.png/1280px-JPEG_Generation_Loss_rotating_90_(stitch_of_0,100,200,500,900,2000_times).png)
Потеря генерации — это потеря качества между последующими копиями или перекодированием данных. Все, что снижает качество представления при копировании и может вызвать дальнейшее снижение качества при копировании копии, можно рассматривать как форму потери генерации. Увеличение размера файла является частым результатом потери поколений, поскольку появление артефактов может фактически увеличить энтропию данных в каждом поколении.
В аналоговых системах (включая системы, которые используют цифровую запись, но копируют через аналоговое соединение) потери генерации в основном происходят из-за шума и проблем с полосой пропускания в кабелях , усилителях , микшерах , записывающем оборудовании и во всем остальном между источником и пунктом назначения. Плохо настроенные усилители-распределители и несогласованные импедансы могут еще больше усугубить эти проблемы. Повторное преобразование между аналоговым и цифровым форматами также может привести к потерям.
Потери генерации были основным фактором при сложном аналоговом редактировании аудио и видео , где многоуровневые монтажные работы часто создавались путем создания промежуточных миксов, которые затем «передавались» обратно на ленту. Требовалось тщательное планирование, чтобы минимизировать потери генерации, а также возникающие в результате шумы и плохую частотную характеристику.
Одним из способов минимизировать количество необходимых поколений было использование пакета микширования звука или редактирования видео, способного микшировать большое количество каналов одновременно; в крайнем случае, например, в студии звукозаписи с 48 дорожками, весь сложный микс можно было выполнить за одно поколение, хотя это было непомерно дорого для всех проектов, кроме наиболее финансируемых.
Внедрение профессиональных аналоговых систем шумоподавления, таких как Dolby A, помогло уменьшить потери звуковой генерации, но в конечном итоге их вытеснили цифровые системы, которые значительно снизили потери генерации. [1]
Согласно ATIS , «потери при генерации ограничиваются аналоговой записью, поскольку цифровая запись и воспроизведение могут выполняться таким образом, который по существу свободен от потерь при генерации». [1]
При правильном использовании цифровые технологии могут устранить потери генерации. Это подразумевает исключительное использование кодеков сжатия без потерь или несжатых данных от записи или создания до окончательного кодирования с потерями для распространения через потоковую передачу через Интернет или на оптические диски. Копирование цифрового файла дает точную копию, если оборудование работает правильно. Эта особенность цифровых технологий привела к осознанию риска несанкционированного копирования. До того, как цифровые технологии получили широкое распространение, звукозаписывающая компания , например, могла быть уверена, что неавторизованные копии их музыкальных треков никогда не были так хороши, как оригиналы.
Потери при генерации по-прежнему могут возникать при использовании кодеков сжатия видео или аудио с потерями, поскольку они вносят артефакты в исходный материал при каждом кодировании или перекодировании. Кодеки сжатия с потерями, такие как Apple ProRes , Advanced Video Coding и mp3 , очень широко используются, поскольку они позволяют значительно уменьшить размер файла, при этом будучи неотличимыми от несжатого или сжатого без потерь оригинала для целей просмотра. Единственный способ избежать потери генерации — использовать несжатые файлы или файлы, сжатые без потерь; что может быть дорогостоящим с точки зрения хранения, поскольку для них требуется больший объем памяти во флэш-памяти или на жестких дисках в секунду времени работы. Несжатое видео требует высокой скорости передачи данных; например, видео 1080p со скоростью 30 кадров в секунду может потребовать до 370 мегабайт в секунду. [2] Кодеки с потерями делают возможным использование Blu-ray и потокового видео через Интернет, поскольку ни один из них не может доставить объемы данных, необходимые для несжатого или сжатого без потерь видео, с приемлемой частотой кадров и разрешением. Изображения могут страдать от потери генерации так же, как видео и аудио.
Обработка файла , сжатого с потерями, а не оригинала, обычно приводит к большей потере качества, чем создание того же результата из несжатого оригинала. Например, цифровое изображение веб-страницы с низким разрешением лучше создавать из несжатого необработанного изображения , чем из уже сжатого файла JPEG более высокого качества.
В цифровых системах некоторые методы, используемые из-за других преимуществ, могут привести к потерям генерации, и их следует использовать с осторожностью. Однако копирование цифрового файла само по себе не приводит к потерям генерации — скопированный файл идентичен оригиналу, при условии, что используется идеальный канал копирования.
Некоторые цифровые преобразования обратимы, а некоторые нет. Сжатие без потерь по определению полностью обратимо, тогда как сжатие с потерями удаляет часть данных, которые невозможно восстановить. Точно так же многие процессы DSP необратимы.
Таким образом, тщательное планирование цепочки аудио- или видеосигналов от начала до конца и реорганизация для минимизации множественных преобразований важны, чтобы избежать потерь при генерации при использовании кодеков сжатия с потерями. Часто произвольный выбор количества пикселей и частоты дискретизации для источника, назначения и промежуточных сигналов может серьезно ухудшить цифровые сигналы, несмотря на потенциал цифровых технологий по полному устранению потерь генерации.
Аналогичным образом, при использовании сжатия с потерями в идеале это будет выполняться только один раз, в конце рабочего процесса с файлом, после того, как будут внесены все необходимые изменения.
Преобразование между форматами с потерями — будь то декодирование и перекодирование в один и тот же формат, между разными форматами или между разными битрейтами или параметрами одного и того же формата — приводит к потерям генерации.
Повторные применения сжатия и декомпрессии с потерями могут привести к потерям при генерации, особенно если используемые параметры не являются одинаковыми для разных поколений. В идеале алгоритм должен быть одновременно идемпотентным , то есть, если сигнал декодируется, а затем повторно кодироваться с идентичными настройками, потерь не будет, и масштабируемым, то есть, если он перекодируется с настройками более низкого качества, результатом будет так же, как если бы он был закодирован из исходного сигнала – см. Масштабируемое кодирование видео. В более общем смысле, перекодирование между различными параметрами конкретной кодировки в идеале дает максимально общее общее качество – например, преобразование изображения с 4 битами красного и 8 битами зеленого в изображение с 8 битами красного и 4 битами зеленого будет в идеале получить просто изображение с глубиной красного цвета 4 бита и глубиной зеленого цвета 4 бита без дальнейшего ухудшения.
Некоторые алгоритмы сжатия с потерями в этом отношении намного хуже других, поскольку они не являются ни идемпотентными, ни масштабируемыми и приводят к дальнейшему ухудшению качества при изменении параметров.
Например, в JPEG изменение настройки качества приведет к использованию других констант квантования, что приведет к дополнительным потерям. Кроме того, поскольку JPEG делится на блоки 16×16 (или 16×8, или 8×8, в зависимости от субдискретизации цветности ), кадрирование, не попадающее на границу 8×8, смещает блоки кодирования, вызывая существенное ухудшение качества – аналогичные проблемы происходят при вращении. Этого можно избежать, используя jpegtran или аналогичные инструменты для обрезки. Аналогичное ухудшение происходит, если ключевые кадры видео не совпадают от поколения к поколению.
Цифровая передискретизация , такая как масштабирование изображения и другие методы DSP , также может приводить к появлению артефактов или ухудшать соотношение сигнал/шум (отношение сигнал/шум) каждый раз, когда они используются, даже если базовое хранилище не имеет потерь.
Повторная выборка вызывает сглаживание , как размытие низкочастотных компонентов, так и добавление высокочастотного шума, вызывая неровности , в то время как округление вычислений для достижения конечной точности приводит к квантованию , вызывая полосатость ; если исправлено с помощью дизеринга , вместо этого это становится шумом. В обоих случаях это в лучшем случае ухудшает соотношение сигнал/шум и может вызвать артефакты. Квантование можно уменьшить, используя высокую точность при редактировании (особенно чисел с плавающей запятой), возвращаясь к фиксированной точности только в конце.
Часто конкретные реализации не соответствуют теоретическим идеалам.
Последующие поколения фотокопий приводят к искажению и ухудшению изображения. [3] Документально подтверждено, что последовательные репосты в Instagram приводят к заметным изменениям. [4] Аналогично, повторяющиеся публикации на YouTube ухудшали качество работы. [5] [6] Подобные эффекты были зарегистрированы при копировании кассет VHS . [5] Это связано с тем, что обе службы используют кодеки с потерями для всех загружаемых в них данных, даже если загружаемые данные являются дубликатом данных, уже размещенных в службе, в то время как VHS является аналоговым носителем, на котором такие эффекты, как шум от помехи могут оказать гораздо более заметное влияние на записи.