CODIFICACIÓN DE IMAGENES

CODIFICACIÓN DE IMÁGENES

Las imágenes constituyen un tipo de información al que la sociedad entera atribuye gran importancia. De este modo, los procesos necesarios, tanto para almacenar imágenes como para lograr que sean recibidas a distancia, han dado lugar a una demanda específica: en particular, se ha querido aprovechar los sistemas de transmisión existentes y utilizarlos para transportar, a través de ellos, las imágenes.

Pero, ¿cómo es posible lograr que una imagen pase a través de un cable? En realidad no es la imagen misma la que pasa por el cable sino la información necesaria para “reconstruirla”. Cuando se ha captado esta idea, el problema se centra en hallar una manera de codificar la información que pueda describir la imagen de un modo tal que pueda ser reconstruida en el lugar de recepción.

Partiendo de imágenes de baja resolución, es posible codificarlas para su posterior transmisión, haciendo uso de ceros y unos, donde el 1 representa un cuadrado negro y el 0 representa un cuadrado blanco. Además la secuencia debe ser de izquierda a derecha de la primera fila de la imagen, y continuar así hasta su borde inferior. Por ejemplo, la siguiente imagen (una alcancía) de 16 por 16 píxeles se codifica de acuerdo al criterio expuesto, y se obtiene la secuencia de unos y ceros que esta a su lado.

El fax es un sistema que convierte las imágenes para que puedan ser enviadas a través de la línea telefónica. Como el teléfono es un aparato capaz de transmitir sonidos, se utiliza un código que por cada punto blanco emite un sonido y por cada punto negro otro diferente; esta es la causa principal de los sonidos que se producen al enviar un fax. Se agregan además, unos sonidos al comienzo y al final de la transmisión que contienen información necesaria para establecer la comunicación y realizar determinados ajustes.

El uso de imágenes para transmitir información está presente en diversas actividades tales como ingeniería, arquitectura, diseño y publicidad. Las imágenes podrán ser blanco y negro o color. El color es un elemento de suma importancia en multimedia y los tres componentes básicos a través de los cuales lo percibimos son:

-       El brillo, que indica que tan oscuro o claro es algo;

-       El matiz, que expresa cada una de las graduaciones de un color, por ejemplo el color rosa y el color Ladrillo tienen un matiz rojo;

-       La saturación, que es la suma de un matiz y su brillo puro.

Las imágenes digitales generadas en la computadora están divididas en dos grandes grupos: vectoriales y pixelares.

Vectoriales: 

la imagen está formada por líneas, polígonos, círculos u otras figuras que pueden expresarse matemáticamente en términos de ángulos, coordenadas y distancias. Modificando los vectores se pueden variar las imágenes sin perder información de la misma. La calidad de impresión va a depender de la impresora, y el tamaño del archivo de la imagen no tiene porque guardar relación con el tamaño del dibujo. La principal ventaja de este tipo de imágenes es que al estar compuesta por vectores, es posible modificar su tamaño sin perder información, debido a que por medio de ecuaciones matemáticas se realizan los cálculos de forma automática. Programas como Adobe Ilustrador y Frenad trabajan con imágenes vectoriales.

Pixelares: 

También conocidas como mapa de bits, en este caso la imagen consiste en una matriz que describe cada uno de sus puntos individuales. Cuanto mayor sea la cantidad de píxeles en un espacio determinado, mejor será la calidad de la imagen y mayor la cantidad de bytes de la misma. La principal ventaja de este tipo de imágenes es que permite transformar el color, el brillo y otros atributos en cada uno de los píxeles. El programa Photoshop, que es muy utilizado en el tratamiento de imágenes para ser incorporadas a sitios web, trabaja con imágenes pixelares. Aunque el dibujo sea vectorial, cada vez que este programa abra una imagen la descompondrá en mapa de bits.

CODIGO LINEA

La transmisión analógica se basa en una señal continua de frecuencia constante denominada portadora. La frecuencia de la portadora  se elige  para que sea compatible con las características del medio que se vaya a utilizar. Los datos se pueden transmitir modulando la señal portadora, donde por modulación se entiende el proceso de codificar los datos generados por la fuente, en la señal portadora de frecuencia f_c. Todas las técnicas de modulación  implican la modulación de uno o más de los tres parámetros fundamentales de la portadora:

• La amplitud
• La frecuencia
• La fase

La señal de entrada (que puede ser tanto analógica como digital) se denomina señal moduladora o también señal en banda base s(t). Como se indica en la figura 1, s(t) es una señal limitada en banda (pasabanda). La localización del ancho de banda asignado está relacionado con fc, estando usualmente centrado en torno a ésta. De nuevo, el procedimiento de codificación se elegirá para optimizar algunas de las características de la transmisión.

Las cuatro posibles combinaciones mostradas en la figura 1 se utilizan con frecuencia; si bien, las razones por las que se elige una u otra pueden ser de diversa índole, como las que se indican a continuación:

Datos digitales, señales digitales: en términos generales, el equipamiento para la codificación digital es menos complicado y menos costoso que el equipamiento necesario para transmitir datos digitales modulando señales analógicas.

Datos analógicos, señales digitales: la conversión de los datos analógicos en digitales permite la utilización de las técnicas mas recientes de equipos de conmutación para transmisión digital.

Datos digitales, señales analógicas: algunos medios de transmisión, como por ejemplo la fibra óptica y los medios no guiados, sólo permiten la propagación de señales analógicas.

Datos analógicos, señales analógicas: los datos analógicos de naturaleza eléctrica se pueden transmitir fácilmente y de una forma poco costosa en banda base. Esto por ejemplo es lo que se hace para la transmisión de voz en las líneas de calidad telefónica.

 Los códigos de línea surgen ante la necesidad de trasmitir señales digitales a través de diversos medios de transmisión. Una señal digital es una secuencia de pulsos de tensión discretos y discontinuos, donde cada pulso es un elemento de la señal. Los datos binarios se transmiten codificando cada bit de datos en cada elemento de señal. En el caso más sencillo, habrá una correspondencia uno a uno entre los bits y  dichos elementos, un cero se representa mediante un nivel bajo de tensión y un uno se representa por un nivel de tensión mayor

 Antes de nada se va a introducir un poco de terminología. Si todos los elementos de señal tienen el mismo signo algebraico, es decir si son todos positivos o todos negativos, la señal se dice unipolar. En una señal polar, por el contrario, un estado lógico se representará  mediante un nivel positivo de tensión  y el otro, mediante un nivel negativo. La razón de datos de una señal es la velocidad de transmisión, expresada en bits por segundo, a la que se transmiten los datos. La duración  o longitud de un bit se define como el tiempo empleado en el transmisor para emitir un bit; para una razón de datos R, la duración de un bit es 1/R. La razón de modulación, por el contrario, es la velocidad o razón con la que cambia el nivel de la señal, que dependerá del esquema de codificación elegido. La razón o velocidad de modulación se expresa en baudios, que equivale  a un elemento de señal por segundo.

 Los códigos de línea fueron desarrollados para mejorar las prestaciones de los sistemas de transmisión, el esquema de codificación  es simplemente la correspondencia que se establece entre los bits de los datos con los elementos de señal.  A continuación se describen algunas de las más utilizadas.

Se denomina banda base al conjunto de señales que no sufren ningún proceso de modulación a la salida de la fuente que las origina, es decir son señales que son transmitidas en su frecuencia original. Dichas señales se pueden codificar y ello da lugar a los códigos de banda base.

Las señales empleadas en banda base se pueden clasificar de la siguiente forma:

Unipolares:

En este caso un 1 siempre toma una polaridad, positiva o negativa, mientras que un 0 vale siempre 0.

Polares:

En este caso la señal tomara valores positivos para un 1 lógico y negativos para un 0 lógico pero nunca toma el valor 0.

Bipolares:

En este caso un dígito toma valor con polaridad alternada mientras que el otro permanece siempre en 0.

TRANSMISION DE BANDA BASE

Es utilizada para cortas distancias debido a su bajo costo. El MODEM no efectúa modulación alguna sino que solo las codifica.

Los datos se codifican para solucionar los siguientes aspectos inherentes a la banda base:

• Disminuir la componente continua
• Proveer sincronismo entre transmisor y receptor
• Permitir detectar la presencia de la señal en la línea

Como se está trabajando con pulsos, de acuerdo al desarrollo de Fourier, se puede tener un valor importante de la componente continua. Al codificar se trata de disminuir dicho valor pues el sistema de transmisión puede poseer amplificadores y/o transformadores que no tendían en cuenta la componente continua y ello provocaría una deformación de la señal.

Es posible utilizar banda base en redes LAN y en otro tipo de redes siempre y cuando no se emplee la red pública de comunicaciones.

CARACTERISTICAS BANDA BASE:

La señal no retorna a 0 y el pulso de tensión tiene la duración de 1 bit. La señal más simple que se emplea es la NRZL (NonReturn to Zero Level)

Generalmente un 1 lógico es un pulso de tensión mientras que un 0 lógico es la ausencia de dicho pulso de tensión.

Técnicamente se las conoce como señales on/off y las mismas tienen una alto valor de componente continua.

La mayor parte de la potencia transmitid se encuentra en las primeras armónicas puesto que el desarrollo de la serie de Fourier da un espectro de la forma sen(x)/x

En esta transmisión está limitado el uso de transformadores puesto que los mismos no permiten el paso de la corriente continua, únicamente funcionan con corriente alterna.

No es posible enviar junto con los datos una señal de sincronismo. El receptor se sincroniza por medio de las transiciones de pulsos recibidos. Pero si se tiene una larga secuencia de ceros o de unos, la señal permanece constante durante un tiempo bastante largo en la línea y el receptor no puede identificar el principio y fin de cada bit. Este inconveniente se resuelve con la codificación.

En transmisiones en banda base puede producirse una deformación por interferencia entre símbolos (intersímbolos), la cual es debida a la superposición parcial de señales que corresponde a cada bit.

CUANTIFICACION DIGITAL

Procesos de la conversión A/D.

Básicamente, la cuantificación lo que hace es convertir una sucesión de muestras de amplitud continua en una sucesión de valores discretos preestablecidos según el código utilizado.

Durante el proceso de cuantificación se mide el nivel de tensión de cada una de las muestras, obtenidas en el proceso de muestreo, y se les atribuye un valor finito (discreto) de amplitud, seleccionado por aproximación dentro de un margen de niveles previamente fijado.

Los valores preestablecidos para ajustar la cuantificación se eligen en función de la propia resolución que utilice el código empleado durante la codificación. Si el nivel obtenido no coincide exactamente con ninguno, se toma como valor el inferior más próximo.

En este momento, la señal analógica (que puede tomar cualquier valor) se convierte en una señal digital, ya que los valores que están preestablecidos, son finitos. No obstante, todavía no se traduce al sistema binario. La señal ha quedado representada por un valor finito que durante la codificación (siguiente proceso de la conversión analógico digital) será cuando se transforme en una sucesión de ceros y unos.

Así pues, la señal digital que resulta tras la cuantificación es diferente a la señal eléctrica analógica que la originó, algo que se conoce como Error de cuantificación. El error de cuantificación se interpreta como un ruido añadido a la señal tras el proceso de decodificación digital. Si este ruido de cuantificación se mantiene por debajo del ruido analógico de la señal a cuantificar (que siempre existe), la cuantificación no tendrá ninguna consecuencia sobre la señal de interés.

CODIFICACION DE SEÑALES

La codificación digital de video es una de las técnicas clave en muchos de los procesos digitales relacionados con una gran cantidad de dispositivos de la electrónica de consumo y de computación y las leyes y normas que controlan sus prestaciones se denominan, a veces, "comprensión de señales", si bien en todos los casos se trata de diferentes tipos y modalidades de codificación.

Para establecer una relación matemática, útil para la síntesis de la señal digital, es necesario efectuar un análisis de la señal analógica que le da origen. Se encuentra entonces que las secuencias de video contienen una significativa cantidad de redundancia estadística y subjetiva, dentro y entre cuadros.El rendimiento de las técnicas de Compresión de Video depende de la cantidad de redundancia contenida en la imagen, así como de la técnica de compresión usada.
En los esquemas de compresión usados en la práctica, se busca el compromiso entre un alto grado de compresión con suficiente calidad y una complejidad de implementación aceptable y realizable en forma confiable. Se distinguen en la práctica dos grupos de codificación, una sin pérdidas y otra con pérdidas.
En los métodos sin pérdida, se reducen los datos de la imagen o de la señal de video para el almacenaje o la transmisión de tal manera que se mantiene la calidad de la imagen. En este caso la calidad de la imagen decodificada debe ser idéntica a la calidad de la imagen previa a la codificación. Este sistema es reversible.
En los métodos con pérdida se trabaja generalmente con una tasa de bits predeterminada que es inferior a la requerida para una codificación sin pérdida. Se usa esta señal también para almacenaje o transmisión, pero este sistema no es reversible.
En la Figura 3 vemos algunos ejemplos de Técnicas usadas para ambos métodos, el reversible y el no-reversible. En el modo reversible se destacan los siguientes:

• La supresión del borrado.
• La codificación estadística.
• El código Huffman.
• El código Comma.
• El código aritmético de longitud variable.
• El código B.
• La codificación del vector run - length.
• La codificación de longitud variable.

En el modo no-reversible se destacan los siguientes:

• El muestreo sub – Nyquist
• La modulación diferencial de código de pulsos (DPCM).
• La codificación transformada y de sub - banda. Este tipo de codificación posee subcategorías:
• Karhunen, Loeve,
• Walsh Hadamar, DCT = Discrete Cosine Transform = Transformada Discreta de Coseno.
• QMF = Quadrature Mirror Filter = Filtro de espejo de cuadratura.
• Wavelets
  
  
  MODULACION  Y DEMODULADOR FSK Y ASK
  
  
  Es conocida como modulación por conmutación de frecuencia FSK (frecuency shift keying), la frecuencia instantánea de la señal portadora se conmuta entre dos valores en respuesta al código. Esto sugiere que se puede considerar a la señal FSK como si estuviera compuesta de dos señales ASK con diferentes frecuencias portadoras. Por tanto, para transmitir cualquiera de los símbolos binarios, se elige entre las dos señalesPara elaborar la señal FSK se elaboraron dos osciladores senoidales uno funciona a 40KHz el cual representara los niveles altos y el otro a 20KHz con lo cual describiremos los niveles bajos.
  
  

  Para este caso se recibe nuevamente por el puerto de interrupciones RB0 la señal digital, y cuando detecta un flaco de bajada o subida, responde con una señal cuadrada de 20KHz de amplitud 5V o 40KHz de amplitud 5V respectivamente. Esta señal es sacada por el pin RB3.

  Al igual que ASK se pasa por un filtro para volver la señal senoidal.

  ASK y FSK pasa por el siguiente filtro pasa bandEl cual deja pasar las señales   frecuencias centradas aproximadamente en 40 Khz., la cual nos da las señales que tienen información de un 1 lógico. Luego esta señal pasa por un detector de envolvente, el cual nos cambia la señal senoidal por una aproximación de una señal digital, luego pasa por una etapa de rectificación (smith trigger) que nos da una señal de buena calidad y es la información decodificada.

  
  

  

  
  

  
  

  
  

La modulación por desplazamiento de fase o PSK (Phase Shift Keying):

Es una forma de modulación angular que consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un número de valores discretos. La diferencia con la modulación de fase convencional (PM) es que mientras en ésta la variación de fase es continua, en función de la señal moduladora, en la PSK la señal moduladora es una señal digital y, por tanto, con un número de estados limitado.

Una señal es digital si consiste en una serie de pulsos de tensión. Para datos digitales no hay más que codificar cada pulso como bit de datos. En una señal unipolar (tensión siempre del mismo signo) habrá que codificar un 0 como una tensión baja y un 1 como una tensión alta (o al revés). En una señal bipolar (positiva y negativa), se codifica un 1 como una tensión positiva y un 0 como negativa (o al revés). La razón de datos de una señal es la velocidad de transmisión expresada en bits por segundo, a la que se transmiten los datos. La razón de modulación es la velocidad con la que cambia el nivel de la señal, y depende del esquema de codificación elegido.

Codificación. Datos digitales, señales digitales

- Un aumento de la razón de datos aumentará la razón de error por bit.
- Un aumento de la relación señal-ruido (S/N) reduce la tasa de error por bit.
- Un aumento del ancho de banda permite un aumento en la razón de datos.

Para mejorar las prestaciones del sistema de transmisión, se debe utilizar un buen esquema de codificación, que establece una correspondencia entre los bits de los datos y los elementos de señal. Factores a tener en cuenta para utilizar un buen sistema de codificación:

1. Espectro de la señal: La ausencia de componentes de altas frecuencias, disminuye el ancho de banda. La presencia de componente continua en la señal obliga a mantener una conexión física directa (propensa a algunas interferencias). Se debe concentrar la energía de la señal en el centro de la banda para que las interferencias sean las menores posibles.

2. Sincronización: para separar un bit de otro, se puede utilizar una señal separada de reloj (lo cuál es muy costoso y lento) o bien que la propia señal porte la sincronización, lo cuál implica un sistema de codificación adecuado.

3. Detección de errores: es necesaria la detección de errores ya en la capa física.

4. Inmunidad al ruido e interferencias: hay códigos más robustos al ruido que otros.

5. Coste y complejidad: el coste aumenta con el aumento de la razón de elementos de señal.

Es el esquema más sencillo ya que se codifica un nivel de tensión como un 1 y una ausencia de tensión como un 0 (o al revés).

 No retorno a cero (NRZ)

Ventajas: sencillez, fácil de implementar, uso eficaz del ancho de banda.

Desventajas: presencia de componente en continua, ausencia de capacidad de sincronización.

Se suelen utilizar en grabaciones magnéticas. Otra modalidad de este tipo de codificación es la NRZI que consiste en codificar los bits cuando se producen cambios de tensión (sabiendo la duración de un bit, si hay un cambio de tensión, esto se codifica por ejemplo como 1 y si no hay cambio, se codifica como 0). A esto se le llama codificación diferencial. Lo que se hace es comparar la polaridad de los elementos de señal adyacentes, y esto hace posible detectar mejor la presencia de ruido y es más difícil perder la polaridad de una señal cuando hay dificultades de transmisión.

 Binario multinivel:

Este sistema intenta subsanar las deficiencias de NRZ utilizando el sistema de codificar un 1 cada vez que se produce un cambio de nivel de la señal, y codificando un 0 cuando no hay cambio de nivel (lo cuál sigue siendo un inconveniente para cadenas de ceros).

Ventajas: no hay problemas de sincronización con cadenas de 1 (aunque sí con cadenas de 0), no hay componente en continua, ancho de banda menor que en NRZ, la alternancia de pulsos permite la detección de errores. 

Desventajas: hay aún problemas de sincronización, es menos eficaz que el NRZ, hay mayortasa de errores que NRZ.

 Bifase:

En la codificación Manchester siempre hay una transición en mitad del intervalo de duración del bit (la mitad del bit se encarga de la sincronización). En Manchester diferencial la transición en mitad del intervalo se utiliza sólo como sincronización y es la presencia de un cambio de tensión al inicio del bit lo que señala la presencia de un 1.

Ventajas: sincronización,no tiene componente en continua, detección de errores.

Desventajas: se necesita mayor ancho de banda.

Hay que diferenciar entre la razón de datos (bits por unidad de tiempo) y la velocidad de modulación (elementos de señal por unidad de tiempo). Cuanto mejor sea el sistema de codificación, mayor velocidad de modulación se podrá obtener.

Velocidad de modulación

Para mantener sincronizado el reloj del receptor en técnicas bifase, se hace necesario sustituir series largas de ausencias de tensión por cambios sincronizados (que portan el reloj) y luego se requiere un método en el receptor para volver a decodificar la señal original.