[영상 처리] 1차원 디지털 신호의 생성 ( 표본화, 양자화, 부호화 )

신호(Signal)

아날로그 신호는 시간에 대해 연속적인 신호이며, 자연계의 신호입니다.

디지털 신호는 아날로그 신호로부터 디지털화 과정을 통해 얻어진 불연속 신호입니다.

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아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정은 총 3단계로 구분됩니다.

디지털 신호의 변환 과정 1단계 - 표본화

표본화 단계는 연속된 신호 파형에서 일정한 시간 간격으로 값을 취해 불연속적인 신호로 변환하는 과정입니다.

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위는 아날로그 신호와 표본화된 신호를 표현한 그림입니다.

아날로그 신호에서 일정한 시간 간격으로 값을 추출합니다. 이 일정한 시간 간격을 표본화 주기라고 합니다.

주기에 따라 표본화된 파형의 높이 값을 바로 표본이라 합니다.

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표본화 정리(Sampling Theory)에 따르면, 아날로그 신호에 있는 최대 주파수의 2배 이상으로 표본화하면 정보 손실 없이 원래의 아날로그 신호로 복원이 가능합니다. ( = 나이퀴스트 샘플링 이론 )

디지털 신호의 변환 과정 2단계 - 양자화

양자화 단계(Quantization)는 표본 값을 디지털 장치, 컴퓨터에서 표현할 수 있는 근삿값으로 변환화는 과정입니다. 여기서 양자화 비트 수는 표본 값을 정밀하게 표현하는데 사용하는 비트 수입니다.

디지털 신호의 변환 과정 3단계 - 부호화

디지털화의 최종 단계인 부호화 단계(Coding)는 양자화된 표본 값을 이진수로 값을 표현하는 과정 입니다.

디지털 영상은 데이터의 양이 매우 크기 때문에, 10진수를 바로 2진수로 변환하는 방법은 비효율적입니다.

따라서, 부호화를 수행하여 10진수를 규칙에 따라 2진수로 변환하여 압축합니다.

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아래는 양자화된 표본 값을 2진수 4bit로 직접 변환화는 과정입니다. 아직 압축을 하지 않아 비트 수가 많습니다.

디지털 신호 변환 전체 과정

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아날로그 신호에서 Ts만큼의 주기마다 표본을 추출하는 표본화 작업을 시행합니다.

표본화된 값에 대해 근삿값을 구하는 양자화 과정을 거친 후, 양자화된 값을 각각 이진수로 표현합니다.

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아래는 디지털 신호를 다시 반대로 아날로그 신호로 변환하는 과정입니다.

마찬가지로, 반대로 진행합니다. 이진수 값을 십진수로 변환하고 그 값을 나열하고 그래프로 쭉 나열합니다.