Jump to content

Цвета шума

(Перенаправлено с «Синего шума »)

В аудиотехнике , электронике , физике и многих других областях цвет шума или спектр шума относится к спектру мощности ( шумового сигнала сигнала, создаваемого стохастическим процессом ). Разные цвета шума имеют существенно разные свойства. Например, в качестве аудиосигналов они будут звучать по-разному для человеческого уха , а в качестве изображений они будут иметь заметно другую текстуру . Поэтому для каждого приложения обычно требуется шум определенного цвета. Это ощущение «цвета» шумовых сигналов похоже на понятие тембра в музыке (которое также называют «цветом тона»; однако последний почти всегда используется для звука и может учитывать детальные особенности спектра ) .

Практика именования видов шума по цветам началась с белого шума — сигнала, спектр которого имеет одинаковую мощность в любом равном интервале частот. Это название было дано по аналогии с белым светом, который (ошибочно) предполагалось, что он имеет такой плоский спектр мощности во всем видимом диапазоне. [ нужна ссылка ] Другие названия цветов, такие как розовый , красный и синий, затем давались шуму с другими спектральными профилями, часто (но не всегда) в отношении цвета света со схожими спектрами. Некоторые из этих названий имеют стандартные определения в определенных дисциплинах, тогда как другие неформальны и плохо определены. Многие из этих определений предполагают, что сигнал имеет компоненты на всех частотах со спектральной плотностью мощности на единицу полосы пропускания, пропорциональной 1/ f.  б и, следовательно, они являются примерами степенного шума . Например, спектральная плотность белого шума плоская ( β = 0), в то время как мерцающий или розовый шум имеет β = 1, а броуновский шум имеет β = 2. Синий шум имеет β = -1.

Смоделированные спектральные плотности мощности как функция частоты для шума различных цветов (фиолетового, синего, белого, розового, коричневого/красного). Спектральные плотности мощности произвольно нормируются так, что значения спектров примерно эквивалентны вблизи частоты 1 кГц. Обратите внимание, что наклон спектральной плотности мощности для каждого спектра обеспечивает контекст для соответствующей электромагнитной/цветовой аналогии.

Технические определения

[ редактировать ]

В анализе используются различные модели шума, многие из которых подпадают под вышеуказанные категории. Шум AR или «авторегрессионный шум» является такой моделью и генерирует простые примеры вышеупомянутых типов шума и многого другого. федерального стандарта 1037C по телекоммуникациям Глоссарий [1] [2] определяет белый, розовый, синий и черный шум.

Цветовые названия этих различных типов звуков получены из свободной аналогии между спектром частот звуковых волн, присутствующих в звуке (как показано на синих диаграммах), и эквивалентным спектром частот световых волн. То есть, если звуковую волну «синего шума» перевести в световые волны, результирующий свет будет синим и так далее. [ нужна ссылка ]

Белый шум

[ редактировать ]
Спектр белого шума. Плоский спектр мощности.
(логарифмическая ось частот)

Белый шум — это сигнал (или процесс), названный по аналогии с белым светом , с плоским частотным спектром , если представить его как линейную функцию частоты (например, в Гц). Другими словами, сигнал имеет одинаковую мощность в любом диапазоне заданной полосы пропускания ( спектральная плотность мощности ), когда полоса пропускания измеряется в Гц . Например, для аудиосигнала белого шума диапазон частот между 40 Гц и 60 Гц содержит такое же количество звуковой мощности, что и диапазон между 400 Гц и 420 Гц, поскольку оба интервала имеют ширину 20 Гц. Обратите внимание, что спектры часто строятся по логарифмической оси частот, а не по линейной, и в этом случае равные физические ширины на напечатанном или отображаемом графике не все имеют одинаковую полосу пропускания, причем одна и та же физическая ширина охватывает больше Гц на более высоких частотах, чем на более низкие частоты. В этом случае спектр белого шума, который одинаково дискретизирован по логарифму частоты (т. е. одинаково дискретизирован по оси X), будет иметь наклон вверх на более высоких частотах, а не быть плоским. Однако на практике нередко спектры рассчитываются с использованием линейно расположенных частотных выборок, но наносятся на логарифмическую ось частот, что потенциально может привести к недоразумениям и путанице, если не соблюдать различие между равноотстоящими линейными частотными выборками и одинаковоотстоящими логарифмическими частотными выборками. в виду. [3]

Розовый шум

[ редактировать ]
Спектр розового шума. Плотность мощности падает на 10 дБ/декада (-3,01 дБ/октава).

Частотный спектр розового шума линеен в логарифмическом масштабе ; он имеет одинаковую мощность в пропорционально широких полосах. [4] Это означает, что розовый шум будет иметь одинаковую мощность в диапазоне частот от 40 до 60 Гц и в диапазоне от 4000 до 6000 Гц. Поскольку люди слышат в таком пропорциональном пространстве, где удвоение частоты (октава) воспринимается одинаково независимо от фактической частоты (40–60 Гц воспринимаются как тот же интервал и расстояние, что и 4000–6000 Гц), каждая октава содержит такое же количество энергии и поэтому розовый шум часто используется в качестве опорного сигнала в аудиотехнике . Спектральная плотность мощности по сравнению с белым шумом уменьшается на 3,01 дБ на октаву (плотность пропорциональна 1/ f ). По этой причине розовый шум часто называют «шумом 1/ f ».

Поскольку существует бесконечное количество логарифмических полос как на низкочастотном (DC), так и на высокочастотном концах спектра, любой конечный энергетический спектр должен иметь меньше энергии, чем розовый шум на обоих концах. Розовый шум — единственная степенная спектральная плотность, обладающая этим свойством: все более крутые степенные спектры конечны, если интегрированы на высокочастотном конце, а все более плоские степенные спектры конечны, если интегрированы с постоянным током, на низкой частоте. предел. [ нужна ссылка ]

Броуновский шум

[ редактировать ]
Коричневый спектр (-6,02 дБ/октава)

Броуновский шум , также называемый коричневым шумом, представляет собой шум, плотность мощности которого уменьшается на 6,02 дБ на октаву с увеличением частоты (плотность частоты пропорциональна 1/ f 2 ) в диапазоне частот, за исключением нуля ( DC ). Его также называют «красным шумом», где розовый находится между красным и белым.

Броуновский шум может быть сгенерирован путем временного интегрирования белого шума . «Коричневый» шум назван не в честь спектра мощности, который предполагает коричневый цвет; скорее, название происходит от броуновского движения , также известного как «случайное блуждание» или «блуждание пьяницы».

Синий шум

[ редактировать ]
Синий спектр (+3,01 дБ/октава)

Синий шум еще называют лазурным шумом. Плотность мощности синего шума увеличивается 3,01 дБ на октаву с увеличением частоты (плотность, пропорциональная f ) в конечном диапазоне частот. [5] В компьютерной графике термин «синий шум» иногда используется более широко, как любой шум с минимальными низкочастотными компонентами и без концентрированных выбросов энергии. Это может быть хорошим шумом для дизеринга . [6] Клетки сетчатки расположены в виде синего шума, что обеспечивает хорошее визуальное разрешение. [7]

Черенковское излучение представляет собой естественный пример почти идеального синего шума, плотность мощности которого линейно растет с частотой в областях спектра, где проницаемость показателя преломления среды примерно постоянна. Точный спектр плотности задается формулой Франка – Тамма . В этом случае конечность диапазона частот обусловлена ​​конечностью диапазона, в котором материал может иметь показатель преломления больше единицы. По этим причинам черенковское излучение также имеет ярко-синий цвет.


Фиолетовый шум

[ редактировать ]
Фиолетовый спектр (+6,02 дБ/октава)

Фиолетовый шум также называют фиолетовым шумом. Плотность мощности фиолетового шума увеличивается на 6,02 дБ на октаву с увеличением частоты. [8] [9] «Спектральный анализ показывает, что ошибки ускорения GPS кажутся процессами фиолетового шума. В них преобладает высокочастотный шум». (плотность пропорциональна f  2 ) в конечном диапазоне частот. Он также известен как дифференцированный белый шум, поскольку является результатом дифференциации сигнала белого шума.

Из-за пониженной чувствительности человеческого уха к высокочастотному шипению и легкости, с которой белый шум можно дифференцировать электронным способом (фильтр верхних частот первого порядка), во многих ранних адаптациях дизеринга к цифровому звуку в качестве сигнала дизеринга использовался фиолетовый шум. . [ нужна ссылка ]

Акустический тепловой шум воды имеет фиолетовый спектр, из-за чего он доминирует в измерениях гидрофона на высоких частотах. [10] «Прогнозы спектра теплового шума, полученные на основе классической статистической механики, предполагают увеличение шума с частотой с положительным наклоном октавы 6,02 дБ. −1 ." "Обратите внимание, что тепловой шум увеличивается со скоростью 20 дБ декады. −1 " [11]

Серый шум

[ редактировать ]
Серый спектр

Серый шум — это случайный белый шум, подвергнутый психоакустической кривой равной громкости (например, перевернутой кривой А-взвешивания ) в заданном диапазоне частот, что дает слушателю ощущение, что он одинаково громкий на всех частотах. [ нужна ссылка ] Это контрастирует со стандартным белым шумом, который имеет одинаковую силу по линейной шкале частот, но не воспринимается как одинаково громкий из-за отклонений в контуре равной громкости человека .

Бархатный шум

[ редактировать ]
Спектр бархатного шума

Бархатный шум представляет собой разреженную последовательность случайных положительных и отрицательных импульсов. Бархатный шум обычно характеризуется плотностью в постукиваниях в секунду. При высокой плотности звук похож на белый шум; однако он воспринимается «более плавным». [12] Разреженная природа бархатного шума обеспечивает эффективную свертку во временной области , что делает бархатный шум особенно полезным для приложений, где вычислительные ресурсы ограничены, таких как алгоритмы реверберации в реальном времени . [13] [14] Бархатный шум также часто используется в декорреляционных фильтрах. [15]

Неформальные определения

[ редактировать ]

Есть также много цветов, используемых без точных определений (или как синонимы формально определенных цветов), иногда с несколькими определениями.

Красный шум

[ редактировать ]
  • Синоним броуновского шума, как указано выше. [16] [17] То есть он похож на розовый шум, но с другим спектральным содержанием и другими соотношениями (т. е. 1/f для розового шума , а 1/f 2 для красного шума или снижение на 6,02 дБ на октаву).
  • В областях, где терминология используется свободно, «красный шум» может относиться к любой системе, в которой плотность мощности уменьшается с увеличением частоты. [18]

Зеленый шум

[ редактировать ]
  • Среднечастотная составляющая белого шума, используемая при полутоновом сглаживании. [19]
  • Ограниченный броуновский шум
  • Шум вокального спектра, используемый для тестирования аудиосхем. [20]
  • Джозеф С. Вишневски пишет, что продюсеры записей с окружающими звуковыми эффектами позиционируют «зеленый шум» как «фоновый шум мира». Он имитирует спектры естественных условий без антропогенных шумов. Он похож на розовый шум, но имеет больше энергии в районе 500 Гц. [20]

Черный шум

[ редактировать ]
  • Тишина
  • Инфразвук [21]
  • Шум с 1/ f б спектр, где β > 2 . Эта формула используется для моделирования частоты стихийных бедствий. [22] [ нужны разъяснения ]
  • Шум, частотный спектр которого преимущественно имеет нулевой уровень мощности на всех частотах, за исключением нескольких узких полос или всплесков. Примечание. Примером черного шума в системе факсимильной передачи является спектр, который может быть получен при сканировании черной области, в которой имеется несколько случайных белых пятен. Таким образом, во временной области при сканировании возникает несколько случайных импульсов. [23]
  • Шум со спектром, соответствующим излучению абсолютно черного тела (тепловой шум). Для температур выше примерно 3 × 10 −7 K пик спектра черного тела находится выше верхнего предела диапазона человеческого слуха . В таких ситуациях черный шум можно сравнить с фиолетовым шумом . В то же время излучение Хокинга черных дыр может иметь пик в диапазоне слышимости, поэтому излучение типичной звездной черной дыры с массой, равной 6 массам Солнца, будет иметь максимум на частоте 604,5 Гц – этот шум аналогичен на зеленый шум. Формула: Гц. Несколько примеров аудиофайлов с таким спектром можно найти здесь . [ нужна ссылка ]

Шумный белый

[ редактировать ]

В телекоммуникациях термин «шумный белый» имеет следующие значения: [24]

Шумный черный

[ редактировать ]

В телекоммуникациях термин «шумный черный» имеет следующие значения: [25]

  • В факсимильных системах или системах отображения, таких как телевидение , неравномерность черной области изображения, т. е . документа или изображения, вызвана наличием шума в принимаемом сигнале .
  • Сигнал или уровень сигнала , который должен представлять черную область на объекте, но имеет содержание шума, достаточное для создания заметных нечерных пятен на поверхности дисплея или носителе записи .

Поколение

[ редактировать ]

Цветной шум можно сгенерировать с помощью компьютера, сначала сгенерировав сигнал белого шума, преобразовав его Фурье, а затем умножив амплитуды различных частотных составляющих на частотно-зависимую функцию. [26] Доступны программы Matlab для генерации степенного цветного шума в одном или любом количестве измерений.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ «Глоссарий АТИС Телеком» . atis.org . Альянс решений для телекоммуникационной отрасли . Проверено 16 января 2018 г.
  2. ^ «Федеральный стандарт 1037С» . Институт телекоммуникационных наук . Институт телекоммуникационных наук Национального управления по телекоммуникациям и информации (ITS-NTIA) . Проверено 30 ноября 2022 г.
  3. ^ Рэндалл Д. Питерс (2 января 2012 г.). «Учебное пособие по расчету спектральной плотности мощности для механических генераторов» .
  4. ^ «Определение: розовый шум» . https://its.bldrdoc.gov . Архивировано из оригинала 8 июня 2021 года.
  5. ^ «Определение: синий шум» . https://its.bldrdoc.gov . Архивировано из оригинала 8 июня 2021 года.
  6. ^ Митчелл, Дон П. (1987). «Создание сглаженных изображений при низкой плотности выборки». Материалы 14-й ежегодной конференции «Компьютерная графика и интерактивные технологии» . Том. 21. С. 65–72. дои : 10.1145/37401.37410 . ISBN  0897912276 . S2CID   207582968 .
  7. ^ Йеллотт, Джон И. младший (1983). «Спектральные последствия отбора проб фоторецепторов резус-сетчатки» . Наука . 221 (4608): 382–85. Бибкод : 1983Sci...221..382Y . дои : 10.1126/science.6867716 . ПМИД   6867716 .
  8. ^ Труды Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, 1968 г. [1] Цитата: «Соответственно, «фиолетовый шум» - это шум, уровень спектра которого возрастает с частотой».
  9. ^ Чжан, QJ; Шварц, К.-П. (апрель 1996 г.). «Оценка многолучевого распространения GPS с двойной разницей в кинематических условиях». Материалы симпозиума по позиционированию и навигации – ПЛАНЫ '96 . Симпозиум по определению местоположения и навигации – ПЛАНЫ '96. Атланта, Джорджия, США: IEEE . стр. 285–91. дои : 10.1109/PLANS.1996.509090 .
  10. ^ Хильдебранд, Джон А. (2009). «Антропогенные и естественные источники окружающего шума в океане» . Серия «Прогресс в области морской экологии» . 395 : 478–480. Бибкод : 2009MEPS..395....5H . дои : 10.3354/meps08353 .
  11. ^ Меллен, Р.Х. (1952). «Предел теплового шума при обнаружении подводных акустических сигналов». Журнал Акустического общества Америки . 24 (5): 478–80. Бибкод : 1952ASAJ...24..478M . дои : 10.1121/1.1906924 .
  12. ^ Вялимяки, Веса; Лехтонен, Хайди-Мария; Таканен, Марко (2013). «Перцепционное исследование бархатного шума и его вариантов при различной плотности импульса». Транзакции IEEE по обработке звука, речи и языка . 21 (7): 1481–1488. дои : 10.1109/TASL.2013.2255281 . S2CID   17173495 .
  13. ^ Ярвеляйнен, Ханна; Карьялайнен, Матти (март 2007 г.). Моделирование реверберации с использованием бархатного шума . 30-я Международная конференция: Интеллектуальная аудиосреда. Хельсинки, Финляндия: AES .
  14. ^ «Ревербератор с переключаемой сверткой, Ли и др.» .
  15. ^ Алари, Бенуа; Политис, Архонтис; Вялимяки, Веса (сентябрь 2017 г.). Бархатно-шумовой декоррелятор . 20-я Международная конференция по цифровым аудиоэффектам (DAFx-17). Эдинбург, Великобритания.
  16. ^ «Индекс: Шум (Дисциплины исследования [DoS])» . Архивировано из оригинала 22 мая 2006 года.
  17. ^ Гилман, Д.Л.; Фуглистер, Ф.Дж.; Митчелл-младший, Дж. М. (1963). «О спектре мощности «красного шума» » . Журнал атмосферных наук . 20 (2): 182–84. Бибкод : 1963JAtS...20..182G . doi : 10.1175/1520-0469(1963)020<0182:OTPSON>2.0.CO;2 .
  18. ^ Дэниел Л. Рудник, Расс Э. Дэвис (2003). «Красный шум и смена режимов» (PDF) . Глубоководные исследования . Часть I. 50 (6): 691–99. Бибкод : 2003DSRI...50..691R . дои : 10.1016/S0967-0637(03)00053-0 .
  19. ^ Лау, Дэниел Лео; Арсе, Гонсало Р.; Галлахер, Нил К. (1998). «Цифровое полутоновое изображение с зеленым шумом». Труды IEEE . 86 (12): 2424–42. дои : 10.1109/5.735449 .
  20. ^ Jump up to: а б Джозеф С. Вишневский (7 октября 1996 г.). "Псевдо FAQ по цветам шума, версия 1.3" . Группа новостей : comp.dsp . Архивировано из оригинала 30 апреля 2011 года . Проверено 1 марта 2011 г.
  21. ^ «Дэвид Боуи и черный шум» . Форумы бдительных граждан . 21 мая 2017 г.
  22. ^ Шредер, Манфред (2009). Фракталы, хаос, степенные законы: минуты из бесконечного рая . Курьер Дувр. стр. 129–30. ISBN  978-0486472041 .
  23. ^ «Определение «черного шума» – Федеральный стандарт 1037С» . Архивировано из оригинала 12 декабря 2008 года . Проверено 28 апреля 2008 г.
  24. ^ «Определение: шумный белый» . https://its.bldrdoc.gov . Архивировано из оригинала 8 июня 2021 года.
  25. ^ «Определение: шумный черный» . https://its.bldrdoc.gov . Архивировано из оригинала 8 июня 2021 года.
  26. ^ Дас, Абхранил (2022). Обнаружение камуфляжа и различение сигналов: теория, методы и эксперименты (с исправлениями) (доктор философии). Техасский университет в Остине. дои : 10.13140/RG.2.2.32016.07683 .

Общественное достояние В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 года.

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: b10052616c8d34b4b6cdf9e0d04eacc2__1722297000
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/b1/c2/b10052616c8d34b4b6cdf9e0d04eacc2.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Colors of noise - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)