Antialiasing (procesare semnal)
Cu anti-aliasing sau anti-aliasing ( AA ) sunt utilizate în domenii de procesare a semnalului digital , cum ar fi tehnicile de înregistrare sau de captare a imaginilor pentru a reduce respectiv aliasing . Filtrarea trece-jos se aplică semnalului de intrare pentru a atenua componentele de înaltă frecvență responsabile de efectul de aliasare.
fundal
În procesarea semnalului, efectele de aliasare apar la digitalizarea semnalelor analogice: semnalul original este prelevat la intervale regulate de timp și apoi restabilit cu ajutorul unui filtru analogic low-pass atunci când este reprodus ulterior . Conform teoremei de eșantionare Nyquist-Shannon, pentru ca aceasta să fie corect restaurată, semnalul original trebuie să fie eșantionat la o rată care este de peste două ori mai mare decât cea mai mare frecvență din semnal. Dacă teorema de eșantionare este încălcată de o rată de eșantionare prea mică, componentele de frecvență care au fost inițial mai mari de jumătate din rata de eșantionare ( frecvența Nyquist ) sunt interpretate ca frecvențe mai mici, deoarece subeșantionarea are loc pentru ele. Acest fenomen nedorit se numește efect aliasing.
Imaginea din dreapta demonstrează efectul de aliasing: Graficul superior arată semnalul original, a cărui frecvență crește în timp și care este eșantionat la intervale regulate. Semnalul reconstituit (mai jos) reproduce corect semnalul original numai până la frecvența Nyquist. Frecvențele originale ridicate sunt apoi exprimate în reconstrucție ca erori de aliasing care sunt exprimate în amplitudini incorecte și frecvențe aparent mai mici.
Filtrare electronică
În procesarea semnalului digital, așa-numitul prefiltrare pentru a evita aliasarea este standard. Un semnal de trecere analogic este aplicat semnalului înainte de a fi digitalizat . Acest lucru atenuează frecvențele semnalului peste frecvența Nyquist. Un astfel de filtru electronic ar trebui să fie cât mai abrupt posibil, ceea ce se poate realiza utilizând filtre complexe de ordin superior. Cu toate acestea, părți ale semnalului sub frecvența Nyquist sunt inevitabil atenuate și părți peste frecvența Nyquist nu sunt complet eliminate. Alegerea exactă a frecvenței de întrerupere reprezintă, prin urmare, un compromis între menținerea semnalului util și eliminarea efectului de aliasing.
O metodă mai simplă este atunci când este posibilă supra - probarea semnalului de intrare la o frecvență de două ori sau mai mare . Acest lucru creează o marjă de siguranță între spectrul original și spectrul alias, ceea ce înseamnă că mai puține cerințe pot fi plasate pe filtru. Cerințele din partea digitală sunt crescute pentru aceasta.
Filtrare optică
Fără un filtru anti-aliasing, o imagine poate fi degradată iremediabil datorită următoarelor artefacte, de exemplu:
- marginile obiectelor clar înclinate nu au un curs neted (drept), ci o formă ușoară de undă (aproximativ un model de scară);
- liniile subțiri, clar oblice (de exemplu, frânghia unei nave cu vele îndepărtate, părul în portrete) au această formă în trepte de val pe ambele părți ale marginii lor, astfel o grosime aparent fluctuantă în mod regulat; În funcție de procesarea brută a imaginii senzorului, o decolorare roșiatică alternată cu o decolorare albăstruie poate apărea în secțiunile mai groase, deoarece aliasarea optică nu are loc la niveluri de gri, ci la culorile de bază ale unui mozaic al senzorului Bayer .
- Contrastele structurilor foarte fine sunt exagerate în mod nefiresc, deoarece culorile de tranziție dintre două obiecte nu mai sunt proporționale cu acoperirea pixelilor de către cele două obiecte, ci tind să fie similare cu unul sau altul. Urmează, de exemplu:
- Artefactele care pot fi generate prin interpolare a imaginii brute furnizate de senzorul Bayer sunt mult exagerate (de exemplu, decolorare neregulată pe margini);
- Cele moar artefacte în grupuri de linii care nu sunt sau doar ușor înclinate sunt foarte pronunțate.
Această deteriorare prin aliasing în absența unui filtru anti-aliasing este considerată nedorită din cauza lor
- eu. d. R. intensitate de perceptibilitate deosebit de tulburătoare
- Nerespectabilitate în procesarea imaginilor
- Păstrarea vizibilității acestor daune chiar și atunci când se redimensionează la rezoluții mai mici ale dispozitivelor de afișare a imaginii.
- Afectarea eficacității și lipsa artefactelor metodelor de post-procesare a imaginii în care estimarea corectă a marginilor obiectului (în special asupra preciziei sub-pixelilor) joacă un rol, inclusiv
- în algoritmi pentru interpolare care crește rezoluția;
- în algoritmi care evaluează distribuția statistică a gradienților (contrastele de tranziție) pe margini (de exemplu, pentru ascuțire sau pentru a se abține de la claritate în cazul reducerii zgomotului);
- în algoritmi pentru eliminarea zgomotului care evaluează frecvențele detaliilor imaginii (pentru delimitarea zgomotului în funcție de frecvență de detaliile subiectului); Acest lucru interferează cu aliasarea, deoarece artefactele de aliasare apar în intervalele de frecvență înaltă în care apar și componentele principale ale zgomotului senzorului, astfel încât mai puțin zgomot poate fi identificat sau delimitat corect ca atare;
- în algoritmi pentru determinarea clarității sau rezoluției obiectivelor, deoarece imaginile obișnuite de testare utilizate (de exemplu, foarte ușor înclinate, pătrate negre pe un fundal alb) coroborate cu interpretarea tranziției de margine algoritmi matematici presupun o tranziție de margine care curge liniar, deci dintr-un anti intact -Alianta.
Deoarece deteriorarea imaginii prin aliasing nu poate fi restaurată în mod adecvat matematic (algoritmic), pre-filtrarea este implementată în achiziția digitală a imaginii utilizând un filtru optic anti-aliasing care permite doar trecerea frecvențelor spațiale care sunt aproximativ sub frecvența Nyquist. Poate fi mai multe straturi dintr-un material birefringent , cum ar fi cuarțul sau niobatul de litiu , care împart un fascicul de lumină incident în patru fascicule de lumină paralele și astfel în diferite celule sensibile la lumină situate una lângă alta.
literatură
- Gabriele D'Antona, Alessandro Ferrero: Procesarea digitală a semnalului pentru sisteme de măsurare: teorie și aplicații, pp. 115-126. Springer, New York 2006, ISBN 0-387-24966-4
- Rainer Scheithauer: semnale și sisteme, pp. 270–276. Teubner, Stuttgart 2005, ISBN 3-519-16425-6
- Thomas Sandmann: Aliasing , în: Prof. Dr. Dr. Horst Hischer, Lecții de matematică și noi media , Verlag Franzbecker, 2002, ISBN 3-88120-353-2
Link-uri web
Dovezi individuale
- ↑ Adrian Davies, Phil Fennessy: Digital Imaging for Photographers, 30. Focal Press, Oxford 2001, ISBN 0-240-51590-0