Көшірмелерде сапаның төмендеуі

Кіріспе

Көшірмелер арасындағы сапаның жоғалуы – сигнал сапасы құбылысы.

Ұрпақ жоғалуы – деректердің кезекті көшірмелері немесе түрлендірілуі (транскодталуы) кезінде сапаның төмендеуі. Көшіру барысында бейнелеу сапасын нашарлататын және көшірмеден көшіру кезінде сапаны одан әрі төмендететін кез келген нәрсе ұрпақ жоғалуының түрі болып саналады. Ұрпақ жоғалуының әдеттегі салдары – файл көлемінің ұлғаюы, себебі артефакттардың пайда болуы деректердің энтропиясын әрбір ұрпақ сайын арттыруы мүмкін.

Аналогты генерациялау шығындары

Аналогты жүйелерде (цифрлық жазуды қолданатын, бірақ аналогты қосылым арқылы көшірме жасайтын жүйелерді қоса алғанда) генерация жоғалуы көбінесе кабельдердегі, күшейткіштердегі, араластырғыштардағы, жазу жабдықтарындағы шу мен өткізу қабілетінің шектеулеріне және бастапқы дерек пен түпкі мақсат арасындағы кез келген басқа да құрылғыларға байланысты туындайды. Дұрыс реттелмеген тарату күшейткіштері мен келіспейтін кедерістер бұл мәселелерді одан да нашарлатады. Аналогтық сигналды цифрлыққа және кері қайталау да жоғалтуға себеп болуы мүмкін. Генерация жоғалуы күрделі аналогты аудио және бейне өңдеуде маңызды мәселе болды, онда көп қабатты өңдеулер көбінесе аралық микстер жасау арқылы жүзеге асырылып, содан кейін олар таспаға "қайта жазылатын" болды. Генерация жоғалуын және оның салдарынан туындайтын шуды, сондай-ақ жиілік диапазонының нашарлауын азайту үшін мұқият жоспарлау қажет болды. Қажетті буын санын азайтудың бір жолы – көптеген арналарды бір уақытта микстей алатын аудио микстерлеу немесе бейне өңдеу жиынтығын пайдалану болды. Мысалы, 48 тректік жазу студиясында, күрделі микстеудің барлығы бір буын ішінде жасалуы мүмкін еді, бірақ мұндай мүмкіндік тек ең жақсы қаржыландырылған жобалар үшін ғана қолжетімді болды. Dolby A сияқты кәсіби аналогты шуды азайту жүйелерінің енгізілуі естілетін генерация жоғалуын азайтуға көмектесті, бірақ олар генерация жоғалуын айтарлықтай азайтатын цифрлық жүйелермен алмастырылды. ATIS-тің мәлімдемесіне сәйкес, "Генерация жоғалуы аналогты жазумен шектеледі, өйткені цифрлық жазу және көбейту генерация жоғалуынсыз жүзеге асырылуы мүмкін". Жоғалтулы кодектер Blu-ray дискілері мен интернет арқылы бейне трансляциясын мүмкін етеді, себебі олар қабылданатын кадр жылдамдығы мен ажыратымдылықта компрессияланбаған немесе жоғалтусыз компрессияланған бейне үшін қажетті деректер көлемін жеткізе алмайды. Кескіндер де видео және аудио сияқты генерация жоғалуынан зардап шегуі мүмкін. Жоғалтулы компрессияланған файлды түпнұсқадан гөрі өңдеу, әдетте, сығылмайтын түпнұсқадан бірдей нәтижені алуға қарағанда сапаның көбірек жоғалуына әкеледі. Мысалы, веб-парақ үшін төмен ажыратымдылықтағы цифрлық кескін, жоғары сапалы қысылған JPEG файлынан емес, сығылмайтын шикі кескінден жасалғанда жақсы болады.

In analog systems (including systems that use digital recording but make the copy over an analog connection), generation loss is mostly due to noise and bandwidth issues in cables, amplifiers, mixers, recording equipment and anything else between the source and the destination. Poorly adjusted distribution amplifiers and mismatched impedances can make these problems even worse. Repeated conversion between analog and digital can also cause loss. Generation loss was a major consideration in complex analog audio and video editing, where multi layered edits were often created by making intermediate mixes which were then "bounced down" back onto tape. Careful planning was required to minimize generation loss, and the resulting noise and poor frequency response. One way of minimizing the number of generations needed was to use an audio mixing or video editing suite capable of mixing a large number of channels at once; in the extreme case, for example with a 48 track recording studio, an entire complex mixdown could be done in a single generation, although this was prohibitively expensive for all but the best funded projects. The introduction of professional analog noise reduction systems such as Dolby A helped reduce the amount of audible generation loss, but were eventually superseded by digital systems which vastly reduced generation loss. According to ATIS, "Generation loss is limited to analog recording because digital recording and reproduction may be performed in a manner that is essentially free from generation loss." Lossy codecs make Blu rays and streaming video over the internet feasible since neither can deliver the amounts of data needed for uncompressed or losslessly compressed video at acceptable frame rates and resolutions. Images can suffer from generation loss in the same way video and audio can. Processing a lossily compressed file rather than an original usually results in more loss of quality than generating the same output from an uncompressed original. For example, a low resolution digital image for a web page is better if generated from an uncompressed raw image than from an already compressed JPEG file of higher quality.

Цифрлық жүйелерде генерация жоғалуына әкелетін техникалар

Цифрлық жүйелерде, жоғалтулы компрессия кодектері мен алгоритмдер сияқты, басқа артықшылықтары бар бірнеше техникалар генерациялық жоғалуға себеп болуы мүмкін және оларды сақтықпен қолдану керек. Дегенмен, цифрлық файлды көшірудің өзі генерациялық жоғалуды тудырмайды – көшірілген файл түпнұсқамен толық сәйкес келеді, егер көшіру каналы мінсіз болса. Кейбір цифрлық түрлендірулер қайтымды, ал кейбіреулері – емес. Жоғалтусыз компрессия, анықтама бойынша, толыққанды қайтымды, ал жоғалтулы компрессия қалпына келтірілмейтін кейбір деректерді жояды. Сол сияқты, көптеген DSP процестері де қайтымсыз болып келеді. Сондықтан, аудио немесе бейне сигналының тізбегін бастапқыдан соңына дейін мұқият жоспарлау және көптеген түрлендірулерді азайту үшін оны қайта құру, жоғалтулы компрессия кодектерін пайдаланғанда генерациялық жоғалуды болдырмау үшін маңызды. Көбінесе, бастапқы, мақсатты және аралық нүктелер үшін пиксельдер саны мен дискретизация жиілігін кездейсоқ таңдау, цифрлық технологияның генерациялық жоғалуды толық жою мүмкіндігіне қарамастан, цифрлық сигналдардың сапасын нашарлата алады. Сол сияқты, жоғалтулы компрессияны қолданғанда, барлық қажетті өзгерістер енгізілгеннен кейін, файлмен жұмыс ағынының соңында бір рет ғана қолдану ұсынылады.

Транскодтау

Жоғалған форматтарды түрлендіру – бірдей форматты декодтау және қайта кодтау, әртүрлі форматтар арасында немесе бір форматтың әртүрлі битрейттері немесе параметрлері арасында – генерациялық жоғалтуға алып келеді. Жоғалтулы сығылу мен сығылуды қайталап қолдану генерациялық жоғалтуға себеп болуы мүмкін, әсіресе егер қолданылған параметрлер ұрпақтар бойынша сәйкес келмесе. Идеалды жағдайда алгоритм өзіне-өзі тең (идемпотентті) болуы керек, яғни сигнал декодталғаннан кейін бірдей параметрлермен қайта кодталса, жоғалту болмайды, сондай-ақ, масштабталатын болуы керек, яғни егер төмен сапалы параметрлермен қайта кодталса, нәтиже бастапқы сигналдан кодталғандай болады – қараңыз, Масштабталатын бейне кодтау. Жалпы алғанда, белгілі бір кодтаудың әртүрлі параметрлері арасындағы транскодтау ең үлкен ортақ сапаны қамтамасыз етуі керек. Мысалы, 4 бит қызыл және 8 бит жасыл түсті бейнеден 8 бит қызыл және 4 бит жасыл түсті бейнеге түрлендіруде идеалды жағдайда 4 бит қызыл және 4 бит жасыл түс тереңдігі бар бейне шығуы керек, қосымша нашарлаусыз. Кейбір жоғалтулы сығылу алгоритмдері бұл жағынан басқаларына қарағанда нашар, олар идемпотентті де, масштабталатын да емес, және параметрлер өзгертілгенде қосымша нашарлауға әкеледі. Мысалы, JPEG-те сапа параметрін өзгерту әртүрлі кванттау тұрақтыларын пайдалануға алып келеді, бұл қосымша жоғалтуға себеп болады. Бұған қоса, JPEG хромалық субдискрецияға байланысты 16×16 блоктарға (немесе 16×8, немесе 8×8) бөлінетіндіктен, 8×8 шекарасына сәйкес келмейтін кесу кодтау блоктарын ығыстырады, бұл айналдыру кезінде ұқсас проблемаларды тудырады. Мұны кесу құралдарын пайдалану арқылы болдырмауға болады. Видеоның кілттік кадрлары ұрпақтан ұрпаққа сәйкес келмесе де ұқсас нашарлаулар пайда болады.

Өңдеу

Цифрлік қайта үлгілендіру, мысалы, кескінді масштабтау және басқа да DSP техникалары қолданылған сайын артефакттар тудыруы немесе сигналдың шу қатынасын (S/N қатынасы) нашарлатуы мүмкін, тіпті негізгі сақтау жоғалтусыз болса да. Қайта үлгілендіру алиасингке алып келеді, соның салдарынан төмен жиілікті компоненттер бұрмаланады және жоғары жиілікті шу қосылады, бұл жақсырақ емес бейнеге (jaggies) себеп болады, ал есептеулерді шекті дәлдікке дейін дөңгелектеу кванттауға алып келеді, бұл жолақтылықты тудырады; егер дитер қолданылса, бұл шуға айналады. Екі жағдайда да, бұл сигналдың S/N қатынасын нашарлатады және артефакттарға себеп болуы мүмкін. Кванттауды өңдеу кезінде жоғары дәлдік (әсіресе, қозғалатын нүктелі сандар) қолдану арқылы азайтуға болады, содан кейін ғана тұрақты дәлдікке дейін төмендетуге болады. Көптеген жағдайларда, нақты іске асырулар теориялық идеалдардан кем түседі.

Мысалдар

Фотокопиялардың бірнеше буыны бейненің бұрмалануына және сапасының нашарлауына алып келеді. Instagram-да бір-бірінен кейін жариялаудың көзге көрінетін өзгерістерге ұшыратыны анықталды. Сол сияқты, YouTube-та бірнеше рет жариялау жұмыстың сапасын төмендетіп жіберді. VHS таспаларын көшіруде де осыған ұқсас әсерлер байқалған. Мұның себебі, екі сервис те жүктелген барлық деректерді жоғалтушы кодектермен өңдейді, тіпті жүктелген дерек бұрыннан сервисте сақталған деректің көшірмесі болса да. Ал VHS – аналогтық құрал болғандықтан, кедергілерден туындаған шу сияқты әсерлер жазбаларға әлдеқайда күшті әсер етеді.