Lärmminderung: Verbesserung der Klarheit, fortschrittliche Techniken zur Rauschunterdrückung in der Bildverarbeitung

Von Fouad Sabry

Was ist Lärmminderung

Unter Lärmminderung versteht man das Entfernen von Rauschen aus einem Signal. Es gibt Techniken zur Rauschunterdrückung für Audio und Bilder. Algorithmen zur Lärmminderung können das Signal bis zu einem gewissen Grad verzerren. Unter Rauschunterdrückung versteht man die Fähigkeit einer Schaltung, eine unerwünschte Signalkomponente von der gewünschten Signalkomponente zu isolieren, wie beim Gleichtaktunterdrückungsverhältnis.

Ihre Vorteile

(I) Einblicke und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Lärmminderung

Kapitel 2: Dolby-Rauschunterdrückungssystem

Kapitel 3: Dbx (Rauschunterdrückung)

Kapitel 4: Digitale Bildverarbeitung

Kapitel 5: Bildrauschen

Kapitel 6: Wavelet

Kapitel 7: Differenz der Gaußschen Operatoren

Kapitel 8: Bilateraler Filter

Kapitel 9: Nichtlokale Mittelwerte

Kapitel 10: Blockvergleich und 3D-Filterung

(II) Beantwortung der wichtigsten öffentlichen Fragen zur Lärmreduzierung.

(III) Beispiele aus der Praxis für den Einsatz der Lärmreduzierung in vielen Bereichen.

Für wen sich dieses Buch eignet:

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Bastler und diejenigen, die über das Grundwissen oder die Informationen für jede Art von Lärmreduzierung hinausgehen möchten.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 28. Apr. 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Rauschunterdrückung

Das Eliminieren unerwünschter Hintergrundgeräusche aus einem Signal wird als Rauschunterdrückung bezeichnet. Sowohl visuelles als auch akustisches Rauschen kann mit verschiedenen Methoden reduziert werden. Das Signal kann durch Algorithmen zur Rauschunterdrückung leicht verzerrt werden. Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis und die Rauschunterdrückung sind zwei Maße für die Fähigkeit einer Schaltung, unerwünschte Signale herauszufiltern.

Es gibt Eigenschaften, die sowohl analoge als auch digitale Signalprozessoren gemeinsam haben, die sie anfällig für Rauschen machen. Der Mechanismus oder die Signalverarbeitungsalgorithmen eines Geräts können neben dem zufälligen, gleichmäßigen Rauschen, das wir als weißes Rauschen bezeichnen, auch frequenzabhängiges Rauschen erzeugen.

Rauschen ist eine häufige Form des elektronischen Rauschens, die durch die chaotische Bewegung von Elektronen als Reaktion auf Temperaturschwankungen verursacht wird. Die schnelle Addition und Subtraktion dieser bewegten Elektronen zum Ausgangssignal führt zu hörbarem Rauschen.

Die Kornstruktur von Fotofilm und Magnetband bringt Rauschen (sowohl sichtbares als auch hörbares) in die Aufnahme ein. Die Empfindlichkeit eines fotografischen Films wird durch die Größe seiner Körnung bestimmt; Empfindlichere Folien haben größere Körnungen. Das Rauschen im Magnetband nimmt proportional zur Größe der magnetischen Partikel (typischerweise Eisenoxid oder Magnetit) zu. Das Rauschen kann durch die Verwendung von mehr Folie oder Magnetband auf ein erträglicheres Maß reduziert werden.

Um das Rauschen zu reduzieren, modifizieren Algorithmen Signale in der Regel in irgendeiner Weise. Die Vermeidung von Modifikationen an den Signalen ist mit Hilfe des lokalen Signal-und-Rausch-Orthogonalisierungsalgorithmus möglich.

Für die seismische Bildgebung ist die Signalverstärkung besonders wichtig, da das nützliche Signal, das im Hintergrundrauschen verborgen ist, oft übersehen wird, was zu unerwünschten Diskontinuitäten bei seismischen Ereignissen und Artefakten im endgültigen migrierten Bild führen kann. Die Reduzierung von Interpretationsschwierigkeiten und Fehlalarmrisiken bei der Öl- und Gasdetektion kann durch die Verstärkung des Nutzsignals bei gleichzeitiger Dämpfung von zufälligem Rauschen in seismischen Profilen erreicht werden.

Beispiel für eine Rauschunterdrückung

Hier ist ein Beispiel für die Rauschunterdrückung bei 0 dB, 5 dB, 12 dB und 30 dB mit Frequenzglättung bei 150 Hz und einer Attack/Decay-Zeit von 0,15 Sekunden.

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Bei der analogen Bandaufzeichnung ist das Bandrauschen ein großer Leistungsengpass. Dies hängt mit der relativen Bandgeschwindigkeit über die Bandköpfe und der Partikelgröße und -textur der magnetischen Emulsion zusammen, die auf das Aufzeichnungsmedium gesprüht wird.

Single-Ended-Pre-Recording, Rauschunterdrückung, Oberflächenrauschunterdrückung und Codec- oder Dual-Ended-Systeme sind die vier Hauptmethoden zur Rauschunterdrückung. Single-Ended-Pre-Recording-Systeme (wie Dolby HX Pro) zielen darauf ab, das Medium selbst während des Aufnahmeprozesses zu verändern. Kratzer, Knacken und Nichtlinearitäten auf der Oberfläche können während der Wiedergabe von Schallplatten mit Hilfe von Single-Ended-Rauschunterdrückungssystemen wie DNL gemildert werden. Das Phase Linear Autocorrelator Noise Reduction and Dynamic Range Recovery System (Modelle 1000 und 4000) ist ein Single-Ended-Dynamic-Range-Expander, mit dem eine Vielzahl von Rauschen aus Vintage-Aufnahmen entfernt werden kann. Während der Aufnahmephase von Dual-Ended-Systemen (wie Dolby Noise Reduction System oder dbx) wird ein Pre-Emphasis-Prozess angewendet, und während der Wiedergabephase wird ein De-Emphasis-Prozess angewendet.

Während der Aufnahme sorgen duale Kompander-Rauschunterdrückungssysteme für eine Vorbetonung und während der Wiedergabe für eine De-Emphasis-Funktion.

Dolby A und UC, die von Profis für Vinyl-Aufnahmen verwendet werden, und Dolby FM sind Beispiele für solche Systeme, High Com FM und FMX, die im UKW-Rundfunk verwendet werden.

Ray Dolby entwickelte 1966 die erste erfolgreiche Methode zur Reduzierung von Hintergrundgeräuschen in Tonträgern. Dolby Type A war ein Kodierungs-/Dekodierungssystem, das für industrielle Anwendungen entwickelt wurde. Während der Aufnahme (Kodierung) wurde die Amplitude der Frequenzen in vier Bändern erhöht, während der Wiedergabe wurde die Amplitude entsprechend verringert (Dekodierung). Insbesondere würden oberhalb von 1 kHz eines Audiosignals während der Aufnahme leiserer Abschnitte des Signals verstärkt werden. Dadurch verbesserte sich das Signal-Rausch-Verhältnis auf dem Band um bis zu 10 dB, abhängig von der Signalstärke. Der Decoder arbeitete während der Wiedergabe im Rückwärtsgang, wodurch die Hintergrundgeräusche effektiv um bis zu 10 Dezibel gesenkt wurden.

Dolby B war ein verbraucherorientiertes Single-Band-System, das in Zusammenarbeit mit Henry Kloss entwickelt wurde. Dolby B war nicht so leistungsfähig wie Dolby A, konnte aber ohne Decoder wiedergegeben werden, was ein Vorteil war.

Der integrierte Schaltkreis U401BR von Telefunken High Com könnte auch als weitgehend Dolby-B-kompatibler Compander verwendet werden.

In verschiedenen High-Com-Kassettendecks der späten Generation funktionierte die Dolby-B-emulierende D-NR-Expander-Funktionalität nicht nur bei der Wiedergabe, sondern, da sie nicht im Handbuch enthalten ist, auch während der Aufnahme.

Dbx, entwickelt von David E. Blackmer von Dbx, Inc., war ein alternatives analoges Rauschunterdrückungssystem. Die rauschenden Frequenzen wurden verstärkt und ein 2:1-Kompander wurde auf das gesamte Signal angewendet, bevor es mit einem RMS-Algorithmus (Root-Mean-Squared) kodiert und dekodiert wurde. Im Gegensatz zu Dolby B, das ohne Decoder abgespielt werden konnte, nutzte dbx das gesamte hörbare Spektrum. Mit dieser Methode sind jedoch bis zu 30 dB Rauschunterdrückung möglich.

Bei analogen Videoaufnahmen ist keine Rauschunterdrückung im Audiostil erforderlich, da der Luminanzteil (Composite-Videosignal in direkten Farbsystemen) mit der Frequenz moduliert wird, um die Sättigung aufrechtzuerhalten.

Philips führte 1971 den dynamischen Rauschbegrenzer (DNL) für den Einsatz auf Kassettendecks ein, um Hintergrundgeräusche zu reduzieren.

Eine zweite Gruppe von Algorithmen, Zeit-Frequenz-Filter, arbeitet im Zeit-Frequenz-Bereich mit linearen oder nichtlinearen Filtern mit lokalen Eigenschaften. Vor allem, weil sich dort der Großteil der zu erhaltenden Signalenergie befindet.