Moderní multimediální elektronika (U3V)

Prof. Ing. Václav Říčný, CSc.

Ústav radioelektroniky, FEKT VUT v Brně

Prezentace č. 1

Moderní multimediální elektronika - úvod

ModernModerníí multimedimultimediáálnlníí elektronika elektronika úúvodvod

1 Co jsou to vlastně multimedia ?Základní pojmy - terminologie

medium – v obecné informatice značí nosič informace, po-mocí něhož se uskutečňuje její zpracování, přenos nebo záznam. V teleinformační terminologii často označuje formu informace - např. text, grafiku, řeč,hudbu (obecně audio), obraz statický (např. fotogra-fie) i dynamický (videosekvence – slangově video),

multimedia – pojem zahrnující více typů informací současně,

multimediální systém - systém (i zařízení) pro vytváření, zpracování, přenos nebo záznam multimediálních informací – dnes prakticky pouze v digi-tální formě ,

multimediální aplikace – režim multimediálního systému, kterým se realizujezpřístupnění multimediální informace uživateli (např. divákovi). V tele-komunikační terminologii se nazývá multimediální služba.

2 Základní principy digitalizaceZákladní pojmy

spojitý (analogový) signál - signál, který probíhá v čase nepřetržitě a dosahujeteoreticky libovolných hodnot (např. audio signál, video signál aj.). Tento sig-nál se někdy nazývá také zdrojový signál,

číslicový (digitální) signál - signál je representován sekvencí binárních čísel(0,1), která vyjadřují hodnotu pravidelně se opakujících krátkých vzorkůpůvodního spojitého signálu (množina čísel a tedy i počet úrovní signálu je omezen – např. pro videosignál na PÚ = 256 úrovní (m = 8) PÚ = 28 = 256,

digitalizace – proces přeměny spojitého signálu do číslicové (digitální) formy,digitizér – technické zařízení pro digitalizaci.

Obecné blokové schéma digitizéru Různé typy vzorkování

Kmitočet fmax vzorkování musí splňovat Shannon-Kotelnikovův teorém fvz≥ 2fmaxfmax je nejvyšší kmitočet ve spektru spojitého signálu omezený dolní propustí

Přechod od spojitého (analogového) k číslicovému (digitálnímu) signálu

Při kódování s lineárním kvantováním, platí pro celkovou přenosovou (bitovou) rychlost R digitálního signálu vztah

R = fvz . m ≥ 2 fmax. m. Např. pro monochromatický (černobílý) obrazový signál je fmax = 8.106 Hz a m = 8 Pro 256 kvantovacích úrovní je 2m = 28 = 256). Potom R ≥ 2. 8.106. 8 = 128 Mbit/s.

Výhody digitálních signálů ve srovnání s analogovými signály- velká odolnost vůči nelineárním zkreslením a kolísání útlumu přenos. kanálu,šumovým signálům aj.,

- možnost kvalitního digitálního záznamu (nezávislého na počtu kopií) na různámedia, včetně polovodičových pamětí,

- možnost užití účinných nespojitých modulačních metod pro přenos,- možnost počítačového zpracování a kompenzace zkreslení,- možnost užití účinných kompresních algoritmů pro redukci objemu digitálníchdat a bitové rychlosti přenosu a tím lepší využití přenosového kanálu,

- snazší ochrana digitálních dat proti zkreslení, ale i nežádoucímu příjmu, Nevýhody digitálních signálů ve srovnání s analogovými signály

- vznik nových systémových zkreslení při digitalizaci (např. kvantizační brum).Kvalita přenášené informace (např. obrazu) tedy nemůže být lepší než kvalitapůvodní spojité informace za předpokladu kvalitního přenosového kanálu (na-př. kabelový rozvod),

- výrazné zvýšení potřebné šířky kmitočtového pásma přenosového kanálu připřenosu nekomprimovaných digitálních signálů. Díky účinným kompresnímalgoritmům však ve skutečnosti lze přenosovým kanálem přenášet podstatněvětší objem informací než v případě analogových zdrojových signálů. Např.TV přenosovým kanálem 8 MHz lze přenášet až pět digitální televizních pro-gramů ve srovnání s jedním analogovým.

Vliv prostorového rozlišení na kvalitu obrazuprostorové rozlišení je dáno počtem obrazových bodů (pixel - Picture-Ele-ment) v obraze. Jeho zvětšování odpovídá větší objem D digitálních dat a u videosekvencí vyšší požadavky na přenosovou (bitovou) rychlost R.

D [bitů] = N . m = H. V . m nebo R [bitů/s] = D . s (počet snímků/s)kde značí: H,V….šířku a výšku obrazu, m…bitová reprezentace jednoho pixelu.

Např. pro nekomprimovaný záznam dvouhodinového barevného filmu (7200 s)digitalizovaného dle doporučení CCIR ITU R 601 (824 x 625 pixelů, m = 8 bitů/pixel, s = 25 snímků/s.), by bylo třeba kapacity záznamového media D = 193 GBytů –jednostranný disk DVD představuje kapacitu 4,7 GBytů !!!

a) b) c) d)

a) H .V = 16 x 16 pixelů v obraze, b) H . V = 32 x 32 pixelů v obraze,c) H . V = 64 x 64 pixelů v obraze, d) H . V = 256 x 256 pixelů v obraze

Vliv jasového rozlišení na kvalitu obrazuJasové rozlišení je dáno počtem jasových úrovní připadajících na jeden

pixel (obrazový bod). Jeho zvětšováním se opět zvětšuje objem D digitál-ních dat a v případě dynamických obrazů přenosová (bitová) rychlost R.

a) b) c) d)

V obrázcích a) až d) vzrůstá počet jasových úrovní (kvantovacích hladin) na jeden obrazový bod

a) 1 bit/pixel = 2 úrovně/pixel, b) 2 bity/pixel = 4 úrovně/pixel,c) 4 bity/pixel = 16 úrovní/pixel, d) 8 bitů/pixel = 256 úrovní/pixel

3 Klasifikace multimedií (multimediálních informací)K základním typům multimedií patří:text a grafika – v tištěné nebo elektronické formě (monochromatické i barevné -

např. knihy, časopisy, telegram, faksimile, video-textové systé-my (Teletext) aj.,

víceúrovňové statické obrazy – v tištěné i elektronické formě (monochromatickéi barevné) - např. fotografie, medicínské snímky, kosmické sním-ky aj

pohyblivé (dynamické) obrazy – video – sekvence snímků odpovídající dynamic-ky se měnící scéně - např. videokonference, film, televize a jiné.Liší se především rozlišením odpovídajícím parametrům snímací-ho zařízení a přenosového kanálu.

audio – řeč, hudba – doplňková, ale nutná složka obrazových informací a multi-mediálních služeb – např. telefon, rozhlas, televize. Liší se opětkvalitou odpovídající zejména frekvenčnímu pásmu počtu audiokanálů apod.

Na příkladu digitálního víceúrovňového statického obrazu lze dokumentovatprostorové a jasové rozlišení a jeho vliv na kvalitu obrazu

4 Multimediální technologieMultimediální technologie - představují souhrn technických (hardware)i programových (software) prostředků k vytváření, zpracování, záznamu(archivaci), přenosu a zobrazení různých multimediálních informací

V tomto kurzu se budeme zabývat především multimediálními terminály

5 Moderní domácí multimediální terminály (zařízení)V přehledu jsou uvedeny příklady domácích multimediálních zařízení pracují-cích na principu digitálního zpracování signálů, která budou postupně probírá-na v rámci kursuTelevizní přijímače – analogovépro příjem pozemního analogové vysílání (v soustavách PAL,NTSC, příp. SECAM), s digitálním zpracováním obrazovýchsignálů.

Televizní přijímače pro příjem digitálního vysílánípro příjem pozemního digitálního televizního vysílání DVB-T

Set-Top-Boxypro příjem pozemního digitálního televizního vysílání DVB-Ta DVB-T MHP

Satelitní digitální televizní přijímače pro příjem satelitního digitálního vysílání DVB-S

Stolní rekordéry a přehrávače DVD – digitální systémypro optický záznam (archivaci) a reprodukci multimediálníchsignálů standardů DVD aj. (např. JPEG, CD, SVCD, MP3)

Domácí kino multimediální sestavy pro domácí kvalitní reprodukciobrazu i vícekanálového zvuku

Digitální kamery a kamkordéry s magnetickým nebo optickým záznamem přenosná digitální záznamová zařízení několika vzájemněnekompatibilních standardů

Digitální fotoaparáty

Digitální přehrávače MP3přehrávače stereofonního komprimovaného digitálníhoaudio signálu s polovodičovými pamětmi

Multimediální počítače PC aj.počítače vybavené přídavnými kartami a software umožňujícími prakticky všechny multimediálníoperace (příjem TV signálů ve všech standardech,záznam komprimovaného obrazového signálu na hard disk, jeho technické a režijní zpracování a reprodukci na interním i externím monitoru.

6 Evropské standardy digitálního vysíláníDVB-S … Digital Video Broadcasting Satellite – ETS 300421 (1994)

digitální TV vysílání z geostacionárních družic- kmitočtová pásma 12 GHz a vyšší,- digitální modulace QPSK (Quadrature Phase Shift Keying–

kvadraturní fázové klíčování nosné vlny),- komprimovaný modulační transportní datový tok video

- audio a multiplex dle kompresního standardu MPEG 2,- vnější ochranné kanálové kódování – Reed -Solomonův kód,- vnitřní ochranné konvoluční kódování.

DVB-C….Digital Video Broadcasting Cable – ETS 300429 (1994)digitální TV distribuce kabelovými sítěmi (rozvody)

- speciální S-kanály v I. - V. televizním pásmu (47 - 800 MHz),- digitální modulace M-QAM (Many Quadrature Amplitude Modulation – více-

stavová amplitudová kvadraturní modulace - M = 16 nebo 64),- komprimovaný společný modulační transportní datový tok video-audio a

multiplex dle kompresního standardu MPEG 2,- vnější ochranné kanálové kódování – Reed -Solomonův kód,- vnitřní ochranné nepoužívá (kvalitní přenosový kabelový kanál).

DVB-T….Digital Video Broadcasting Terrestrial ETS 300774 (1997)digitální pozemní televizní vysílání

- kmitočtová pásma I. - V. televizní pásmo (47 - 800 MHz),- digitální modulace CODFM (Coded Orthogonal Frequency

Divided Multiplex – kodovaný ortogonálně dělený frekvenčnímultiplex),

- komprimovaný společný modulační transportní datový tokvideo–audio a multiplex dle kompresního standardu MPEG 2,

- vnější ochranné kanálové kódování – Reed - Solomonův kód,- vnitřní ochranné nepoužívá (kvalitní přenosový kabelový ka-

nál).Standard DVB-T umožňuje nadstavbu DVB-T MHP (Multimedia Home Platform),

která umožňuje navíc interaktivní komunikaci diváka s centrem.Vyžaduje speciální přijímač a navíc zpětný kanál - např. telefon,mobil, Internet aj. Další nadstavbou je standard DVB-H (Handheld)pro mobilní příjem televize malými terminály.

DAB…….Digital Audio Broadcasting – digitální pozemní rozhlasovévysílání

- může pracovat v kmitočtových pásmech DV,SV,KV, VKV i UHF,- používá stejnou digitální modulaci CODFM.,V České republice zatím není využíváno, ale je jen otázkou blízké budoucnosti.

PoznámkaV současné době se již postupně zavádí inovované a zlepšené verse

těchto standardů DVB-S2 , DVB-T2, DVB-C2 příp. DVB-HS (DVB-H pro sa-telitní distribuci. DVB-S2 - standardizován v roce 2005 (EN 302307). Je již používán.DVB-T2 - zahájení prací v roce 2007DVB-C2 - zahájení prací v roce 2007.Společným rysem všech těchto standardů je zvýšení rychlosti bitového

toku jako předpoklad pro aplikaci v televizi s vysokým rozlišením HDTV.Ve všech standardech bude již využit účinnější kompresní algoritmus MPEG - 4 AVC a další parametrické změny jak zdrojového signálu, tak i parametrických změn modulace. Dekodéry signálů těchto standardů by měly být zpětně kompatibilní – tj. měly by umožňovat i příjem signálůpůvodních standardů.

7 HDTV 7 HDTV –– HighHigh DefinitionDefinition TelevisionTelevisionTelevize s vysokým rozliTelevize s vysokým rozliššeneníímm

Současný evropský analogový TV standard nabízí při převodu do digitálníformy podle doporučení ITU R 601 a vzorkovacím formátu 4 : 2 : 2 jasovérozlišení cca 414000 viditelných obrazových prvků v obraze (575 řádků čibodů na výšku obrazu x 720 bodů v řádku).

Digitální forma HDTV přináší- podstatné zvětšení – počtu obrazových bodů v obraze (až 2 000 000 ) a s tím

související zvýšení rozlišovací schopnosti v horizontálním i vertikálním směru(ostrý obraz i při transfokaci) – přináší výrazné zlepšení kvality obrazu,

- možnost pozorování obrazu z menší vzdálenosti (bez vjemu řádkové struktury)a tím výraznější vjem děje – vjem neruší okolí,

- možnost výrazného zvětšování zobrazovačů bez patrného vjemu rozkladovéstruktury,

- změnu formátu obrazu 4:3 a 16:9,- eliminaci chvění v obraze vlivem řádkového prokládání (progresivní rozklad),- eliminaci klasických zkreslení analogových standardů barevné televize (cross-

color, cross-luminance),- kvalitní zvukový doprovod (až 8mi kanálová reprodukce typu surround) aj.

Digitální standardy HDTVProjekt „Digital HDTV Grand Aliance“ (USA 1993), využívá kompresi digitálníhovideosignálu kompresní algoritmus MPEG-2, vícekanálový zvukový doprovodDolby Digital AC-3, kanálovou modulaci VSB (pro terrestriální distribuci možnáv budoucnosti přechod na výhodnější COFDM).

Současný stav HDTV v EvropěCeloevropský projekt DVB využívá kompresi digitálního videosignálu kompres-ní algoritmus MPEG-2 nebo MPEG- 4 AVC s různými úrovněmi a profily (včetněHDTV), vícekanálový zvukový doprovod kódovaný algoritmy MPEG Layer IInebo Dolby Digital a kanálové modulace dle typu distribuce (satelitní, kabelové, pozemní). V evropském standardu HDTV se předpokládají tyto formáty rozkladuobrazu (poměry stran všech formátů jsou 16 : 9)

720p – progressive (neprokládaný)720 řádků x 1280 bodů v řádku neprokládaného rozkladu - 25(50) snímků/s

1080 i – interlacing (prokládaný) Full HD1080 řádků x 1920 bodů v řádku prokládaného rozkladu - 50 půlsnímků/s

1080p – progressive (neprokládaný) Full HD1080 řádků x 1920 bodů v řádku neprokládaného rozkladu – 25 snímků/s

Signál formátu 720p/25 digitalizovaný ITU R 601 má rychlost nekomprimovanýchobrazových dat cca 460 Mbit/s. Pro formáty 1080p/25 a 1080i/50 je rychlost dat1036 Mbit/s a pro formát 1080p/50 je to již 2072 Mbit/s. Požadavky na přenosovérychlosti kanálu jsou obrovské. Pro srovnání – digitalizovaný (nekomprimovaný)barevný signál PAL se standardním rozlišením 576 x 720 má rychlost bitovéhoho toku 216 Mbit/s. Vyžadoval by pro přenos kanál široký cca 120 MHz – tedy 15současných TV kanálů.

K redukci rychlosti datového toku HDTV se užívají kompresní algoritmy MPEG-2nebo výkonnější MPEG- 4 AVC (Advanced Video Coding). Situace po kompresi jena obrázku

Při terestriální distribuci digitálního signálu DVB-T lze do jednoho kanálu (8 MHz) vložit 4 – 5 TV programů se standardním rozlišením, zatímco v případě HDTV pouze jeden TV program komprimovaný dle standardu MPEG-2, příp. 2 programy. komprimované MPEG- 4 AVC. Je také patrné, že největší nároky na přenosovou rychlost mají video-sekvence s rychlým pohybem a velkým obsahem detailů – ty-picky jsou to např. sportovní přenosy.