Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Сглаживающий фильтр ( ААР ) представляет собой фильтр , используемый перед пробоотборником сигнала , чтобы ограничить ширину полосы частот в виде сигнала , чтобы удовлетворить Найквист-Шеннон теорема дискретизации по интересующей полосе частот . Поскольку теорема утверждает, что однозначное восстановление сигнала из его выборок возможно, когда мощность частот выше частоты Найквиста равна нулю, фильтр кирпичной стены является идеализированным, но непрактичным AAF. Практический AAF - это компромисс между пропускной способностью и псевдонимом.. Практический фильтр сглаживания, как правило, допускает появление некоторого наложения спектров, ослабление или иное искажение некоторых внутриполосных частот, близких к пределу Найквиста. По этой причине во многих практических системах выборка выше, чем теоретически требуется для идеального AAF, чтобы гарантировать, что все интересующие частоты могут быть восстановлены, практика, называемая передискретизацией .

Оптические приложения [ править ]

Смоделированные фотографии кирпичной стены без (слева) и с (справа) оптического фильтра нижних частот

В случае оптической выборки изображения, как это делают датчики изображения в цифровых камерах , фильтр сглаживания также известен как оптический фильтр нижних частот ( OLPF ), фильтр размытия или фильтр AA . Математика выборки в двух пространственных измерениях аналогична математике выборки во временной области , но технологии реализации фильтров отличаются.

Типичная реализация в цифровых камерах представляет собой два слоя двулучепреломляющего материала, такого как ниобат лития , который распределяет каждую оптическую точку в кластер из четырех точек. [1] Выбор разделения пятен для такого фильтра включает компромисс между резкостью, наложением спектров и коэффициентом заполнения (отношение активной преломляющей области решетки микролинз к общей смежной площади, занимаемой решеткой). В монохромном или три-CCD или Foveon X3 камеры, микролинз массива в одиночку, если около 100% эффективной, может обеспечить значительное сглаживание функции, [2] , а в массиве фильтров цвета (например ,Фильтр Байера ), обычно требуется дополнительный фильтр для уменьшения наложения спектров до приемлемого уровня. [3] [4] [5]

Pentax K-3 от Ricoh представила уникальный датчик на основе сглаживающего фильтра. Фильтр работает за счет микровибрации чувствительного элемента. Пользователь может включить или выключить вибрацию, выбрав сглаживание или отсутствие сглаживания. [6]

Аудио приложения [ править ]

На входе аналого-цифрового преобразователя используются фильтры сглаживания . Подобные фильтры используются в качестве фильтров восстановления на выходе цифро-аналогового преобразователя . В последнем случае фильтр предотвращает формирование изображения - обратный процесс наложения спектров, при котором внутриполосные частоты отражаются вне полосы.

Передискретизация [ править ]

Основная статья: передискретизация

При передискретизации используется более высокая промежуточная частота дискретизации цифрового сигнала, так что почти идеальный цифровой фильтр может резко отсекать наложение спектров вблизи исходной низкой частоты Найквиста и давать лучший фазовый отклик , в то время как гораздо более простой аналоговый фильтр может останавливать частоты выше новой более высокой частоты Найквиста. частота. Поскольку аналоговые фильтры имеют относительно высокую стоимость и ограниченную производительность, ослабление требований к аналоговому фильтру может значительно снизить как наложение спектров, так и стоимость. Кроме того, поскольку некоторый шум усредняется, более высокая частота дискретизации может умеренно улучшить отношение сигнал / шум .

В качестве альтернативы сигнал может быть намеренно дискретизирован с более высокой частотой, чтобы снизить требования к фильтру сглаживания. Например, аудио CD обычно расширяется до 20 кГц, но дискретизируется с частотой Найквиста 22,05 кГц. Путем дискретизации с частотой 2,05 кГц выше, чем требует теорема Найквиста – Шеннона, можно предотвратить как наложение спектров, так и ослабление более высоких звуковых частот даже с помощью менее чем идеальных фильтров.

Полосные сигналы [ править ]

См. Также: Недостаточная выборка

Часто сглаживающий фильтр представляет собой фильтр нижних частот ; Однако это не является обязательным требованием. Обобщения теоремы выборки Найквиста – Шеннона позволяют производить выборку других сигналов с ограниченной полосой пропускания вместо сигналов основной полосы .

Для сигналов с ограниченной полосой пропускания, но не центрированных на нуле, полосовой фильтр можно использовать в качестве фильтра сглаживания. Например, это можно сделать с помощью однополосного модулированного или частотно-модулированного сигнала. Если кто-то желает отобрать FM- радиовещание с центром на 87,9 МГц и полосой пропускания до 200 кГц, тогда соответствующий фильтр сглаживания будет центрирован на 87,9 МГц с полосой пропускания 200 кГц (или полосой пропускания от 87,8 МГц до 88,0 МГц). , а частота дискретизации должна быть не менее 400 кГц, но также должна удовлетворять другим ограничениям для предотвращения наложения спектров . [ указать ]

Перегрузка сигнала [ править ]

См. Также: Отсечение (аудио)

При использовании сглаживающего фильтра очень важно избегать перегрузки входного сигнала. Если сигнал достаточно сильный, это может вызвать ограничение в аналого-цифровом преобразователе даже после фильтрации. Когда искажение из-за ограничения возникает после фильтра сглаживания, это может создавать компоненты за пределами полосы пропускания фильтра сглаживания; эти компоненты могут затем накладываться друг на друга, вызывая воспроизведение других негармонически связанных частот.

См. Также [ править ]

  • Пространственное сглаживание
  • Выборка (обработка сигнала)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Адриан Дэвис и Фил Феннесси (2001). Цифровая обработка изображений для фотографов (Четвертое изд.). Focal Press. ISBN 0-240-51590-0.
  2. ↑ SB Campana и DF Barbe (1974). «Компромисс между псевдонимом и MTF». Материалы электро-оптической системы проектирования конференции - 1974 West International Laser Exposition - Сан - Франциско, штат Калифорния, 5-7 ноября 1974 года. . Чикаго: Industrial and Scientific Conference Management, Inc., стр. 1–9. Bibcode : 1974eosd.conf .... 1С .
  3. ^ Брайан В. Килан (2004). Справочник по качеству изображения: характеристика и прогнозирование . Марсель – Деккер. ISBN 0-8247-0770-2.
  4. ↑ Сидни Ф. Рэй (1999). Научная фотография и прикладная визуализация . Focal Press. п. 61. ISBN 978-0-240-51323-2.
  5. ^ Майкл Goesele (2004). Новые методы получения реальных объектов и источников света в компьютерной графике . Книги по запросу. п. 34. ISBN 978-3-8334-1489-3.
  6. ^ "Pentax K-3" . Проверено 29 ноября 2013 года .