Введение

Потеря качества при копировании – это ухудшение качества сигнала.

Потеря качества поколений – это потеря качества при последующем копировании или перекодировании данных. Любой процесс, снижающий качество представления при копировании и приводящий к дальнейшему ухудшению качества при создании копии копии, можно считать формой потери качества поколений. Увеличение размера файла часто является следствием потери качества поколений, поскольку появление артефактов может фактически увеличивать энтропию данных с каждым поколением.

Потеря аналоговой генерации

В аналоговых системах (включая системы, использующие цифровую запись, но осуществляющие копирование через аналоговое соединение) потеря качества при копировании в основном обусловлена шумами и ограничениями полосы пропускания в кабелях, усилителях, микшерах, записывающем оборудовании и любых других компонентах между источником и получателем. Неправильно настроенные распределительные усилители и несогласованные импедансы могут усугубить эти проблемы. Многократное преобразование между аналоговым и цифровым форматами также может приводить к потере качества. Потеря качества при копировании была важным фактором при сложной аналоговой обработке аудио и видео, где многослойные проекты часто создавались путем создания промежуточных миксов, которые затем "сводились" обратно на ленту. Требовалось тщательное планирование для минимизации потери качества, а также возникающих шумов и ухудшения частотной характеристики. Одним из способов уменьшения количества поколений было использование аудио- или видеомикшера, способного одновременно обрабатывать большое количество каналов; в крайнем случае, например, в 48-трековой студии звукозаписи, весь сложный микс мог быть выполнен за одно поколение, хотя это было непозволительно дорого для большинства проектов. Внедрение профессиональных аналоговых систем шумоподавления, таких как Dolby A, помогло снизить заметность потери качества при копировании, но в конечном итоге они были вытеснены цифровыми системами, которые значительно уменьшили эту потерю. Согласно ATIS, "потеря качества при копировании ограничена аналоговой записью, поскольку цифровая запись и воспроизведение могут выполняться таким образом, что практически исключают потерю качества". Кодеки с потерями делают возможными Blu-ray диски и потоковое видео в интернете, поскольку ни один из этих форматов не может обеспечить объемы данных, необходимые для несжатого или сжатого без потерь видео при приемлемой частоте кадров и разрешении. Изображения также могут страдать от потери качества при копировании, как и видео и аудио. Обработка файла, сжатого с потерями, вместо оригинала обычно приводит к большей потере качества, чем получение того же результата из несжатого оригинала. Например, цифровое изображение с низким разрешением для веб-страницы лучше создать из несжатого исходного изображения, чем из уже сжатого JPEG-файла более высокого качества.

Техники, которые вызывают потерю генерации в цифровых системах

В цифровых системах различные методы, такие как кодеки и алгоритмы с потерями, используемые благодаря другим преимуществам, могут приводить к накоплению потерь и требуют осторожного применения. Однако само копирование цифрового файла не вызывает накопления потерь – скопированный файл идентичен оригиналу, при условии использования безупречного канала копирования. Некоторые цифровые преобразования обратимы, а другие – нет. Сжатие без потерь по определению полностью обратимо, в то время как сжатие с потерями отбрасывает часть данных, которые невозможно восстановить. Подобным образом, многие процессы цифровой обработки сигналов (DSP) необратимы. Поэтому важно тщательно планировать цепочку обработки аудио- или видеосигнала от начала до конца и оптимизировать её, чтобы минимизировать количество преобразований и избежать накопления потерь при использовании кодеков с потерями. Часто произвольный выбор разрешения (количества пикселей) и частоты дискретизации для исходного материала, конечного результата и промежуточных этапов может существенно ухудшить качество цифровых сигналов, несмотря на потенциал цифровых технологий для полного устранения накопления потерь. Аналогично, при использовании сжатия с потерями, его желательно применять только один раз, в конце рабочего процесса с файлом, после внесения всех необходимых изменений.

Транскодирование

Преобразование между форматами с потерями – будь то декодирование и перекодирование в тот же формат, между разными форматами или между разными битрейтами или параметрами одного и того же формата – приводит к потере качества при каждом поколении. Повторное применение сжатия и декомпрессии с потерями может усугубить эту потерю, особенно если параметры, используемые в разных поколениях, не согласованы. В идеале алгоритм должен быть одновременно идемпотентным, то есть при декодировании и последующем перекодировании с идентичными настройками не должно возникать потерь, и масштабируемым, то есть при перекодировании с более низкими настройками качества результат должен быть таким же, как если бы кодирование выполнялось из исходного сигнала – см. Scalable Video Coding (масштабируемое кодирование видео). В более общем плане, транскодирование между различными параметрами конкретного кодирования в идеале должно приводить к максимально возможному общему качеству. Например, преобразование изображения с 4 битами красного и 8 битами зеленого в изображение с 8 битами красного и 4 битами зеленого в идеале должно давать изображение с глубиной цвета 4 бита для красного и 4 бита для зеленого, без дополнительной деградации. Некоторые алгоритмы сжатия с потерями в этом отношении работают значительно хуже других, не являясь ни идемпотентными, ни масштабируемыми, и внося дополнительную деградацию при изменении параметров. Например, в JPEG изменение настройки качества приводит к использованию различных констант квантования, что вызывает дополнительные потери. Кроме того, поскольку JPEG разделен на блоки 16×16 (или 16×8, или 8×8, в зависимости от субдискретизации цветности), обрезка, которая не выровнена по границе 8×8, сдвигает блоки кодирования, вызывая существенную деградацию – аналогичные проблемы возникают при повороте изображения. Этого можно избежать, используя или аналогичные инструменты для обрезки. Аналогичная деградация происходит, если ключевые кадры видео не совпадают между поколениями.

Редактирование

Цифровая передискретизация, такая как масштабирование изображения, и другие методы цифровой обработки сигналов (DSP) также могут приводить к появлению артефактов или ухудшать отношение сигнал/шум (S/N) при каждом использовании, даже если исходное хранилище данных не имеет потерь. Передискретизация вызывает эффект наложения спектров (aliasing), проявляющийся как размытие низкочастотных составляющих и добавление высокочастотного шума, что приводит к ступенчатости (jaggies). Округление вычислений для соответствия конечной точности приводит к квантованию, вызывающему полосатость (banding); если это компенсируется добавлением шума (dither), то вместо этого возникает шум. В обоих случаях это, в лучшем случае, ухудшает отношение сигнал/шум, и может вызывать артефакты. Квантование можно уменьшить, используя высокую точность при редактировании (особенно числа с плавающей точкой), снижая точность до фиксированной только в конце. Часто конкретные реализации не достигают теоретических идеалов.

Примеры

Последовательные поколения фотокопий приводят к искажению и ухудшению изображения. Задокументировано, что последовательные репосты в Instagram приводят к заметным изменениям. Подобным образом, повторные публикации на YouTube ухудшают качество работы. Схожие эффекты наблюдаются при копировании VHS-кассет. Это происходит потому, что обе платформы используют кодеки с потерями для всех загружаемых данных, даже если загружаемые данные являются дубликатами уже размещенных, а VHS – аналоговый носитель, где такие эффекты, как помехи и шум, оказывают гораздо более заметное влияние на записи.