.png/1280px-JPEG_Generation_Loss_rotating_90_(stitch_of_0,100,200,500,900,2000_times).png)
Потеря поколения — это потеря качества между последующими копиями или перекодировками данных. Все, что снижает качество представления при копировании и может вызвать дальнейшее снижение качества при создании копии, можно считать формой потери поколения. Увеличение размера файла — это распространенный результат потери поколения, поскольку введение артефактов может фактически увеличить энтропию данных через каждое поколение.
В аналоговых системах (включая системы, которые используют цифровую запись , но делают копию по аналоговому соединению) потери генерации в основном связаны с шумом и проблемами полосы пропускания в кабелях , усилителях , микшерах , записывающем оборудовании и всем остальном между источником и местом назначения. Плохо настроенные распределительные усилители и несогласованные импедансы могут еще больше усугубить эти проблемы. Повторное преобразование между аналоговым и цифровым форматами также может привести к потерям.
Потеря генерации была основным фактором при сложном аналоговом аудио- и видеоредактировании , где многослойные монтажи часто создавались путем создания промежуточных миксов, которые затем «отскакивали» обратно на ленту. Тщательное планирование требовалось для минимизации потери генерации, а также возникающего шума и плохой частотной характеристики.
Одним из способов минимизации количества необходимых генераций было использование комплекса для микширования звука или видеомонтажа, способного микшировать большое количество каналов одновременно; в крайнем случае, например, при наличии студии звукозаписи на 48 дорожек, весь сложный микс можно было сделать за одну генерацию, хотя это было непомерно дорого для всех проектов, кроме проектов с наилучшим финансированием.
Внедрение профессиональных аналоговых систем шумоподавления, таких как Dolby A, помогло сократить потери при генерации звука, но в конечном итоге они были вытеснены цифровыми системами, которые значительно сократили потери при генерации. [1]
По данным ATIS , «потери при генерации ограничены аналоговой записью, поскольку цифровая запись и воспроизведение могут осуществляться способом, который по существу свободен от потерь при генерации». [1]
При правильном использовании цифровая технология может исключить потерю генерации. Это подразумевает исключительное использование кодеков сжатия без потерь или несжатых данных от записи или создания до окончательного кодирования с потерями для распространения через интернет-трансляцию или оптические диски. Копирование цифрового файла дает точную копию, если оборудование работает правильно, что исключает потерю генерации, вызванную копированием, в то время как перекодирование цифровых файлов с кодеками сжатия с потерями может вызвать потерю генерации. Эта черта цифровой технологии привела к осознанию риска несанкционированного копирования. До того, как цифровая технология получила широкое распространение, звукозаписывающая компания , например, могла быть уверена, что несанкционированные копии ее музыкальных треков никогда не будут так хороши, как оригиналы.
Потеря генерации все еще может происходить 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, оставаясь неотличимыми от несжатого или сжатого без потерь оригинала для целей просмотра. Единственный способ избежать потери генерации — использовать несжатые или сжатые без потерь файлы; что может быть дорого с точки зрения хранения, поскольку они требуют больших объемов дискового пространства во флэш-памяти или на жестких дисках в секунду времени выполнения. Несжатое видео требует высокой скорости передачи данных; например, видео 1080p со скоростью 60 кадров в секунду требует приблизительно 370 мегабайт в секунду. [2] Кодеки с потерями делают Blu-ray и потоковое видео через Интернет осуществимыми, 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 качества генерации так же, как видео и аудио.
Обработка сжатого с потерями файла вместо оригинала обычно приводит к большей потере качества, чем генерация того же вывода из несжатого оригинала. Например, цифровое изображение с низким разрешением для веб-страницы лучше, если оно создано из несжатого необработанного изображения , чем из уже сжатого файла JPEG более высокого качества.
В цифровых системах несколько методов, таких как кодеки и алгоритмы сжатия с потерями, используемые из-за других преимуществ, могут вносить потери генерации и должны использоваться с осторожностью. Однако само копирование цифрового файла не влечет за собой потери генерации — скопированный файл идентичен оригиналу, при условии использования идеального канала копирования.
Некоторые цифровые преобразования обратимы, а некоторые — нет. Сжатие без потерь по определению полностью обратимо, в то время как сжатие с потерями отбрасывает часть данных, которые невозможно восстановить. Аналогично, многие процессы DSP необратимы.
Таким образом, тщательное планирование цепочки аудио- или видеосигнала от начала до конца и перегруппировка для минимизации множественных преобразований важны для предотвращения потерь генерации при использовании кодеков сжатия с потерями. Часто произвольный выбор количества пикселей и частот дискретизации для источника, назначения и промежуточных звеньев может серьезно ухудшить цифровые сигналы, несмотря на потенциал цифровой технологии для полного устранения потерь генерации.
Аналогично, при использовании сжатия с потерями, в идеале это следует делать только один раз, в конце рабочего процесса с файлом, после внесения всех необходимых изменений.
Преобразование между форматами с потерями — будь то декодирование и повторное кодирование в один и тот же формат, между разными форматами или между разными битрейтами или параметрами одного и того же формата — приводит к потерям при генерации.
Повторные применения сжатия с потерями и декомпрессии могут привести к потере поколения, особенно если используемые параметры не согласованы между поколениями. В идеале алгоритм будет и идемпотентным , что означает, что если сигнал декодируется и затем перекодируется с идентичными настройками, потерь не будет, и масштабируемым, что означает, что если он перекодируется с более низкими настройками качества, результат будет таким же, как если бы он был закодирован из исходного сигнала – см. Масштабируемое кодирование видео. В более общем смысле, перекодирование между различными параметрами конкретного кодирования в идеале даст наибольшее общее общее качество – например, преобразование из изображения с 4 битами красного и 8 битами зеленого в изображение с 8 битами красного и 4 битами зеленого в идеале даст просто изображение с 4 битами глубины красного цвета и 4 битами глубины зеленого цвета без дальнейшей деградации.
Некоторые алгоритмы сжатия с потерями в этом отношении намного хуже других, поскольку не являются ни идемпотентными, ни масштабируемыми, а при изменении параметров происходит еще большая деградация.
Например, в JPEG изменение настройки качества приведет к использованию различных констант квантования, что приведет к дополнительным потерям. Кроме того, поскольку JPEG разделен на блоки 16×16 (или 16×8, или 8×8, в зависимости от цветового субдискретизма ), обрезка, которая не попадает на границу 8×8, сдвигает блоки кодирования, вызывая существенную деградацию — аналогичные проблемы возникают при вращении. Этого можно избежать, используя jpegtran или аналогичные инструменты для обрезки. Подобная деградация происходит, если ключевые кадры видео не выстраиваются в линию от поколения к поколению.
Цифровая передискретизация, такая как масштабирование изображений , и другие методы цифровой обработки сигналов также могут приводить к появлению артефактов или ухудшению отношения сигнал/шум (S/N) каждый раз при их использовании, даже если базовое хранилище обеспечивает отсутствие потерь.
Повторная выборка вызывает наложение спектров , как размывая низкочастотные компоненты, так и добавляя высокочастотный шум, вызывая неровности , в то время как округление вычислений для соответствия конечной точности вводит квантование , вызывая полосатость ; если исправить с помощью дизеринга , это вместо этого становится шумом. В обоих случаях это в лучшем случае ухудшает отношение сигнал/шум сигнала и может вызвать артефакты. Квантование можно уменьшить, используя высокую точность при редактировании (особенно числа с плавающей точкой), уменьшая только до фиксированной точности в конце.
Зачастую конкретные реализации не соответствуют теоретическим идеалам.
Последовательные поколения фотокопий приводят к искажению и ухудшению качества изображения. [3] Многократная загрузка и последующая повторная публикация/загрузка контента на такие платформы, как Instagram или YouTube, может привести к заметному ухудшению качества. [4] [5] [6] Аналогичные эффекты были задокументированы при копировании видеокассет VHS . [7] Это связано с тем, что оба сервиса используют кодеки с потерями для всех данных, которые на них загружаются, даже если загружаемые данные являются дубликатом данных, уже размещенных на сервисе, в то время как VHS является аналоговым носителем, на котором такие эффекты, как шум от помех, могут иметь гораздо более заметное влияние на записи.