Introduzione di segnali e sistemi
Questo tutorial copre le basi dei segnali e del sistema necessari per comprendere i concetti di elaborazione delle immagini digitali. Prima di entrare nei concetti di dettaglio, definiamo prima i termini semplici.
Segnali
Nell'ingegneria elettrica, la quantità fondamentale di rappresentare alcune informazioni è chiamata segnale. Non importa quale sia l'informazione, cioè: informazione analogica o digitale. In matematica, un segnale è una funzione che trasmette alcune informazioni. In effetti, qualsiasi quantità misurabile nel tempo nello spazio o qualsiasi dimensione superiore può essere presa come segnale. Un segnale potrebbe essere di qualsiasi dimensione e potrebbe essere di qualsiasi forma.
Segnali analogici
Un segnale potrebbe essere una grandezza analogica, il che significa che è definito rispetto al tempo. È un segnale continuo. Questi segnali sono definiti su variabili indipendenti continue. Sono difficili da analizzare, poiché portano un numero enorme di valori. Sono molto accurati a causa di un ampio campione di valori. Per immagazzinare questi segnali, è necessaria una memoria infinita perché può raggiungere valori infiniti su una linea reale. I segnali analogici sono indicati da onde sin.
Per esempio:
Voce umana
La voce umana è un esempio di segnali analogici. Quando parli, la voce che viene prodotta viaggia nell'aria sotto forma di onde di pressione e appartiene quindi a una funzione matematica, avente variabili indipendenti di spazio e tempo e un valore corrispondente alla pressione dell'aria.
Un altro esempio è l'onda del peccato che è mostrata nella figura sotto.
Y = sin (x) dove x è indipendente
Segnali digitali
Rispetto ai segnali analogici, i segnali digitali sono molto facili da analizzare. Sono segnali discontinui. Sono l'appropriazione di segnali analogici.
La parola digitale sta per valori discreti e quindi significa che usano valori specifici per rappresentare qualsiasi informazione. Nel segnale digitale, solo due valori vengono utilizzati per rappresentare qualcosa, ad esempio: 1 e 0 (valori binari). I segnali digitali sono meno accurati dei segnali analogici perché sono campioni discreti di un segnale analogico prelevati in un certo periodo di tempo. Tuttavia i segnali digitali non sono soggetti a rumore. Quindi durano a lungo e sono facili da interpretare. I segnali digitali sono indicati da onde quadre.
Per esempio:
Tastiera del computer
Ogni volta che un tasto viene premuto dalla tastiera, il segnale elettrico appropriato viene inviato al controller della tastiera contenente il valore ASCII di quel particolare tasto. Ad esempio, il segnale elettrico che viene generato quando si preme il tasto a della tastiera, porta l'informazione della cifra 97 sotto forma di 0 e 1, che è il valore ASCII del carattere a.
Differenza tra segnali analogici e digitali
Elemento di confronto | Segnale analogico | Segnale digitale |
---|---|---|
Analisi | Difficile | Possibile analizzare |
Rappresentazione | Continuo | Discontinuo |
Precisione | Più accurato | Meno accurato |
Conservazione | Memoria infinita | Facile da riporre |
Soggetto a rumore | sì | No |
Tecnica di registrazione | Il segnale originale viene preservato | I campioni del segnale vengono prelevati e conservati |
Esempi | Voce umana, termometro, telefoni analogici ecc | Computer, telefoni digitali, penne digitali, ecc |
Sistemi
Un sistema è definito dal tipo di input e output di cui si occupa. Poiché abbiamo a che fare con segnali, quindi nel nostro caso, il nostro sistema sarebbe un modello matematico, un pezzo di codice / software, o un dispositivo fisico, o una scatola nera il cui input è un segnale ed esegue alcune elaborazioni su quel segnale, e l'uscita è un segnale. L'input è noto come eccitazione e l'uscita è nota come risposta.
Nella figura sopra è stato mostrato un sistema il cui ingresso e uscita sono entrambi segnali ma l'ingresso è un segnale analogico. E l'uscita è un segnale digitale. Significa che il nostro sistema è in realtà un sistema di conversione che converte i segnali analogici in segnali digitali.
Diamo un'occhiata all'interno di questo sistema di scatole nere
Conversione di segnali analogici in digitali
Poiché ci sono molti concetti relativi a questa conversione da analogico a digitale e viceversa. Discuteremo solo di quelli relativi all'elaborazione delle immagini digitali. Ci sono due concetti principali che sono coinvolti nella copertura.
- Sampling
- Quantization
Campionamento
Il campionamento, come suggerisce il nome, può essere definito come prelievo di campioni. Prendi campioni di un segnale digitale sull'asse x. Il campionamento viene effettuato su una variabile indipendente. In caso di questa equazione matematica:
Il campionamento viene eseguito sulla variabile x. Possiamo anche dire che la conversione dell'asse x (valori infiniti) in digitale viene eseguita sotto campionamento.
Il campionamento è ulteriormente suddiviso in up sampling e down sampling. Se l'intervallo di valori sull'asse x è inferiore, aumenteremo il campione di valori. Questo è noto come up sampling e viceversa è noto come down sampling.
Quantizzazione
La quantizzazione, come suggerisce il nome, può essere definita come divisione in quanti (partizioni). La quantizzazione viene eseguita sulla variabile dipendente. È l'opposto del campionamento.
In caso di questa equazione matematica y = sin (x)
La quantizzazione viene eseguita sulla variabile Y. Viene eseguito sull'asse y. La conversione dei valori infiniti dell'asse y in 1, 0, -1 (o qualsiasi altro livello) è nota come quantizzazione.
Questi sono i due passaggi fondamentali coinvolti durante la conversione di un segnale analogico in un segnale digitale.
La quantizzazione di un segnale è stata mostrata nella figura seguente.
Perché dobbiamo convertire un segnale analogico in segnale digitale.
La prima e ovvia ragione è che l'elaborazione delle immagini digitali si occupa di immagini digitali, che sono segnali digitali. Quindi, ogni volta che l'immagine viene catturata, viene convertita in formato digitale e quindi elaborata.
La seconda e importante ragione è che per eseguire operazioni su un segnale analogico con un computer digitale, è necessario memorizzare quel segnale analogico nel computer. E per memorizzare un segnale analogico, è necessaria una memoria infinita per memorizzarlo. E poiché questo non è possibile, ecco perché convertiamo quel segnale in formato digitale e poi lo memorizziamo nel computer digitale e quindi eseguiamo le operazioni su di esso.
Sistemi continui vs sistemi discreti
Sistemi continui
Il tipo di sistemi il cui ingresso e uscita sono entrambi segnali continui o segnali analogici sono chiamati sistemi continui.
Sistemi discreti
Il tipo di sistemi il cui ingresso e uscita sono entrambi segnali discreti o segnali digitali sono chiamati sistemi digitali.