограми. Він діє як простий вимикач — або повністю пропускає вхідний сигнал на вихід, або повністю його пригнічує. В сучасних моделях задається поріг спрацьовування, нижче якого сигнал не проходить. Це не завжди дає необхідний ефект, оскільки під час звучання тихих фрагментів рівень шуму залишається доволі високим і помітним на слух, або такі фрагменти можуть і зовсім заглушатись.

Інший спосіб обмеження шуму був розповсюджений серед касетних магнітофонів і мав назву DNL (від англ. Dynamic Noise Limiter — динамічний обмежувач шуму). На основі аналізу рівнів ВЧ-складових оброблюваного сигналу відбувалось їх ослаблення в тому випадку, коли їх рівень в загальному сигналі достатньо малий, і ними можна знехтувати. Для цього застосовувався ковзний адаптивний фільтр, який змінював смугу свого пропускання в залежності від спектра оброблюваного сигналу. Типовим представником динамічного типу була СШП "Маяк" (мікросхема К157ХП3, К157ХП4).

З розвитком цифрової обробки сигналів широке розповсюдження отримав метод спектрального віднімання. Суть метода в тому, що з амплітудно-частотного спектра корисного сигналу віднімається вказаний заздалегідь (або вирахуваний автоматично) спектр чистого шуму. Число частотних смуг, на які розбивається сигнал, в залежності від алгоритму може досягати декількох тисяч, тобто ширина смуги, в якій ведеться обробка, буде одиниці Герц. Це дозволяє ефективно відфільтровувати гармоніки корисного звукового сигналу від шумових складових.

Зниження шуму в офісах

Акустичні офісні кабіни Silentbox
Акустична кабіна Silentbox Solo
Акустична кабіна Silentbox Quartet

В офісах для зниження шуму використовують акустичні кабіни. В таких кабінах гарна звукоізоляція — всередині таких кабін можна працювати в тиші, навіть посеред шумного офісу. Або навпаки, проводити переговори і не заважати сусідам по офісу, бо звукоізоляція кабін буде глушити голосні розмови.

Боротьба з шумом на зображеннях

Шумозниження при відтворенні зображень служить для покращання візуального сприйняття, однак можливе застосування в медицині для збільшення чіткості зображення на рентгенограмах, як передобробка для наступного розпізнавання і в інших випадках.

Причинами шумів на зображенні можуть бути:

Аналоговий шум
- Зернистість плівки
- Бруд, пил
- Подряпини
- Відшарування фотографічної емульсії
Цифровий шум
- Тепловий шум матриці
- Шум перенесення заряду
- Шум квантування АЦП
- Підсилення сигналів в цифровому фотоапараті
- Бруд, пил на сенсорі

Цифровий шум може проявлятися в двох формах:

шум світності (градації сірого) — зображення виглядає зернистим або плямистим.
кольоровий шум — зазвичай у вигляді кольорових артефактів на зображенні.

При цифровій обробці зображень використовується просторове шумозниження. Виділяють наступні методи:

Гауссове згладжування може бути застосоване для отримання згладженого чорно-білого зображення з півтонного друку.

Адаптивна фільтрація — лінійне усереднення пікселів по сусіднім
Медіанна фільтрація
Математична морфологія
Гауссове згладжування
Методи на основі дискретного вейвлет-перетворення
Метод головних компонент
Анізотропна дифузія
Фільтри Вінера

Зниження відеошумів

Зниження відеошумів — процес усування шуму з відеосигналу. Виділяють наступні методи шумозниження:

Просторові методи — алгоритми усування шуму на зображенні використовуються для кожного кадру окремо.
Часові методи — усереднення декількох послідовних кадрів. Можуть з'являтись артефакти у вигляді роздвоєння зображення.
Просторово-часові методи — так звана 3D-фільтрація, об'єднують обидва методи, базовані на просторово-часовій кореляції зображення.

Методи усування шуму з відеосигналу розробляються і використовуються в залежності від типу шуму (спотворень). Типовими видами шуму або спотворень відеосигналу є:

Аналоговий шум

Спотворення каналу радіопередачі

ВЧ завади (цятки, короткі горизонтальні кольорові лінії і т. п.)
Завади каналу яскравості і колірності (проблеми з антеною)
Роздвоєння відео — поява хибних контурів

VHS спотворення

Спотворення кольору
Завади каналу яскравості і колірності (типово для VHS)
Хаотичні зсуви ліній розгортки по краях кадру (зміщення сигналу горизонтальної синхронізації)
Широкі горизонтальні шумні смуги (старі касети або забруднення відеоголовки)

Спотворення кіноплівки

Бруд, пил
Подряпини
Відшарування фотографічної емульсії
Відбитки пальців

Цифровий шум

Артефакти стиснення — спотворення сильної компресії потоку даних
Облямівка — для низьких і середніх бітрейтів, особливо для мультиплікаційних фільмів
Розбивання зображення на квадратні блоки («розсипання»), завмирання зображення — спотворення у випадку пропадання цифрового сигналу або ушкодження носія (подряпини на DVD, зминання стрічки DV).

Див. також

Примітки

Зменшення шуму та артефактів JPEG [ 28 вересня 2013 у Wayback Machine.] // Коригування деформації та шуму зображення — Довідка Photoshop

Посилання

Алексей Лукин Подавление широкополосного шума: история и новые разработки. // Звукорежиссёр : журнал. — 2008. — № 10.
Кен Гендри Системы шумоподавления // Звукорежиссёр : журнал. — 2004. — № 6,7,8.
Михаил Чернецкий Системы шумоподавления // Звукорежиссёр : журнал. — 2001. — № 9.
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 ее решению // Компьютерная графика и мультимедиа : журнал. — 2005. — № 3(2).
Pisatel Что такое шум на фотографии и как с ним бороться. Цифрокадр: новости о фотографии, обзоры и сравнения фототехники. digitalgear.ru (6 августа 2009)

[1] Зменшення шуму та артефактів JPEG [ 28 вересня 2013 у Wayback Machine.] // Коригування деформації та шуму зображення — Довідка Photoshop