Principy kódování zvuku a obrazu, komprese dat

Kódováním rozumíme proces konverze obrazových či zvukových dat z jednoho do druhého formátu požadovaného pro přenos, ukládání či kompresi / dekompresi.Komprese je proces modifikace, kódování, či konverze bitové struktury dat takovým způsobem, aby zabírala méně místa v úložišti.

Kódování zvukových dat

V případě digitálního záznamu prakticky hovoříme o digitalizaci analogového signálu. Tento proces lze rozdělit do tří operací.

Vzorkování signálu

Příklad převodu analogového signálu do souboru hodnot

Analogový zvukový záznam obsahuje všechny hodnoty hladiny intenzit nahrávaného zvuku. Během vzorkování se z analogového signálu vybírají hladiny intenzity v určitých časových bodech na základě vzorkovací frekvence. Čím více hodnot je takto sesbíráno, tím je záznam kvalitnější a přesnější. Tento proces probíhá z toho důvodu, že v rámci digitálního záznamu nejsme schopni zachytit teoreticky všechny hodnoty hladiny intenzity zvuku, neboť jich je principiálně nekonečně mnoho.

Kvantování signálu je prakticky úrovňovou diskretizací (zaokrouhlujeme skutečné hodnoty na předem vybrané hodnoty). Výsledkem je konečný počet vzorků s konečným počtem jejich hodnot, které lze tedy vyjádřit binárním kódem.

Samotné kódování signálu. Získaný soubor je binárně kódován. Jednotlivým kvantizačním hladinám kvantovaného signálu je přiřazováno binární číslo. Hodnota původního analogového signálu byla během kvantování zaokrouhlena na některou z kvantizačních hladin. Tyto hladiny byly popsány čísly v desítkové soustavě. V průběhu kódování se toto číslo převede do dvojkové soustavy. Původní analogový signál bude tedy vyjádřen sledem jedniček a nul. Ve většině případů probíhá proces kvantování signálu a kódování signálu v jednom zařízení, které se nazývá A/D převodník. Výstupem tohoto zařízení je číslo kódované v přirozeném binárním kódu.

Kódování obrazových dat

Obrazová data jsou kódována velmi podobným způsobem. Namísto amplitudy zvuku je zde ale zaznamenávána vlnová délka světla. Trojrozměrný objekt je za pomocí soustavy čoček zobrazen do roviny. Takto odražené světlo dopadá na CCD (Charge coupled devices), CID (Charge injection Devices) nebo Active pixel CMOS snímač, který převádí dané informace na binární kód za pomocí výše zmíněného postupu, kdy je daný analogový obraz rozvzorkován, diskretizován a násladně kódován do výstupní roviny. Tyto hodnoty jsou reprezentovány tzv. pixely. Každý pixel tvoří kombinace intenzit 3 barev: červené, zelené a modré. Organizací jednotlivých pixelů vzniká poté konečný obraz. Existuje několik faktorů ovlivňujících kvalitu obrazu. Prvním z nich je rozlišení. Jedná se o hodnotu reprezentující jak velký počet pixelů byl použit k tvorbě finálního obrazu. Obecně lze říct že větší rozlišení umožňuje větší vyjádření detailů a tím i vyšší kvalitu obrazu. Druhý faktor ovlivňující kvalitu obrazu je digitální šum. Základním typem je tzv. náhodný šum, který vzniká tepelnými změnami v elektronických součástkách. Ty způsobují změny ve výstupním analogovém signálu a kolísání počtu fotonů dopadajících na světlocitlivé buňky snímače. Tento typ šumu lze eliminovat pořizováním záznamu za dostatečných světelných podmínek, neboť při dostatečnén osvětlení je hladina šumu téměř zanedbatelná. Méně častým typem je tzv. temný šum. Tepelná energie přítomná v polovodičových senzorech může vygenerovat elektircký náboj, aniž by na snímač dopadalo světlo a vznikají tzv. "hot pixels". Tento náboj nelze odlišit od skutečného signálu z expozice, nicméně je možné jej eliminovat testovacím snímkem s uzavřenou závěrkou a dva snímky od sebe v editačním programu "odečíst". Tento typ šumu nejčastěji vzniká při dlouhých či velmi dlouhých expozicích. Zatímco u analogového zpracování obrazu je zesilovací šum dán citlivostí filmu, u digitálních fotoaparátů je čip stále stejný. Hodnoty elektrického náboje vygenerované světelnými senzory jsou před samotným zpracováním zesíleny a právě míra zesílení způsobuje vznik šumu.