A digitális és analóg jel átalakítása, a digitalizálás folyamata

A digitális technika fejlődésével, majd elterjedésével korábban szentnek hitt elméletek dőltek meg. A digitális technika a compact discekkel és a számítógépekkel kilépett a profik elszigetelt világából és tömegcikké vált. A CD/DVD, amely eredetileg hangrögzítésre készült, digitális rögzítés alapján készül. A digitális szó műszaki-technikai értelemben számszerűséget jelent. Elektronikai vonatkozásban ez annyit jelent, hogy egy áramkör kimenetén van vagy nincs feszültség.

A kétféle áramköri állapotot matematikai rendszerrel kapcsolva született meg a digitális technika. Az analóg jelet vizsgálva megállapítható, hogy a jel 0 értéke és a maximum között végtelen sok részre bontható, nem pedig csak kettőre, mint a digitális jelek.

Az analóg jeleket úgy lehet továbbítani, átalakítani, tárolni, hogy egy adott mennyiségű mintát vesznek az analóg jelből, és csak ezeket továbbítják, illetve tárolják, ezekből a mintákból az átviteli lánc végén vissza lehet állítani az eredeti analóg jeleket.

Elméleti számításokkal és kísérletekkel igazolták, hogy a mintavételek számának az átviendő frekvenciának legalább 2,2-szerte nagyobbnak kell lennie. A hangátvitelnél 20 KHz legmagasabb frekvencia átviteléhez másodpercenként 44.000 minta szükséges.

Tekintsük át röviden a kép elektronikus rögzítésének elvét!

Ha egy képet felbontunk finom kép-raszterráccsal, az a képet felépítő elemi négyzetekre bontja. Egy ilyen négyzetet pixelnek nevezünk. A pixel méretének csökkenésével elérhető az a határ, amikor azokat már szabad szemmel nem tudjuk megkülönböztetni.

Az elektronikus rögzítéshez, olyan speciális raszterrácsot használnak, amelynek elemei fotocellák vagy fényelemek. Minden képelem világosságának függvényében elektromos jelet hoz létre, és ezek kerülnek az analóg/digitális átalakításra. A fekete-fehér átmenet tónusai így csak meghatározott számú szürke árnyalatra bonthatók fel. Míg az analóg képfelvétel folyamatos jelgörbével szemléltethető, a digitális jelsorozat véges számú, lépcsőzetes fokozattal közelíti meg a jelgörbét. Minden szint magassága egy-egy képpont világosságértékének felel meg. Ha a koordináta-rendszer függőleges tengelyét (abszcisszáját) 0-tól 7-ig beosztjuk, a 0-s szint a feketének, a 7-es pedig fehér színnek felel meg. A köztük lévő fokozatok a szürke különböző tónusait jellemzik.

A pixelek apró négyzetek, amelyek állapota a szürkeség fokozata szerint tovább bontható alpixel mátrixokra. Vegyünk egy példát: ha egy pixelt 4 alpixelre bontunk, akkor a szürkeértékek a következőképpen jellemezhetőek: Kísérleteket végeztek 4x4-es, 8x8-as és 16x16-szoros mátrixokkal, amelyek 16 (4 bit pixelmélység), 64 (6 bit pixelmélység), 256 (8 bit pixelmélység) szürkeértékre bontották a pixeleket, ezekkel egyre nagyobb felbontást értek el.

Elmondhatjuk, hogy egy digitalizált fekete-fehér kép minőségét a kép pontjainak a száma (azaz a pixelek száma), a szürke tónusok, azaz az alpixelek száma (pixelmélység) jellemzik.

A 8 bites pixelmélységgel nagyobb felbontás érhető el, mint az emberi szem felbontóképessége. A fent bemutatott módszer a fekete-fehér képek digitalizálását mutatta.

A digitális fotográfia célja a színes képek színhű reprodukálása. Azok digitális átalakításához egy pixelhez három adatot kell meghatározni: a kék, a zöld és a vörös (RGB) összetevők nagyságát. Ez egy képpont esetében 3 szám tárolását jelenti, mellyel így 256 x 256 x 256 = 16 777 216 különböző szín írható le, vagyis a kék, zöld, vörös 8-8 bites kódjai jellemzik azokat, és pixelenként 24 bites kód ad információt a képek színéről.

A színes kamerákban, mivel a képérzékelők (a CCD-k, amelyek felülete általában 6,5 x 8,5 mm, csak világosságra reagálnak) a 3 alapszínre való bontást 3 színcsatorna segítségével végzik, a következő módon működhetnek:

• a képet a három alapszín (kék, zöld, vörös) szűrőjén háromszor digitalizálják (külön-külön),

• olyan speciális, háromszoros mennyiségű fényérzékeny elemet tartalmazó képérzékelőt építenek a kamerába, ahol minden képponthoz három szenzor tartozik, a három alapszínnek megfelelően. Így a digitalizálás egy lépésben történik, ez az ún. one-pass eljárás.

Tehát a képek digitális átalakításának lépései: a kép világosság­értékeinek (fekete-fehér vagy színes) analóg jelsorozattá való alakítása, fotomultiplierek vagy CCD soros vagy felületi érzékelők segítségével, majd a jel egy analóg/digitális átalakítása.

Az analóg jelről a digitális (A/D) jelre történő áttéréskor három lényeges fázist különböztetnek meg:

A mintavételezés során az idő függvényében pixelenként. Folyamatos mintavételezéskor a képpontok (pixelek) világosságával arányos diszkrét értékek (feszültségimpulzusok) halmaza keletkezik.

A kvantálás során véges számú árnyalatlépcsőre osztják a képpontról érkező elektronikus tartományt. Valamennyi kvantálási szintnek a képpontokról érkező fényáramerősség egy adott értéktartománya felel meg. Minél több kvantálási szintre osztják az árnyalatterjedelmet, annál több bitre van szükség a kódoláshoz.

A kódolás során a színek és szintek szerint kvantált képpontok kódkombinációk sorozatává, digitális jelekké alakulnak át.