Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кванттық қателікті азайтатын шу
Noise that reduces quantization error
Дитер – кванттық қателікті кездейсоқтандыру үшін қолданылатын, суреттердегі түс жолақтануы сияқты ірі масштабты үлгілердің пайда болуын болдырмайтын қасақана енгізілген шу түрі. Дитер аудио және бейне деректерін өңдеуде жиі қолданылады, сондай-ақ аудионы CD-ге дайындаудың соңғы кезеңдерінің бірі болып табылады. Дитерді қолданудың кең таралған мысалы – сұр түсті кескінді қара-ақ түске түрлендіру, онда жаңа кескіндегі қара нүктелердің тығыздығы бастапқы кескіндегі орташа сұр деңгейге шамалас келеді.
Dither is an intentionally applied form of noise used to randomize quantization error, preventing large scale patterns such as color banding in images. Dither is routinely used in processing of both digital audio and video data, and is often one of the last stages of mastering audio to a CD. A common use of dither is converting a grayscale image to black and white, such that the density of black dots in the new image approximates the average gray level in the original.
Этимология
Дитер термині Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін аналогтық есептеулер және гидравликалық басқарылатын қарулар туралы кітаптарда жарияланды. Лоуренс Г. Робертс кванттау үлгілерін азайту үшін дитерлеу концепциясын алғаш рет 1961 жылғы MIT магистрлік диссертациясында және 1962 жылғы мақаласында қолданды, бірақ ол дитер терминін қолданбады. 1964 жылға қарай дитер осы мақалада сипатталған заманауи мағынасында қолданыла бастады. Бұл техника кемінде 1915 жылдан бері қолданылып келген, бірақ дитер деген атпен емес.
The term dither was published in books on analog computation and hydraulically controlled guns shortly after World War II. Though he did not use the term dither, the concept of dithering to reduce quantization patterns was first applied by Lawrence G. Roberts in his 1961 MIT master's thesis and 1962 article. By 1964 dither was being used in the modern sense described in this article. The technique was in use at least as early as 1915, though not under the name dither.
Цифрлық өңдеу және толқын пішіндерін талдау
Дитер сандық өңдеу және талдау қолданылатын көптеген салаларда пайдаланылады. Осыған цифрлық сигналды өңдеуді қолданатын жүйелер жатады, мысалы, цифрлық аудио, цифрлық бейне, цифрлық фотосурет, сейсмология, радар және ауа райын болжау жүйелері. Кванттау қателікке алып келеді. Егер бұл қателік сигналмен байланысты болса, нәтиже циклдық немесе болжамды болуы мүмкін. Кейбір салаларда, әсіресе қабылдағыш мұндай артефакттарға сезімтал болғанда, циклдық қателіктер жағымсыз артефакттарды тудырады. Осы салаларда дитер енгізу қателікті кездейсоқ шуға айналдырады. Аудио саласы осыған басты мысал. Адамның құлағы Фурье түрлендіргіші сияқты жұмыс істейді, ол жеке жиіліктерді естиді. Сондықтан құлақ бұрмалауға немесе қосымша жиілік мазмұнына өте сезімтал, бірақ барлық жиіліктердегі кездейсоқ шуға, мысалы, дитерленген сигналда кездесетіндей, одан әлдеқайда төмен сезімтал.
Dither is utilized in many different fields where digital processing and analysis are used. These uses include systems using digital signal processing, such as digital audio, digital video, digital photography, seismology, radar and weather forecasting systems. Quantization yields error. If that error is correlated to the signal, the result is potentially cyclical or predictable. In some fields, especially where the receptor is sensitive to such artifacts, cyclical errors yield undesirable artifacts. In these fields introducing dither converts the error to random noise. The field of audio is a primary example of this. The human ear functions much like a Fourier transform, wherein it hears individual frequencies. The ear is therefore very sensitive to distortion, or additional frequency content, but far less sensitive to additional random noise at all frequencies such as found in a dithered signal.
Цифрлық аудио
Аналогтық жүйеде сигнал үздікес болады, бірақ ПКМ цифрлық жүйеде цифрлық жүйеден шыққан сигналдың амплитудасы белгілі бір мәндер немесе сандар жиынтығымен шектеледі. Бұл процесс кванттау деп аталады. Әрбір кодталған мән – дискретті қадам. Егер сигнал дитерсіз квантталса, бастапқы кіріс сигналына қатысты кванттау бұрмалануы пайда болады. Мұны болдырмау үшін сигнал "дитерлендіріледі", бұл процесс математикалық тұрғыдан гармоникаларды немесе өте жағымсыз бұрмалануларды толығымен жояды және оларды тұрақты шу деңгейімен алмастырады. Компакт-дискіге жазылатын аудионың соңғы нұсқасында бір үлгіде тек 16 бит болады, бірақ өндіріс процесінде үлгіні көрсету үшін көбірек биттер қолданылады, оларды CD жасау үшін 16 битке дейін азайту қажет. Мұны істеудің бірнеше тәсілі бар. Мысалы, артық биттерді алып тастау – қысқарту деп аталады. Сондай-ақ, артық биттерді ең жақын мәнге дейін дөңгелектеуге болады. Дегенмен, бұл әдістердің әрқайсысы нәтижеде болжамды және анықталатын қателерге әкеледі. Дитерді пайдалану осы қателерді тұрақты шу деңгейімен алмастырады.
In an analog system, the signal is continuous, but in a PCM digital system, the amplitude of the signal out of the digital system is limited to one of a set of fixed values or numbers. This process is called quantization. Each coded value is a discrete step if a signal is quantized without using dither, there will be quantization distortion related to the original input signal In order to prevent this, the signal is "dithered", a process that mathematically removes the harmonics or other highly undesirable distortions entirely, and that replaces it with a constant, fixed noise level. The final version of audio that goes onto a compact disc contains only 16 bits per sample, but throughout the production process, a greater number of bits are typically used to represent the sample, this must be reduced to 16 bits to make the CD. There are multiple ways to do this. One can, for example, simply discard the excess bits – called truncation. One can also round the excess bits to the nearest value. Each of these methods, however, results in predictable and determinable errors in the result. Using dither replaces these errors with a constant, fixed noise level.
Қолданылуы
Дитер кез келген кванттау немесе қайта кванттау процесінен бұрын қосылады, кванттау шуын кіріс сигналынан ажырату және сызықтық емес мінез-құлықты (бұрмалауды) болдырмау үшін. Аз біт тереңдігімен кванттау үшін дитердің жоғары мөлшері қажет. Процестің нәтижесінде бұрмалау пайда болады, бірақ бұрмалау кездейсоқ сипатта болады, сондықтан пайда болған шу мақсатты сигналдан тиімді түрде ажыратылады. AES журналында жарияланған мақаласында Липшиц пен Вандеркуй әртүрлі шу түрлерінің, әртүрлі ықтималдық тығыздық функцияларымен (PDF), дитерлік сигналдар ретінде қолданылғанда әртүрлі әрекет ететінін көрсетті. Адам көзі диффузияны оның құрамындағы түстердің араласуы ретінде қабылдайды (түсті көруге қараңыз). Дитерленген кескіндер, әсіресе салыстырмалы түрде аз түсті палитраларды пайдаланатындар, әдетте ерекше түйіршіктілік немесе дақты көрініспен ерекшеленеді. Дитерлеу кескінді шумен немесе үлгімен жабдықтайды, және көбінесе үлгі көзге көрінеді. Мұндай жағдайларда, көк шудан жасалған дитер ең аз көзге жағымсыз және алаңдататын болып табылады. Қате диффузиясы әдістері көк шу дитерлеу үлгілерін жасаудың алғашқы әдістерінің бірі болды. Дегенмен, реттелген дитерлеу сияқты басқа да техникалар да артефактілерге ұшырамай, көк шу дитерлеуін жасауға қабілетті.
Dither is added before any quantization or re quantization process, in order to de correlate the quantization noise from the input signal and to prevent non linear behavior (distortion). Quantization with lesser bit depth requires higher amounts of dither. The result of the process still yields distortion, but the distortion is of a random nature so the resulting noise is, effectively, de correlated from the intended signal. In a seminal paper published in the AES Journal, Lipshitz and Vanderkooy pointed out that different noise types, with different probability density functions (PDFs) behave differently when used as dither signals, The human eye perceives the diffusion as a mixture of the colors within it (see color vision). Dithered images, particularly those using palettes with relatively few colors, can often be distinguished by a characteristic graininess or speckled appearance. Dithering introduces noise or a pattern into an image, and often the patterning is visible. In these circumstances, it has been shown that dither generated from blue noise is the least unsightly and distracting. The error diffusion techniques were some of the first methods to generate blue noise dithering patterns. However, other techniques such as ordered dithering can also generate blue noise dithering without the tendency to degenerate into areas with artifacts.
Мысалдар
Суреттің түс тереңдігін азайтудың айқын визуалды әсерлері болуы мүмкін. Егер түпкі сурет фотосурет болса, онда мыңдаған, тіпті миллиондаған түрлі түстер болуы мүмкін. Қолда бар түстерді белгілі бір түс палитрасына шектеу процесі түс туралы белгілі бір ақпаратты жоюға әкеледі. Түсі азайтылған суреттің сапасына әсер ететін бірнеше фактор бар. Ең маңыздысы – азайтылған суретте қолданылатын түс палитрасы. Мысалы, бастапқы сурет (1-сурет) 216 түстік веб-қауіпсіз палитраға дейін азайтылуы мүмкін. Егер бастапқы пикселдердің түстері палитрадан ең жақын түске ауыстырылса, дитерлеу болмайды (2-сурет). Дегенмен, көбінесе бұл тәсіл тегіс аймақтарға (контурларға) және егжей-тегжейлі жоғалуға, сондай-ақ түпкі суреттен ерекшеленетін түсті жапсырмалардың пайда болуына әкеледі. Көлеңкеленген немесе градиентті аймақтарда түс жолақтары пайда болуы мүмкін, бұл көзді алаңдатуы мүмкін. Дитерлеуді қолдану мұндай визуалды артефакттарды азайтуға көмектеседі және әдетте түпкі суретті жақсырақ көрсетеді (3-сурет). Дитерлеу түс жолақтығы мен тегістікті азайтуға көмектеседі. Белгілі бір түс палитрасын пайдаланудың бір мәселесі – қажетті түстердің көп бөлігі палитрада болмауы мүмкін, ал палитрадағы көптеген түстер қажет болмауы мүмкін. Мысалы, көбінесе жасыл түстерден тұратын палитра шөлдің суретіне сәйкес келмейді. Мұндай жағдайларда оңтайландырылған түс палитрасын пайдалану тиімді болуы мүмкін. Оңтайландырылған түс палитрасы – бұл қолда бар түстердің бастапқы суретте қаншалықты жиі қолданылатынына сүйене отырып таңдалған палитра. Егер сурет оңтайландырылған палитра негізінде азайтылса, нәтиже көбінесе түпкі суретке жақын болады (4-сурет). Палитрадағы түстердің саны да маңызды фактор. Мысалы, егер палитра тек 16 түспен шектелсе, алынған суретте егжей-тегжейлі жоғалуы мүмкін, бұл тегістік пен түс жолақтығы мәселелерін одан да күшейтуі мүмкін (5-сурет). Тағы да, дитерлеу мұндай артефакттарды азайтуға көмектеседі (6-сурет).
Reducing the color depth of an image can have significant visual side effects. If the original image is a photograph, it is likely to have thousands or even millions of distinct colors. The process of constraining the available colors to a specific color palette effectively throws away a certain amount of color information. A number of factors can affect the resulting quality of a color reduced image. Perhaps most significant is the color palette that will be used in the reduced image. For example, an original image (Figure 1) may be reduced to the 216 color web safe palette. If the original pixel colors are simply translated into the closest available color from the palette, no dithering will occur (Figure 2). However, typically this approach will result in flat areas (contours) and a loss of detail and may produce patches of color that are significantly different from the original. Shaded or gradient areas may produce color banding which may be distracting. The application of dithering can help to minimize such visual artifacts and usually results in a better representation of the original (Figure 3). Dithering helps to reduce color banding and flatness. One of the problems associated with using a fixed color palette is that many of the needed colors may not be available in the palette, and many of the available colors may not be needed; a fixed palette containing mostly shades of green would not be well suited for an image of a desert, for instance. The use of an optimized color palette can be of benefit in such cases. An optimized color palette is one in which the available colors are chosen based on how frequently they are used in the original source image. If the image is reduced based on an optimized palette the result is often much closer to the original (Figure 4). The number of colors available in the palette is also a contributing factor. If, for example, the palette is limited to only 16 colors then the resulting image could suffer from additional loss of detail, resulting in even more pronounced problems with flatness and color banding (Figure 5). Once again, dithering can help to minimize such artifacts (Figure 6).
Қолданбалар
Дитерлеудің бір кең таралған қолданылуы – дисплей аппараттық қамтамасыз ету мүмкіндігінен артық түстер диапазонын қамтитын графиканы дәл көрсету. Мысалы, дитерлеу бір уақытта 256 түсті ғана көрсете алатын бейнеаппараттарда миллиондаған түсті қамтитын фотосуретті көрсету үшін қолданылуы мүмкін. 256 қолжетімді түс бастапқы суреттің дитерленген жуықтауын жасау үшін пайдаланылады. Дитерлеу болмаса, бастапқы суреттегі түстер ең жақын қолжетімді түске квантталады, нәтижесінде бастапқы суреттің нашар бейнесі көрсетіледі. Ең алғашқы қолданылулары суреттерді 1 биттік қара-ақ түске дейін азайту болды. Бұл, біт карталық бейне графикасынан бұрын, баспаға арналған. X және Apollo сияқты Unix жұмыс станцияларында 1 биттік бейне дисплейлерінде көрсету үшін суреттер жасауда бұл кең таралған. Дитерлеу әдетте алдын ала есептеліп, тек дитерленген сурет сақталады, өйткені есептеу және жад оны тірі есептеу үшін тым шектеулі болды. Үйдегі компьютер пайдаланушылары көрген мысал – жоғары ажыратымдылықтағы монохромды Hercules графикалық карталарында төменгі ажыратымдылықтағы CGA 4 түсті графиканың эмуляциясы, түстер реттелген дитерлік үлгілерге ауыстырылды. Кейбір сұйық кристалды дисплейлер осыған ұқсас әсерді алу үшін уақытша дитерлеуді қолданады. Әр пикселдің түс мәнін панельдің түс кеңістігіндегі екі шамалас түс арасында жылдам ауыстыру арқылы, тек 18 биттік түсті (әр арнаға 6 бит) қолдайтын дисплей панелі 24 биттік түс суретін (әр арнаға 8 бит) көрсетуі мүмкін. Компьютердің дисплей аппараттық құралдары түс тереңдігіне негізгі шектеу болатын мұндай дитерлеу, веб-браузерлер сияқты бағдарламалық жасақтамада жиі қолданылады. Веб-браузер сыртқы көзден графикалық элементтерді алуы мүмкін болғандықтан, браузерге қолжетімді дисплей үшін тым көп түстер бар суреттерде дитерлеуді орындау қажет болуы мүмкін. Диттерлеумен байланысты мәселелерге байланысты, бір мезгілде 256 түсті ғана көрсетуге қабілетті жүйелерде қателіксіз түстерді таңдау үшін «веб-қауіпсіз түстер палитрасы» деп аталатын түстер палитрасы анықталды. Бірақ дисплейдегі қолжетімді түстердің жалпы саны толық түсті цифрлық фотосуреттерді дұрыс көрсету үшін жеткілікті болса да, жолақтық эффект көзге әлі де көрінуі мүмкін, әсіресе тегіс көлеңкелі үлкен аймақтарда. Жылдам дитерлеу бұл мәселені кескінді түйіршікті етусіз шеше алады. Жоғары деңгейдегі сурет өңдеу бағдарламалық жасақтамасы әдетте жақсартылған дисплей үшін осы техникаларды қолданады. Дитерлеудің тағы бір пайдалы қолданылуы – графикалық файл форматы шектеуші фактор болып табылатын жағдайларда. Әсіресе, жиі қолданылатын GIF форматы 256 түс немесе одан аз түс қолданумен шектелген. Мұндай суреттерде суретте қолданылатын түстердің шектеулі саны бар түстер палитрасы болады. Мұндай жағдайларда графикалық өңдеу бағдарламалық жасақтамасы оларды осындай шектеулі форматта сақтаудан бұрын дитерлеуге жауапты болуы мүмкін. Дитерлеу – баспа ісінде қолданылатын жарты тонды техникаға ұқсас. Осы себепті дитерлеу термині кейде жарты тонды техника терминімен бір-бірін алмастыра қолданылады, әсіресе цифрлық баспамен байланысты. Сиялы принтерлердің жеке нүктелерді басып шығару қабілеті баспа ісінде дитерлеуді қолдануды арттырды. Типтік үстелдік сиялы принтер тек 16 түсті басып шығарады, өйткені бұл циан, маджента, сары және қара баспа бас жапқыштарынан нүктелердің немесе нүктелердің болмауының комбинациясы болып табылады. Түстердің үлкен диапазонын қайта жасау үшін дитерлеу қолданылады. Тығыз басылған жерлерде, түс қараңғы болған кезде, дитерлеу әрқашан көрінбейді, өйткені сия нүктелері бірігіп, біркелкі басып шығарады. Алайда, нүктелер бір-бірінен алыс орналасқан, жарық жерлерді мұқият қараған кезде дитерлеу үлгілері байқалады.
One common application of dithering is to more accurately display graphics containing a greater range of colors than the display hardware is capable of showing. For example, dithering might be used in order to display a photographic image containing millions of colors on video hardware that is only capable of showing 256 colors at a time. The 256 available colors would be used to generate a dithered approximation of the original image. Without dithering, the colors in the original image would be quantized to the closest available color, resulting in a displayed image that is a poor representation of the original. The very earliest uses were to reduce images to 1 bit black and white. This may have been done for printing even earlier than for bit mapped video graphics. It was common for making images to display on 1 bit video displays for X and Apollo and similar Unix workstations. The dithering was usually pre computed and only the dithered image was stored; computation and memory were far too limited to compute it live. An example home computer users may have seen was emulation of lower resolution CGA 4 color graphics on higher resolution monochrome Hercules graphics cards, with the colors being translated to ordered dither patterns. Some liquid crystal displays use temporal dithering to achieve a similar effect. By alternating each pixel's color value rapidly between two approximate colors in the panel's color space, a display panel that natively supports only 18 bit color (6 bits per channel) can represent a 24 bit color image (8 bits per channel). Dithering such as this, in which the computer's display hardware is the primary limitation on color depth, is commonly employed in software such as web browsers. Since a web browser may be retrieving graphical elements from an external source, it may be necessary for the browser to perform dithering on images with too many colors for the available display. It was due to problems with dithering that a color palette known as the web safe color palette was identified, for use in choosing colors that would not be dithered on systems capable of displaying only 256 colors simultaneously. But even when the total number of available colors in the display hardware is high enough to properly render full color digital photographs, banding may still be evident to the eye, especially in large areas of smooth shade transitions. Modest dithering can resolve this without making the image appear grainy. High end still image processing software commonly uses these techniques for improved display. Another useful application of dithering is for situations in which the graphics file format is the limiting factor. In particular, the commonly used GIF format is restricted to the use of 256 or fewer colors. Images such as these have a defined color palette containing a limited number of colors that the image may use. For such situations, graphical editing software may be responsible for dithering images prior to saving them in such restrictive formats. Dithering is analogous to the halftone technique used in printing. For this reason, the term dithering is sometimes used interchangeably with the term halftoning, particularly in association with digital printing. The ability of inkjet printers to print isolated dots has increased the use of dithering in printing. A typical desktop inkjet printer can print, at most, just 16 colors as this is the combination of dot or no dot from cyan, magenta, yellow and black print heads. To reproduce a large range of colors, dithering is used. In densely printed areas, where the color is dark the dithering is not always visible because the dots of ink merge producing a more uniform print. However, a close inspection of the light areas of a print where dots are further apart reveals dithering patterns.
Басқа қолданбалар
Стимуляцияланған Бриллуин шашырауы (SBS) – оптикалық талшықты жүйелерде жіберілген оптикалық қуатты шектейтін сызықтық емес оптикалық құбылыс. Бұл қуат шегін лазердің кіріс сигналын модуляциялау арқылы жүзеге асырылатын, жіберу оптикалық орталық жиілігін өзгерту (дитерлеу) арқылы арттыруға болады. Сондай-ақ поляризациялық шатастыруды қараңыз. Фазалық дитерлеу тікелей цифрлық синтездегі шығыс сапасын жақсарту үшін қолданылуы мүмкін. Тағы бір кең таралған қолданысы – таратылған спектрлі сағатты дитерлеуді пайдалану арқылы EMC сынақтарынан өту. Қаржы нарықтарында жоғары жиілікті саудаға қатысуға ынталандыруды азайту мақсатында уақытша дитерлеудің тағы бір түрі енгізілді. 2013 жылы сауда-саттықты бастаған Лондондық валюта нарығы ParFX, келіп түсетін барлық тапсырыстарға қысқа мерзімді кездейсоқ кешігулер қояды; басқа валюта биржалары да осы техниканы сынап баққандары хабарланды. Мұндай уақытша буферлеу немесе дитерлеу акциялар, тауарлар және туынды құралдардың қаржылық саудасында кеңінен қолдануға ұсынылған.
Stimulated Brillouin scattering (SBS) is a nonlinear optical effect that limits the launched optical power in fiber optic systems. This power limit can be increased by dithering the transmit optical center frequency, typically implemented by modulating the laser's bias input. See also polarization scrambling. Phase dithering can be used to improve the quality of the output in direct digital synthesis. Another common application is to get through EMC tests by using spread spectrum clock dithering of frequency to smear out single frequency peaks. Another type of temporal dithering has recently been introduced in financial markets, in order to reduce the incentive to engage in high frequency trading. ParFX, a London foreign exchange market that began trading in 2013, imposes brief random delays on all incoming orders; other currency exchanges are reportedly experimenting with the technique. The use of such temporal buffering or dithering has been advocated more broadly in financial trading of equities, commodities, and derivatives.