Системы цифровой обработки сигналов

Министерство  образования Российской Федерации 

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования 

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа   №1 

по дисциплине  «Системы цифровой обработки сигналов» 
 
 
 
 
 
 
 

Студент:   07-3К-056 группы, 5 курса,

Специальность 230105

Куликов Петр Михайлович

№: 07-3К-056 

Рецензент: Романов  Дмитрий Александрович 
 
 
 
 
 
 
 
 

Краснодар, 2012 г.

 

Содержание

1. Видеокамеры и их характеристики. 3

2. Квантование информации. 5

3. Модемы и их характеристики. 7 
 

 

1. Видеокамеры и их характеристики.

     Важнейший элемент видеокамеры - это оптика или объектив. Качественная оптика хорошо пропускает свет и дает качественное изображение. Приведу понятный всем пример: современные мобильные телефоны часто имеют матрицу не меньше, чем у простеньких цифровых фотоаппаратов. Но разве вы сравните качество съемки на фотоаппарат и телефон? Никакая матрица у телефона не даст достаточного качества без хорошего объектива, которого не бывает у телефонов. Хорошая оптика - у известных производителей. Это Carl Zeiss (Sony), Leica (Panasonic), Canon.

     Второе, это, электронная матрица ПЗС, которая характеризуется физическим размером и разрешением. Именно эта матрица превращает поступающий световой поток в электрические сигналы, которые затем процессор переводит в нужный формат. Размер матрицы бывает 1/6, 1/4, 1/3. Чем крупнее дробь, тем лучше матрица. Значит, лучше всего размер 1/3, но это уже разряд профессиональных видеокамер, у любительских встречается очень редко, хуже всего - 1/6. Но хуже - это не значит, что плохо. Вообще при хорошем освещении все камеры дают хорошее качество. Проблемы (шумы и артефакты) появляются при снижении освещения. Именно для съемки при неважном или плохом освещении важную роль играет размер матрицы. Но - внимание! - некоторые камеры имеют три матрицы по 1/6 (каждая для отдельного цвета), и такие камеры могут давать лучшую цветопередачу и четкость, чем одна матрица на 1/4. Разрешение матрицы измеряется в пикселах. Нормальное количество пикселей 800000, из них эффективных 640000. Вы, наверняка заметили, что это небольшое разрешение по сравнению с фотокамерами. Дело в том, что видео ограничено стандартами телевидения - 720х576 для PAL и 720х480 для NTSC. Если посчитать, получится что для режима PAL (которым мы пользуемся) достаточно 414720 пикселей. Избыточные пиксели используются для электронной стабилизации и фотосъемки.

     Увеличение (zoom, трансфокатор) современных видеокамер может потрясать воображение. Например, 42х/2000х - это оптический/цифровой зум. При выборе советую обращать внимание только на оптический зум. Оптическое увеличение - это реальные возможности объектива, которые определяются разностью между максимальным и минимальным фокусным расстоянием. Цифровой зум - это фикция. Он осуществляется программными методами и не добавляет изображению деталей. Представьте, что вы открыли небольшую картинку в Фотошопе и поставили увеличение 200-300%. Класс, правда? То же самое делает цифровой зум. Представляете качество цифрового увеличения в 2000 раз? И я бы рекомендовала вам оптический трансфокатор 10х-12х, максимум 20х. Увеличение в 30-40 раз не будет качественным (это не относится к дорогим, профессиональным камерам). Скорее всего, за счет изменения фокуса, такая камера не дает нормального размера еще до включения трансфокатора. Проведите опыт - сравните размер предмета на экране, в видоискателе и просто глазом. Наверняка, у недорогих камер, которые заявляют большой зум, картинка сразу подается увеличенной. То есть, при съемке такой камерой, вам все время придется отходить подальше, а это не всегда возможно. Вот сейчас, чтоб привести пример, открыла первый попавшийся сайт по продаже камер: видеокамера за 300$ имеет зум 42х/2000х, а за 730$ - 10х/200х. Это вам информация к размышлению. Итак, не гонимся за большим увеличением, а цифровой зум безжалостно отключаем.

     Стабилизатор нужен, чтобы уменьшить дрожание и вибрации при съемке с рук. Стабилизаторы бывают оптические и электронные. Оптические - более качественные, стабилизируют даже маленькое дрожание, но из-за конструктивной сложности делают камеру дороже. Хорошая вещь, особенно для неопытных операторов. Электронные стабилизаторы просто используют избыточную часть матрицы ПЗС, т.е. более просты. Имеют ряд недостатков: при повороте камеры принимают это за тряску и пытаются компенсировать ее, в результате, мы получим "залипание" кадра. Если же вы плавно поворачиваете камеру, стабилизатор отключается, чтобы дать вам возможность снять панораму. Значит, при панорамной съемке стабилизации нет совсем. Ну и, наконец, электронный стабилизатор требует определенной освещенности. Если освещение его не устраивает, он просто не срабатывает.

     Ну  и еще несколько моментов, на которые  необходимо обратить внимание:  
Наличие ручных настроек, главным образом, ручной настройки баланса белого.  
Хорошая вещь - аналоговый вход. Видеовыход есть у всех камер, т.е. вы можете подключить камеру к телевизору и сразу смотреть снятое видео. А вот видеовход делает наоборот. С его помощью вы можете записать в цифровом виде телепередачу или перегнать в цифру старые видеокассеты с аналоговым видео.

• Достаточная емкость аккумулятора. Впрочем, если вы собираетесь действительно снимать видео, вам одного аккумулятора будет мало. Аккумулятор обязательно литий-ионный, у него меньше размеры, больше объем, нет эффекта запоминания. Хотя, наверно, никельметаллгидридных и никель-кадмиевых уже не предлагают.

Если у вас  на примете 2-3 камеры примерно одинаковые по функциональности и цене, и вы не можете определиться, обратите внимание на удобство использования камеры. Подержите ее в руках, важно, как  камера "легла", удобно ли пользоваться кнопками, трансфокатором.

 

2. Квантование информации.

     Большую часть информации об окружающей среде  человек воспринимает через органы зрения и слуха. Это естественные для нас формы информации, которые  мы сохраняем в виде изображений  и звуковых записей на различных  носителях.

     Когда мы зрительно наблюдаем ту или  иную область пространства и хотим  сохранить ее описание, то приходим к выводу, что сделать это можно  по-разному. Если планируется сохранить  информацию в виде графического изображения, значит надо как-то описать каждый элемент  области пространства. Но что это  за элементы? Пространство непрерывно, одну и туже область можно разделить на десятки элементов, можно на тысячи, а можно согласиться с тем, что в нем бесчисленное количество элементов - различных точек, которые в свою очередь делятся на микроточки и т.д.

     Компьютерная  же память не резиновая. В ней невозможно сохранить бесконечно много информации. Только ограниченное количество, пусть  и большое. Поэтому предполагаемое для описания пространство, должно быть умозрительно разделено на ограниченное количество элементов. И именно описание этих элементов будет сохранено  в компьютерной памяти.

     Дискретизация – это и есть разделение пространства или времени на фиксированные по размеру области (точки, которые точками, по сути, не являются) или отрезки. Так описываемое двумерное изображение разбивается на маленькие плоскости. В пределах каждой такой плоскости характеристики изображения считаются одинаковыми. Понятно, что при этом часть информации теряется. Мы не получаем точную копию реального объекта, мы лишь описываем его существенные характеристики.

     Итак, мы условно разбили реальность на области и планируем хранить  информацию только о них. Но какую  информацию? Если это изображение, то наверно это должны быть какие-то характеристики изображения. Чем характеризуется  изображение? Как минимум цветом и яркостью. А ведь эти характеристики также не дискретны, а могут иметь  множество непрерывных значений и подзначений. Так степень яркости можно измерять очень точно, а можно приблизительно. Если обозначить полное отсутствие освещенности нулем, а ее максимальное значение – 99 и хранить только целые значения, то их окажется всего 100. Для возможности хранения 100 различных значений достаточно 2⁷ = 128 бит. Но ведь можно измерять и сохранять степень яркости очень точно до тысячных долей единицы и тогда для хранения потребуется намного больше памяти (чтобы было можно записать туда все возможные значения).

     Разделение  непрерывного ряда значений какой-либо характеристики на ограниченное количество диапазонов называют квантованием. В компьютере сохраняется лишь номер диапазона, в который попало конкретное значение свойства.

     Если  при дискретизации разделяется  время или пространство, то при  квантовании этому подвергаются возможные значения свойств.

     Понятно, что чем более дискретна и  квантована естественная информация, тем более точно она сохранена  в памяти компьютера. Однако этой памяти потребуется больше.

      Человеческие органы чувств имеют  свои ограничения. Поэтому различие в цвете двух точек мы можем  не уловить, хотя их физические характеристики длин волн могут различаться. Поэтому  в определенных значениях потеря информации может быть незаметна  для человека. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 1 – Квантование графической информации.

 

3. Модемы  и их характеристики.

     Давно миновали времена, когда компьютер  являлся только «вычислительной машиной». Теперь это уже интеллектуальное многофункциональное устройство, которое дает пользователю возможность общаться с огромным миром информации со всего света. И во многом такое использование стало возможным благодаря устройству, которое позволяет ему связываться с другими компьютерами, — модему. Без модема немыслима система электронных коммуникаций. Это позволяет вам окунуться в увлекательный, а сегодня уже и просто жизненно необходимый мир информационных потоков, электронных баз данных, электронной почты, электронных справочников, электронных досок объявлений и т.д.

     Если  вы хотите оперативно передать файл (с  программой, картинкой или сообщением) вашему другу (или сотруднику), то с помощью модема это делается элементарно. Используя специальную информационную программу, вы звоните по телефону своему партнеру, модемы на ваших компьютерах "договариваются" друг с другом об установлении соединения, и после этого, используя специальный протокол передачи данных, вы передаете файл на удаленный компьютер.

     Само  слово «модем» образовано из двух слов — «МОдулятор / ДЕМодулятор», объясняющих основной принцип действия модемов. Поскольку исторически основным видом коммуникации являются телефонные аналоговые сети, а компьютер — это чисто цифровое устройство, то для их сопряжения и понадобилось устройство, которое переводит цифровые сигналы в аналоговые, «модулируя» нули и единицы разным образом.

     При работе модем входит в соединение с другим модемом по схеме точка - точка. Это означает, что никакой  третий модем не может "вклиниться в разговор". Данные, подлежащие передаче, преобразуются в аналоговый сигнал модулятором модема «передающего» компьютера. Принимающий модем, находящийcя на противоположном конце линии, «слушает» передаваемый сигнал и преобразует его обратно в цифровой с помощью демодулятора. Режим работы, когда передача данных осуществляется только в одном направлении, называется полудуплексом (half duplex), в обе cтороны — дуплексом (full duplex).

     Телефонные  каналы, разработанные специально для  передачи голоса, не очень эффективны для передачи данных, но их преимущество заключается в том, что они густой сетью опутали весь мир и доступны.

     Существуют  еще пока малораспространенные и  дорогие полностью цифровые телефонные сети по стандарту ISDN, которые позволяют  качественно передавать одновременно и голос и данные. Однако и там  нужно переходное устройство, которое  называется ISDN-адаптером, который по внешнему виду похож на модем.

     Современный модем — довольно сложное устройство. состоящее из нескольких основных блоков, обеспечивающих его функциональность. Рассмотрим эти блоки (рисунок 1).

     

     Рисунок 2 – Функциональная схема модема. 

     Самым первым устройством, стоящим со стороны  телефонной линии, является блок интерфейса с телефонной линией. Основными функциями  этого блока являются:

     • обеспечение физического соединения с телефонной линией;

     • защита от перенапряжения и радиопомех;

     • набор номера;

     • фиксация звонков;

     • гальваническая развязка внутренних цепей  модема и телефонной линии.

     Далее сигналы попадают в дифференциальную систему, цель которой — разделение выходных и входных сигналов и компенсация влияния собственного сигнала на входные цепи. В наиболее простых моделях модемов этот узел исполняется в виде пассивной схемы, что зачастую приводит к сильной зависимости качества работы блока от сопротивления конкретной телефонной линии. Избавиться от такой зависимости могут только модели с активной дифференциальной системой, где необходимый для компенсации сигнал постоянно вычисляется сигнальным процессором и, "вычитаемый" из входного сигнала, обеспечивает необходимый уровень компенсации.