Цвета шума
Эта статья может сбивать с толку или быть непонятной читателям . ( декабрь 2021 г. ) |
Цвета 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.
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 ]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 ]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 ]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 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 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 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 ]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]
- В факсимильных системах или системах отображения, таких как телевидение , неравномерность белой области изображения, т. е . документа или изображения, вызванная наличием шума в принятом сигнале .
- Сигнал или уровень сигнала , который должен представлять собой белую область на объекте, но имеет содержание шума, достаточное для создания заметных черных пятен на поверхности дисплея или носителе записи .
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 ]- Шум сети (также известный как шум сети переменного тока )
- Вероятность Уиттла
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Глоссарий АТИС Телеком» . atis.org . Альянс решений для телекоммуникационной отрасли . Проверено 16 января 2018 г.
- ^ «Федеральный стандарт 1037С» . Институт телекоммуникационных наук . Институт телекоммуникационных наук Национального управления по телекоммуникациям и информации (ITS-NTIA) . Проверено 30 ноября 2022 г.
- ^ Рэндалл Д. Питерс (2 января 2012 г.). «Учебное пособие по расчету спектральной плотности мощности для механических генераторов» .
- ^ «Определение: розовый шум» . https://its.bldrdoc.gov . Архивировано из оригинала 8 июня 2021 года.
- ^ «Определение: синий шум» . https://its.bldrdoc.gov . Архивировано из оригинала 8 июня 2021 года.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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».
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Ярвеляйнен, Ханна; Карьялайнен, Матти (март 2007 г.). Моделирование реверберации с использованием бархатного шума . 30-я Международная конференция: Интеллектуальная аудиосреда. Хельсинки, Финляндия: AES .
- ^ «Ревербератор с переключаемой сверткой, Ли и др.» .
- ^ Алари, Бенуа; Политис, Архонтис; Вялимяки, Веса (сентябрь 2017 г.). Бархатно-шумовой декоррелятор . 20-я Международная конференция по цифровым аудиоэффектам (DAFx-17). Эдинбург, Великобритания.
- ^ «Индекс: Шум (Дисциплины исследования [DoS])» . Архивировано из оригинала 22 мая 2006 года.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ «Дэвид Боуи и черный шум» . Форумы бдительных граждан . 21 мая 2017 г.
- ^ Шредер, Манфред (2009). Фракталы, хаос, степенные законы: минуты из бесконечного рая . Курьер Дувр. стр. 129–30. ISBN 978-0486472041 .
- ^ «Определение «черного шума» – Федеральный стандарт 1037С» . Архивировано из оригинала 12 декабря 2008 года . Проверено 28 апреля 2008 г.
- ^ «Определение: шумный белый» . https://its.bldrdoc.gov . Архивировано из оригинала 8 июня 2021 года.
- ^ «Определение: шумный черный» . https://its.bldrdoc.gov . Архивировано из оригинала 8 июня 2021 года.
- ^ 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 .
В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 года.