Kódování na bázi Waveletů

Transkript

1 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 01. Metody dekompozice v časové oblasti a parametrické (fraktálové) dekompozice obrazu. Kódování na bázi Waveletů Zakládá se na dekompozici originálního signálu na signálové komponenty, které se kódují a přenáší. Jejich syntézou se získá rekonstruovaný signál. Dekompozice originálního signálu se realizuje Waveletovou transformací. (WT),syntéza se realizuje inverzní Waveletovou transformací. Waveletová transformace na rozdíl od Fourierové transformaci používá časově ohraničené funkce, pomocí kterých je možno posunem a změnou šířky dosáhnout časovou lokalizaci frekvenčních složek v signále. Základem spojité WT je rozklad signálu do množiny funkcí jejichž základem je mateřská Waveletová funkce (t) ze které jsou odvozené další funkce postupnou dilatací a posunem v čase. Množinu těchto funkcí lze vyjádřit ve tvaru ab ( t) 1 a t b a Kde a - je poměrový faktor (scaling facktor ) b faktor posunutí (translaction factor) Obr.1 Příklad časových průběhů Waveletov Principy komprese obrazu, založené na lineárních transformacích (DCT, DWT) Diskrétní kosinová transformace (DCT) a diskrétní vlnková (waveletová) transformace (DWT). Ztrátové komprese jsou založeny na prostorové podobnosti obrazových dat. Abychom takovou podobnost odhalili, je nutné využít transformace, která převede prostorový obrazový signál do kmitočtové domény (DCT), nebo do podoby tzv. dekompozičního obrazce (DWT). Takto získaná data zakódujeme pomocí určitého schématu do podoby určené k přenosu - zde dochází ke ztrátě informace. K dekompresi je třeba použít proces analogicky zcela opačný, tj. aplikace dekódovacího schématu a inverzní transformace k získání (nyní již kompresí ovlivněných) výsledných dat. Ke konkrétním implementacím, pracujícím na principu DCT, patří především grafický formát JPEG. Také naprostá většina kodeků pro ukládání videosignálu pracuje s využitím DCT, odlišnosti se dají nalézt především u kódovacího procesu, kterému transformace předchází. U DWT je nejdůležitějším představitelem především grafický formát JPEG2000, určený pro kódování statického obrazu. Strana: 1 / 11

2 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 01. Metody dekompozice v časové oblasti a parametrické (fraktálové) dekompozice obrazu. DCT komprese obrazu Diskrétní kosinová transformace je odvozena z diskrétní Fourierovy transformace tak, že vrací pouze reálnou složkou. Jde o fourierovskou transformaci, což přináší základní nedostatek - složky v kmitočtové oblasti nenesou žádnou informaci o původní poloze v prostorové oblasti. Tato transformace je totiž určena k analýze statických (u obrazových signálů v prostoru neměnných) periodických signálů. Řešením je rozdělit původní prostorovou doménu na segmenty, které jsou dostatečně malé tak, aby se výše zmíněná vlastnost neprojevila. Ve skutečnosti jde o největší problém všech kompresí založených na DCT, neboť segmentace je zejména při vysokých stupních komprese zcela evidetní a vnáší do dekódovaného obrazu zkreslení v podobě tzv. blokových artefaktů, které je nutné odstraňovat následným speciálním zpracováním. Segmentace se provádí většinou na bloky o velikosti 8 8 pixelů. Dále se přistupuje k samotné transformaci. Využívá se algoritmu DCT-II [7], který je snadno realizovatelný pomocí maticového násobení (což je v případě takto malých segmentů výhodné). Následuje aplikace kódovacího schématu. To zahrnuje následující kroky: - kvantování - využívá se statické kvantovací matice, kterou se koeficienty dělí (prvek po prvku) a následně zaokrouhlí - načtení koeficientů dle cesty - všech 64 koeficientů se načte do zásobníku dle připravené "zigzag" (obr. 1) cesty, která zohledňuje důležitost jednotlivých koeficientů v jednom segmentu (koeficienty s větším významem jsou načítány jako první) - RLE kódování - kóduje koeficienty po dvojicích symbolů, přičemž zohledňuje zvýšený výskyt nul (RLE = Run Length Encoding) - Huffmanovo kódování - kóduje dvojice symbolů pomocí Huffmanova kódování (prefixový kód s převodní tabulkou, která zvýhodňuje nejčastěji se vyskytující dvojice) Takto získaná data se poté uloží. Přitom se ještě odliší první koeficient (stejnosměrná složka - DC koeficient) - tato vykazuje zpravidla největší míru podobnosti v celém obraze a je proto kódována diferenčně (rozdílově) vzhledem k předcházejícím prvkům. Strana: 2 / 11

3 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 01. Metody dekompozice v časové oblasti a parametrické (fraktálové) dekompozice obrazu. JPEG komprese Funkční blok provádějící diskrétní kosinovou transformaci při kódování dle JPEGu DWT komprese obrazu Vlnková transformace je ve srovnání s Fourierovou transformací zcela odlišný přístup k analýze signálů. Je vlastně odpovědí na výše zmíněný problém s lokalizací transformovaných koeficientů v prostoru. Spojitá vlnková transformace se dá velmi zjednodušeně vysvětlit tak, že procházíme postupně celým obrazovým signálem v prostorové doméně a zjišťujeme jeho podobnost s mateřskou vlnkou (která je bází transformace) v příslušném měřítku. Tak získáme teoreticky nekonečné množství informací o podobnosti signálu s analyzujícím vlnkou, které jsou definovány jednak pro určitou prostorovou pozici a jednak pro konkrétní měřítko. Tyto informace se nazývají vlnkové koeficienty. Jak jsou aplikovány tyto metody na obraz například při přenosu televizního obrazu Pokud bychom přenášeli nekomprimovaně 720x576 při 25sn/s, tak se dostaneme na bitrate téměř 250Mbit/s, což není ve vyhrazeném kmitočtovém pásmu (TV kanálu) možné přenést. Opět jde o podobný problém jako u DVD, proto se zavádí také komprese, opět stejná jako u DVD, tedy MPEG-2. DVD používá maximální bitrate (datový tok) 9800kbit/s, přičemž normálně se používá průměrně kolem 6000kbit/s, bitrate TV vysílání opět vychází ze šířky pásma TV kanálu a také způsobu přenosu - modulaci, kódování a ochraně proti chybám při přenosu. Máme k dispozici přibližně 23Mbit/s, což je více než 2x více než u DVD. Strana: 3 / 11

4 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 01. Metody dekompozice v časové oblasti a parametrické (fraktálové) dekompozice obrazu. Při kompresi se používají dva způsoby - za prvé se hledají rozdíly mezi jednotlivými snímky a stejné části obrazu není třeba přenášet (tzv. pohybové vektory), čímž dochází k redukci dat, za druhé data, která už přenést musíme, se převádí v blocích pomocí diskrétní kosinové transformace (DCT) do frekvenční oblasti. DCT dokáže snížit počet dat tím více, čím méně je v obraze vysokofrekvenčních složek, v ideálním případě, kdy je obraz jednolitá plocha, lze zakódovat pouze jedním bytem. Pokud chceme snížit počet dat na určitý datový tok, ale po provedené DCT jich máme stále více, můžeme poslední data prostě nepřenášet. Tomuto způsobu se říká kvantizace, čím vyšší kvantizace, tím více zanedbaných bitů a tím horší obraz - více viditelných kostiček v obraze. Při zanedbání pár dat ve vhodně zvolených oblastech obrazu nemusíme okem rozdíl vůči originálu vůbec poznat. Je jasné, že výsledek je vždy určitým kompromisem mezi výslednou vizuální kvalitou a stupni komprese. Ještě se zmiňme o rozdílu v příjmu analogového a digitálního vysílání. U analogového vysílání se uvádí minimální odstup signálu od šumu 40dB, aby byl obraz pěkný. Čím bude odstup signálu od šumu menší, tím více šumu bude v obraz, ale obraz bude stále ostrý., no znáte to určitě všichni. Je nutné také počítat s dobrými příjmovými podmínkami, protože odrazy signálu např. od hor nebo špatně sladěná pásma antén mohou způsobit duchy v obraze. U digitálního vysílání je to jiné. Díky tomu, že se přenásí jen nuly a jedničky a díky datové ochraně proti chybám (samoopravné kódy), postačuje rpo příjem daleko menší odstup signálu od šumu. Proto také digitální vysílače vysílají i s desetinovými výkony než analogové. Pokud se ale dostaneme za určitou hranici, nebude narůstat šum v obraze, ale v obraze se začnou objevovat chyby, obraz se bude sekat a při špatných podmínkách se úplně zastaví. Jinak se také projevují odrazy - i při silném signálu může odraz zanést tolik chyb, že bude příjem nemožný. Malé shrnutí - máme k dispozici datový tok 23Mbit/s pro celý multiplex, kam se musí vejít jak video, tak i zvuk a další doplňkové datové služby jako teletext, EPG apod. To ale plně postačuje pro dvě až tři stanice v DVD kvalitě. Nebo pro více stanic, ale za cenu snížení datového toku každé stanice a tím pádem i kvality. Nepletete se - byla vybrána druhá možnost, protože více stanic znamená více peněz pro provozovatele i pro stát. Přidána ale nebyla jen jedna. Čtyři stanice by dostaly každá přibližně 5750kbit/s, což je ještě akceptovatelné, bylo ale zvoleno stanic pět, z nichž každá se může těšit na přibližně 4600kbit/s, odečteme-li zvuk ve formátu MP2 384kbit/s a datové služby, zbývá asi 4000kbit/s pro video. Ve skutečnosti je to ještě daleko méně, protože se vysílají i rádiové stanice a ne celý multiplex je využit. Princip MPEG komprese Komprese spočívá v tom, že každý x-tý snímek je uložen kompletní (I-snímek) a ostatní jsou definovány jako rozdíly mezi nimi (P-snímek a Bsnímek). I snímky jsou snímky klíčové, jsou komprimovány obdobně jako MJPEG, ale navíc s možností komprimovat různé části obrazu různým stupněm komprese. P-snímky jsou kódovány s ohledem na nejbližší předchozí I nebo P-snímek. B-snímky jsou pak dopočítávané jako rozdílové snímky mezi nejbližším předchozím I nebo P-snímekm a nebližším následujícím I nebo P-snímkem. Celá sekvence snímků (od jednoho I po další I snímek) se pak nazývá GOP (Group of Pictures) a standardní MPEG stream používá pořadí IBBPBBPBBPBBPBBPBB. Z pohledu zabíraného místa pak I snímky zabírají nejvíce místa, po nich jsou P snímky a úplně nejméně místa zabírají snímky B. Komprese MPEG-1 se nehodí pro střih videa z důvodu vzdálených klíčových snímků. Fraktálová komprese obrazu Fraktálové kódování je založené na principu lokální samopodobnosti bloků obrazu. Metoda je založená na aplikaci kontraktivních transformací na bloky obrazu. Obraz se rozdělí na soubor Strana: 4 / 11

5 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 01. Metody dekompozice v časové oblasti a parametrické (fraktálové) dekompozice obrazu. nepřekrývatelných bloků, které se označují jako R (Range) bloky. Dále se volí v obraze D (domain ) bloky, jejichž rozměr je dvakrát větší než rozměr R bloků a můžou se překrývat. Obr. 2 Rozdělení obraze na R a D bloky Při kódování hledáme také dvojici R a D bloků, které se sobě nejvíce podobají - mají tedy minimální euklidovou vzdálenost. Pro potřeby porovnávání R a D bloků se musí rozměr bloku D upravit na stejný rozměr jako má blok R. Z hlediska aproximace z nalezeného bloku D je možno vytvořit aproximovaný blok Rˆ ve tvaru : Kde: Rˆ i 1 je jednotková matice s, o jsou koeficienty transformace s. D j o.1 Při hledání nejpodobnějšího bloku Dj k danému bloku Ri je zapotřebí myslet i na jiné polohy bloků Dj např. pootočené o 90, 180, 270 stupňů otočené okolo vodorovné svislé osy atd. Tento parametr se nazývá IZOMETRIE. (i) Obr.3 Princip fraktálového kódování obrazu. Fraktálový kód každého Ri bloku se skládá ze souřadnic x, y nejpodobnějšího bloku Dj s koeficientů s, o a použitého druhu izomerie. Dekódování je interaktivní tj. každý blok Ri je aproximovaný odpovídajícím blokem Dj, - v prvním kroku je Dj = 0. Po každé interaci bloky Rˆ i - konvergují k originálním hodnotám. Princip fraktálového kódování je uvedený na obr.3. Frakálové kódování je časově náročnější než dekódování, protože při hledání nejpodobnějšího D bloku k danému R bloku je potřeba vyšetřit všechny možné D bloky se všemi izometriami. Strana: 5 / 11

6 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 01. Metody dekompozice v časové oblasti a parametrické (fraktálové) dekompozice obrazu. Založen na principu hledání sobě-podobných částí obrazu. I. Kódování 1. Obraz se rozdělí na nepřekrývající se části (podrobnosti v kapitole Dekompozice obrazu do oblastních bloků). Tyto části se nazývají oblastní bloky a musí pokrývat celý analyzovaný obraz. 2. Pro každý oblastní blok je nutné najít větší blok, který je velmi podobný bloku oblastnímu. Tyto větší bloky se nazývají doménové bloky a můžou se navzájem překrývat. Snahou je nalézt tedy takový mapovací předpis w, který vyjadřuje transformaci doménového bloku do bloku oblastního. Jak nalézt domény: A. Spočítá se průměrná hodnota všech pixelů v oblastním bloku. B. Náhodně se vybere (generace pozice x,y) doménový blok, který je větší než blok oblastní. C. Spočítá se průměrná hodnota všech pixelů v doménovém bloku pro každý typ geometrické transformace (rotace, translace ) Strana: 6 / 11

7 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 01. Metody dekompozice v časové oblasti a parametrické (fraktálové) dekompozice obrazu. D. Kroky B a C se opakují, dokud není hodnota pixelů doménového bloku podobná jako hodnota oblastního bloku (využití střední kvadratické odchylky). R s D o R = oblastní blok D = doménový blok s = škálovací faktor o = jasový posun E. Oblastní blok je nahrazen informacemi, které jsou získány popisem doménového bloku (jeho pozice, škálovací faktor, jasový posun, typ geometrické transformace) Nyní je zakódován jeden oblastní blok (získali jsme mapovací předpis w). Celý process je opakován pro každý oblatní blok v obrazu. II. Dekódování K dekódování je potřeba: - Některý zdrojový obrázek nebo prázdný borázek nějaké barvy, ze které budeme originální obraz rekonstruovat. Nejlepší je použít šedou barvu, protože má minimální vzdálenost k ostatním barvám (je tedy zaručena rychlá konvergence k originálnímu obrazu) - Data po kódování: velikost obrazu, pole struktur obsahující informace o doménových blocích. Iterativní krok: Prázdný obrázek (nebo zdrojový obrázek) musí být rozdělen do oblastních bloků. Pro každý oblastní blok známe potřebné transformace, takže je nezbytné pouze načíst doménový blok na známých pozicích, zmenšit ho a aplikovat potřebné transformace. Celý process je iterativní, takže krok je opakován dokud není rekonstruován originální obrázek. V každé iteraci se oblastní bloky více a více rekonstruují, protože se stávají součástí oblastních bloků, které jsou v dalších krocích iterace používány k rekonstrukci oblastních bloků (tzn. zmenšený doménový blok se stane součástí jiného doménového bloku, který se při jiné transformaci zase mapuje, čímž se zvyšuje detail) Po první iteraci lze vidět základní kontury originálního obrazu. Pro druhou iteraci se jako výchozí pomocný obrázek používá obraz, který byl vytvořen v první iteraci: Strana: 7 / 11

8 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 01. Metody dekompozice v časové oblasti a parametrické (fraktálové) dekompozice obrazu. V dalších iteracích lze téměř vidět originální obrázek s určitým šumem: Je potřeba zpravidla 8 iterací, aby byl získán obrázek podobný tomuto: Stále lze vidět určitý šum a nedokonalosti v rekonstruovaném obrazu. Pokud se použijí menší doménové bloky, výsledek bude mnohem lepší. Dekódování je rychlejší než kódování, lze tedy říci, že fraktální komprese je asymetrická metoda. Strana: 8 / 11

9 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 01. Metody dekompozice v časové oblasti a parametrické (fraktálové) dekompozice obrazu. Vlastnosti fraktálové komprese: 1. Ztrátová Nehledá se věrná kopie obrazu (části obrazu), ale přibližná. Z toho plyne, že degradace obrazu, která vzniká, je jiného druhu než u běžných kompresních algoritmů. Díky fraktálním složkám obrazu se změny jeví mnohem přirozeněji. Důsledkem toho je velmi obtížné srovnávat úspěšnost fraktální komprese s jinými ztrátovými metodami. Dá se jen těžko porovnat kvalita obrazu zkomprimovaného při stejném kompresním poměru různými algoritmy, vzhledem k tomu že ztráta kvality se projeví odlišně. 2. Asymetrická Kódování je časově velmi náročný proces a na rozdíl od něj je aproximace původního obrázku z transformací velmi rychlá. Můžeme tedy říci, že fraktální komprese je silně asymetrická metoda. 3. Nezávislá na rozlišení Dekomprimovaný obraz má znaky fraktálu. Je možné ho zvětšovat prakticky donekonečna a stále se objevují nové detaily (ty nejsou samozřejmě obsaženy v původním komprimovaném obraze, ale jsou uměle dopočítány). Tato vlastnost, tedy nezávislost na rozlišení, se dá velmi využít při zoomování a zvětšování obrazů. 4. Nezávislá na barevné hloubce obrazu Velikost dat po kompresi je stále stejná bez ohledu na počet bitů na pixel v komprimovaném obraze. Z toho plyne, že kompresní poměr se zlepšuje lineárně s počtem bitů na pixel. 5. Patentovaná Na rozdíl od jiných kompresních algoritmů je fraktální komprese od roku 1991 patentovaná Michaelem Barnsleyem a tudíž pouze držitel tohoto patentu ji může využívat ke komerčním účelům. Dekompozice obrazu do oblastních bloků: A) Stejně velké bloky Obraz se rozděluje do stejně velkých oblastních bloků. B) Quadtree (kvadrantový strom) Strana: 9 / 11

10 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 01. Metody dekompozice v časové oblasti a parametrické (fraktálové) dekompozice obrazu. V kvadrantovém stromu mohou z každého uzlu vycházet čtyři hrany. Kořenem tohoto stromu je obrázek sám a větvení se interpretuje dělením částí obrázku na čtyři stejné části (kvadranty). U stromu si můžeme navolit například minimální a maximální hloubku prohledávání, resp. minimální a maximální velikost oblastních bloků. Začíná se u kořene stromu, tedy u celého obrázku, který postupně dělíme, až se dostaneme na maximální povolenou velikost bloku (resp. minimální hloubku stromu). Každý ze čtyř vzniklých bloků podrobíme porovnávání s doménami. V těch blocích, kde jsme nenašli žádnou doménu s odchylkou splňující zadaný toleranční práh, se provede rozdělení a algoritmus může pokračovat rekurzivně. C) HV (horizontal-vertical) dělení Obraz je segmentován do obdélníkových oblastních bloků. Pokud není pro tento blok nalezen vhodný doménový blok, oblastní blok je rozdělen do dvou obdélníků horizontálním nebo vertikálním řezem. Strana: 10 / 11

11 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 01. Metody dekompozice v časové oblasti a parametrické (fraktálové) dekompozice obrazu. D) Polygonální dělení Totožný s HV dělením + navíc zavedeny 45 a 135 směry řezu obdélníku. E) Dělení pomocí evolučních algoritmů Nejlepší, ovšem nejnáročnější dělení na nesymetrické oblastní bloky. Dyadický rozklad pomocí waveletové transformace Waveletová transformace slouží k analýze signálů v časově-frekvenční oblasti. Na rozdíl od Fourierovy transformace bere v potaz i lokalizaci signálu v čase (poloze). Používá časově ohraničené funkce, pomocí kterých je možné posunem a změnou šířky dosáhnout časové lokalizace frekvenčních složek v signálu. Nejpoužívanějším schématem pro analýzu obrazů je dyadický rozklad. Po provedení dyadického rozkladu první úrovně jsou ve výsledku k dispozici 4 sady koeficientů: LL aproximace obrazu LH detaily obrazu v horizontálním směru HL detaily obrazu ve vertikálním směru HH detaily obrazu v diagonálním směru Pro mnoho-úrovňovou dekompozici signálu se často používá dyadický rozklad, u kterého se vždy rekurzivně analyzuje pouze aproximační část (LL pásmo) z předchozího kroku dekompozice. Strana: 11 / 11

12 02 Steganografie techniky digitálních vodoznaků a jejich aplikace v multimediích. Steganografie - (řečtina. steganós-schovaný, gráphein-psát) je věda zabývající se utajením komunikace prostřednictvím ukrytí zprávy. Zpráva je ukryta tak, aby si pozorovatel neuvědomil, že komunikace vůbec probíhá. Zachycení zprávy se rovná prolomení steganografie. Aby ani v tom případě nedošlo k prozrazení obsahu zprávy, zpravidla se kombinuje s kryptografií (šifrováním). Princip steganografie: Princip této techniky je jednoduchý. Existují určité typy počítačových dat, například bitmapové obrázky (*.bmp) nebo zvukové soubory, které mohou projít mnoha změnami, aniž by to člověk poznal. Steganografické programy vezmou zprávu určenou k utajení a vloží ji dovnitř nějakých vhodných dat. V případě zvukových souborů je možné upravovat zvuky, které jsou pro lidské ucho neslyšitelné, avšak v záznamu se objevují. Výsledný zvuk se v tomto případě pro posluchače nezmění. V případě obrázkových souborů je jedna z metod užívaných ve steganografii zkreslování barev v obrázku, například posunem barevného spektra některých bodů. Výsledek bude pro lidské oko téměř stejný - obrázek jen bude obsahovat téměř nepostřehnutelný šum a kdo neví nebo nečeká žádnou tajnou zprávu, nemůže nic zjistit. Steganografické metody: využití nejméně významných bitů - Při kódování zpráv nemají všechny bity stejně velký význam. Hodnoty nejméně významných bit_ pak lze přepsat bity skryté zprávy bez toho, že by došlo k postřehnutelné změně původní zprávy. využití rezervních bitů - Např. obrázky formátu *.bmp ( Bit Map ) nebo *.gif ( Graphics Interchange Format ). Obrázek sestává z matice obrazových bodů (tzv. pixelů), přičemž každý pixel je dán řetězcem 24 bitů = 3 B.Každý bajt reprezentuje podíl zastoupení červené, zelené a modré barvy pro daný pixel. Počet všech možných barev je 224 = 16,8 miliónů. Změnou posledního bitu každého z bajtů se barva pixelu změní na jeden z 23 = 8 navzájem sousedících odstínů. Rozlišit 8 sousedících odstínů z palety téměř 17 miliónů barev je pro lidské oko nemožné. využití způsobu zápisu Využívá se možnost, že informaci lze vyjádřit více různými zápisy. Typografická varianta (kombinace více formátů nebo stylů písma) a příkazová varianta (funkci lze realizovat různými příkazy). rozprostření spektra

13 02 Steganografie techniky digitálních vodoznaků a jejich aplikace v multimediích. Další metody: Další poměrně rozšířenou oblastí jsou metody založené na různých typech transformací, jako je například diskrétní kosinová (DCT), rychlá fourierova (FFT), waveletová (WT) nebo fraktálová transformace Digitální steganografie dnes nachází rozsáhlé využití například při ochraně autorských práv. Digitální vodoznak Digitální vodoznačení tedy znamená přidávání digitální informace do originálních dat takovým způsobem, že je to pro člověka nepostřehnutelné, ale zároveň snadno detekovatelné počítačovými algoritmy. Digitální vodoznak je většinou transparentní, neviditelný informační obrazec, který je vkládán do vhodných složek zdrojových dat užitím specifických algoritmů. Digitální vodoznaky jsou signály přidané do digitálních dat (audio, video, statický obraz, atd.), které mohou být kdykoli detekovány a vytaženy za účelem potvrzení pravosti zdrojových dat. Základní princip většiny dnešních systémů s vodoznaky je podobný symetrickým kryptosystémům, neboť je založen na použití stejného klíče k vložení i detekci vodoznaku. Požadavky na vkládání vodoznaku: - Nevnímatelnost správné zvolení prahu. Nesmí dojít k viditelnému zkreslení zvuku ani obrazu. - Odolnost nemělo by dojít k odstranění vodoznaku bez znalosti metody a klíče. - Bezpečnost využití několika kryptografických klíčů, což stěžuje přístup. - Složitost úsilí vynaložené na odstranění vodoznaku (čas). Doba by měla být tak velká aby po této době bylo odstranění bezvýznamné. - Spolehlivost detekce - Kapacita množství vložených informací Metody v časové oblasti: Tyto metody realizují modifikaci vzorků řečových nebo obrazových signálů. Metody vložení vodoznaku v časové oblasti, které se aplikují na obrazové signály, se také někdy

14 02 Steganografie techniky digitálních vodoznaků a jejich aplikace v multimediích. nazývají jako metody vložení vodoznaku v obrazové oblasti. Využívá se nedokonalosti lidského zraku v tomto smyslu Metody v transformační oblasti: Tyto metody realizují modifikaci transformačních Oblast vkládání vodoznaku Časová (obrazová) oblast Transformační oblast Parametrická oblast 20-6 koeficientů zdrojových dat. Při vkládání vodoznaku se nejprve musí provést transformace zdrojových dat do prostoru transformačních koeficientů. Vhodnými a často používanými transformacemi jsou diskrétní kosinová a diskrétní waveletová transformace. Po provedení transformace jsou realizovány samotné modifikace transformačních koeficientů. Zpětnou transformací modifikovaných koeficientů se získávají původní data, v kterých je obsažen vodoznak Viditelný vodoznak vloží do obrázku zjevnou značku tak, aby bylo obtížné ji odstranit. Důvodem je obvykle ochrana autorských práv. Vložení vodoznaku je celkem triviální operací. Skrytý vodoznak (též autentizační bitový vzorek) je aplikací steganografie. Skrytý vodoznak pozorovatelé zrakem nevnímají, ale přitom lze algoritmicky zjistit jeho přítomnost. Pro ochranu autorských práv slouží robustní vodoznak, který zůstává rozpoznatelný i po běžných transformacích dokumentu (komprese, konverze, základní grafické úpravy). Naopak pro ochranu integrity digitálních děl může být použit křehký vodoznak, který bude při jakýchkoli změnách obrazu snadno narušen. Aplikují se jak do obrazového formátu tak i do zvukového.

15 3. Standardy komprese pro přenos a záznam obrazu a videosekvencí. Vysvětlete principy komprese obrazu, založené na lineárních transformacích (DCT, DWT). Jak jsou aplikovány tyto metody na obraz například při přenosu televizního obrazu? Standardy komprese pro přenos a záznam obrazu a videosekvencí Formát AVI AVI je asi nejstarší formát videa pro PC. Použil ho Microsoft v operačním systému Windows Data byla původně bez komprese s rozměrem 160x120 bodů při 15 snímcích za vteřinu. Časem byl tento formát doplněn o vyšší rozlišení včetně volby kodeků pro snížení datového toku. Tento formát se používá dodnes ve většině zachytávacích zařízeních. Jeho nepříjemností bylo omezení maximální délky souboru na 2GB kvůli sytému záznamu na disk FAT16. Toto omezení v současnosti padlo s použitím FAT32 (max. 4GB), ale spousta programů přesto neumí pracovat se soubory AVI většími než 2GB. Formát MOV Pochází z počítačů Apple Macintosh jako formát programu Quicktime. V letech byl lepší variantou AVI - lepší kvalita a funkce. V poslední verzi Quicktime 4 byla přidána možnost přenosu po internetu (bez nutnosti přenést nejprve celý soubor). V poslední době ale ztrácí na popularitě díky rozšiřujícímu se používání formátu MPEG. Formát MJPEG Tento formát je zkratkou Motion JPEG. Jedná se o sekvenci snímků JPEG po sobě tvořící video. Jeho velko výhodou je snadnost střihu, protože jednotlivé snímky na sobě nejsou vázány jako u MPEGů. Proto je také hojně používán u různých zachytávacích karet, např. Matrox Rainbow Runner nebo Miro DC50, které používají hardwarovou kompresi. Velice často se také používá softwarová komprese, například u Morgan Multimedia MJPEG kodeku nebo Pegasus PICVideo MJPEG kodeku. Stupeň komprese je přibližně 1:7-12. Formáty MPEG MPEG je zkratka "Motion Picture Experts Group" - mezinárodní organizace, která se zabývá vývojem tohoto standardu. Výhodou je nezávislost na platformě. V současné době se používají čtyři formáty: MPEG-1 Tento formát existuje již od roku Jeho hlavním kritériem bylo zachování rozumné kvality při redukci datového toku na přijatelnou mez. Byl definován tok 1-1,5 Mbitů/s s možností náhodného přístupu po půl vteřině. Maximální rozlišení je 352x288 a 30 snímků/s. Pro většinu domácích uživatelů a obchodní použití (dokumentace apod.) dává přijatelné výsledky. MPEG-2 Byl vypuštěn v roce 1995 a jeho základní princip je stejný jako u MPEG-1, ale umožňuje datový tok až do 100Mbitů/s pro digitální TV, video filmy na DVD a pro profesionální studia. Také rozlišení bylo zvětšeno a dává daleko lepší výsledky než MPEG-1. MPEG-4 Je nejnovější video formát a jeho cílem je dát co nejlepší kvalitu při co nejnižším datovém toku 10kbit/s - 1Mbit/s. Byl použita nová metoda pro přístup k objektům obrazu, takže mohou být zpracovávány separátně. Hlavním použitím je přenos videa přes internet a při mobilní komunikaci. MPEG-7 Je poslední projekt. Je určen pro popis multimediálních dat a je nezávislý na ostatních formátech MPEG. Očekává se jeho přijetí jako standardu v roce Formát H.261 a H.263 H.261 je standard pro videokonfernce videotelefonování přes ISDN. Umožňuje regulovat tok dat v závislosti na propustnosti sítě. Přenos je po 64kbit/s nebo 128kbit/s (dva kanály ISDN). H.263 implementuje vyšší přesnost při pohybu než H.261. Jeho použití je pro monitorovací systémy a pro videokonference s velkou obrazovkou.

16 Komprese na DCT DCT je často používána při zpracování signálu a obrazu, obzvláště pro ztrátovou kompresi. Je například použita v obrazovém kodeku JPEG, video kodeku MJPEG, MPEG a DV. Její modifikace jsou použity v audio kodeku AAC, Vorbis a MP3. Vychází z toho, že každý signál (tzn. i obraz) lze nahradit složením řady harmonických funkcí. Signál je vyjádřen součtem těchto funkcí, proto kosinová transformace. Jedná se v podstatě o převod z oblasti signálových hodnot (jas a chrominance) do kmitočtové oblasti (spektrální koeficienty), DCT - je realizována ve dvou rozměrech. Aplikuje se na čtvercové matice o velikosti 8x8 pixelů, obrázek se tedy rozřeže na čtverečky, které se potom zpracovávají jeden po druhém. Je ale nutno podotknout, že DCT sama o sobě není kompresní metoda. Jde pouze o transformaci, která je popsána jednou rovnicí a má i svou inverzní variantu. Pokud na matici aplikujete dopřednou DCT a potom inverzní DCT, nic se na ní nezmění. Původní pixelová matice sestává pouze z hodnot pixelů (pro černobílé obrázky to je stupeň šedi, pro barevné hodnota jedné složky), kdežto DCT matice obsahuje tzv. DC koeficienty tvořící jakousi frekvenční mapu. Při kompresi se využívá toho, že lidské oko není citlivé na funkce vysokých kmitočtů. Amplitudy těchto funkcí jsou soustředěné v jednom rohu DCT matice a naopak v protějším rohu jsou nízké frekvence (pomalejší barevné přechody). Pro kompresi se potom používá tzv. kvantizační matice, která má největší hodnoty právě v místech, kde jsou vysoké frekvence. Pomocí jednoduchého dělení matic se odřežou vysoké frekvence a v DCT matici tak vznikne velké množství nul. To je redundantní obsah, který se pak zredukuje nějakou neztrátovou metodou (obvykle Huffmanovo kódování). Při dekompresi se zredukovaná DCT matice opět vynásobí kvantizační maticí a pak se aplikuje I-DCT. Tím dostaneme aproximaci původního čtverečku (bloku). Míra komprese a tím taky kvalita výstupu je dána faktorem kvality (nazývá se Q-Faktor), který v podstatě stupňuje hodnoty v kvantizační matici. Funkce vyšších frekvencí obvykle nejsou tak viditelné, ovšem ostré hrany jsou často výjimkou. Tady potom dochází k nepříjemnému zvlnění (Gibbsův jev) a vůbec lehkému rozostření celého obrázku. Proto není JPEG ani žádná jiná metoda založená na DCT vhodná pro kompresi technických výkresů a prezentačních materiálů, naopak je výborná pro zpracování digitálních fotografií a videa (DCT využívají všechny MPEG kodeky). Komprese na DWT DWT (Discrete Wavelet Transformation diskrétní vlnová transformace převod obrazu na množinu vlnových funkcí), což v praxi vede k lepšímu kompresnímu poměru a zároveň snesitelné ztrátě kvality obrazu (žádné čtverce ani vlnky, obraz je spíše rozostřený). Velkou výhodou může být také možnost volby regionů, které mají být komprimovány s vyšší a nižší kvalitou, což se podobá třeba floating MP3 u zvuku, kde se mění bitrate během přehrávání. Opět ale regiony volí uživatel, neboť on sám nejlépe rozhodne, co je v obrazu důležité a co se může třeba zahodit. Probíhá v celé ploše najednou nikoliv 8x8 jako DCT. Spojitá wavelet transformace: Signál je při této transformaci rozložen do sady funkcí, tzv. waveletů. Výpočet této transformace lze zjednodušeně popsat ve čtyřech krocích: 1. Vybere se vhodný wavelet a nastaví se jako mateční. 2. Wavelet se porovná s analyzovaným signálem. Vypočítá se koeficient waveletu (koeficient shody). Čím je koeficient větší, tím je větší shoda waveletu (při daném posunutí a měřítku) se signálem. 3. Wavelet se posune vzhledem k signálu (časové posunutí) a opakuje se krok 2. Krok 3 se provádí pro všechna časová posunutí. 4. Změní se měřítko waveletu (dojde k roztažení waveletu) a opakují se kroky 2 a 3. Opakování se provádí pro všechna měřítka.

17 !! U diskrétní wawelet transformace (DWT), se používají tzv. hlavní měřítka (mocniny dvou).!! = rozdíl proti spojité.. Aplikace DCT a DWT při přenosu TV obrazu Komprese bitového toku v systému MPEG 2 je založena na diskrétní kosinové transformaci DCT, pohybově kompenzované mezisnímkové predikci na principu DPCM (Delta Pulse Code Modulation - delta pulsní kódová modulace je způsob uložení v digitální podobě, kdy každému vzorku odpovídá jedno číslo, které značí pouze rozdíl signálu od předchozího vzorku), kvantizaci koeficientů DCT a jejich kódování kódem RLC a VLC. Transformace DCT spolu s pohybově kompenzovanou DPCM se nazývá hybridní DCT. Způsob minimalizace chyb ve videu lze provádět za využití podobnosti po sobě jdoucích snímků. Na základě této podobnosti se snažíme extrapolovat obrazové data z předchozího snímku, která následně využijeme k maskování chyb v aktuálním snímku. Takovou metodou je metoda LL subband, jež využívá vlastnosti vlnkové transformace, která je základem kompresního algoritmu JPEG2000.

18 4. Principy a algoritmy ztrátové komprese při použití standardů JPEG a JPEG Způsoby uložení multimediálních souborů, principy ztrátové komprese u souborů typu JPG, MP3 a MPEG. Multimediální soubory - data, která obsahují obraz, zvuk a video. Každý z těchto typů dat vyžaduje rozdílný přístup při počítačovém zpracování. Pro uložení obrazu je celá řada formátů, které liší se podle původu a účelu, ke kterému mají sloužit. Základní členění na rastrové (bitmapové) a vektorové rastrové obsahují data jako matici barevných bodů, podle množství uložených barev dělíme na monochromatické, ve stupnici šedi a barevné. Rastrové soubory obsahují velké množství redundantních informací (často bývají při ukládání komprimovány). Vektorové obsahují data jako popis grafických prvků, které popisují obraz v podobě posloupnosti kreslicích příkazů. JPEG formát určený pro kompresi statických obrazů Prvním krokem optimalizace JPG je převod barevného modelu z RGB do HSB - Hue, Saturation, Brightness (Odstín, Sytost, Jas). Důvod převodu je ten, že tyčinky v lidském oku jsou mnohem citlivější než čípky, proto je oko velmi citlivé na změny jasu (Brightness), ale velice málo na změny barvy (Saturation a Hue). Hlavní podíl komprese tedy bude probíhat na těchto osách, zatímco osa B zůstane prakticky nezměněna. Hodnoty na osách H a S se zaokrouhlí (osa B zůstane nezměněna), což přinese dost podstatnou úsporu dat, aniž by to šlo poznat. Dalším krokem je rozdělení obrazu na čtverce o hraně 8 pixelů a převod HSB signálu na frekvenční hodnoty pomocí diskrétní kosinové transformace => popis 64 pixelů v jednom bloku převede na funkci, a každému z 64 pixelů se přidělí koeficient této funkce. Nejvíce ztrátový krok této kompresní metody je vydělení koeficientů jednotlivých pixelů koeficientem z tzv. kvantizační matice. Česky řečeno je to jakési zprůměrování koeficientů v rámci každého bloku a tedy zjednodušení funkce. Intenzitu komprese měníme škálováním kvantizační matice - změnou hodnoty kvantizačního koeficientu. Na závěr provedeme neztrátovou kompresi koeficientů - Huffmanova optimalizace, která funguje na principu přiřazování krátkých slov často se vyskytujícím řetězcům a dlouhých slov těm méně častým (Variable Length Coding). ejdůležitější rysy formátu jpeg2000 (přípona j2k): kompresní algoritmus založený na vlnkové (wavelet) transformaci unifikovaný dekompresní postup - většina z 44 režimů standardu JPEG se ve většině dekodérů nepoužívá lepší, rychlejší a kvalitnější komprese (zvýšení kompresního poměru o zhruba 20 až 30 procent oproti JPEG při ztrátové kompresi, poměr bezztrátové komprese 1/2) odolnost proti chybám - standard JPEG je vysoce citlivý na chyby v datech volitelné rozdělení obrazu do bloků, pro snadnější a flexibilnější přistup k zakódovaným datům. (oproti 8x8 u jpeg) schopnost kvalitního zpracování obrázků s nízkým poměrem bit/pixel (na rozdíl od JPEG lze dobře pracovat s obrázky o poměru nižším než je 0.25 bit/pixel) speciální zpracování "složených" (compound) dokumentů, tedy především takových, které vedle sebe obsahují text a grafiku (JPEG byl k uvedenému účelu prakticky nepoužitelný) možnost zpracovávat obrázky větší než x pixelů (omezení současného JPEG) kvalitní zpracování počítačově generované grafiky s ostrými přechody (JPEG byl orientován na obrázky "přirozené") možnost využití různých barevných módů (JPEG podporuje pouze RGB) progresivní transmise, znamenající možnost zobrazení a zpracování části či náhledu komprimovaného obrázku ještě před úplným načtením jeho souboru možnost definice "zájmových oblastí", které jsou od ostatních částí obrázku odlišeny prioritním umístěním v datovém toku a případně i vyšším rozlišením Zvuk se skládá z vln u nichž se rozlišuje frekvence a amplituda. Amplituda udává sílu (hlasitost) zvuku, a frekvence udává výšku tónu. Převod zvuku do digitální podoby se děje vzorkováním. Na vstupu zvukové karty je A/D převodník, který s velkou frekvencí (např. 44kHz) snímá úroveň vlny a převádí ji do číselné podoby. Takto se v počítači získá zvuk ve formátu PCM, což je pulzní kódová modulace. Kvalita digitálního zvuku je pak určena vzorkovací frekvencí a rozsahem hodnot zaznamenávané amplitudy vlny. Lidské ucho se spokojí se vzorkovací frekvencí 44100Hz a rozsahem hodnot, tedy 16 bit. MP3 je inteligentně navržený kompresní algoritmus, který bere v úvahu kromě jiného i vlastnosti lidského ucha a při kompresi se mj. zaměřuje na frekvence, které jsou lidským uchem tak jako tak obtížně slyšitelné. Výsledná velikost souboru po kompresi může dosáhnout až jedné dvanáctiny původní velikosti. Komprese je ztrátová, což znamená, že z komprimovaného MP3 souboru již není možné rekonstruovat původní, originální nahrávku. MP3 komprese se však

19 snaží zachovat kvalitu nahrávky tím způsobem, že způsobí ztrátu kvality v nahrávce jen tam, kde to posluchač nepozná. Metody používané při MP3 kompresi Práh sluchu zvuky situované pod prahem slyšitelnosti není nutné vůbec zahrnout, protože je lidské ucho jednoduše neslyší. Maskování jedná se o vypuštění takových frekvencí, které lidské ucho stejně neuslyší. Maskování je velmi efektivní metodou, protože dokáže zmenšit soubor, aniž lidské ucho postřehne, že je něco jinak. Při přehrávání silných zvuků prostě neslyšíte ty slabší. Při maskování jsou nejčastěji vypouštěny nevýrazné pasáže, které ve skladbě sice kdosi hraje, nicméně je nemilosrdně přehlušen hlasitějšími nástroji. Joint stereo skladby, které jsou zaznamenány stereo, mohou být zkomprimovány také tak, že vybereme taková frekvenční spektra, u nichž je stereozvuk (prostorový zvuk) jen velmi těžko (nebo vůbec) patrný. Tato spektra následně převedeme a zaznamenáme v mono zvuku. Zjednodušeně řečeno takové pasáže, v nichž je stereo zbytečné, protože ho stejně neslyšíme, jednoduše zaznamenáme jako mono. Variabilní bitrate v místech, kde lze snést nižší bitový tok, je použit nižní bitový tok, a v akusticky náročných pasážích je naopak použita vyšší bitrate, a záznam je v těch místech tedy kvalitnější. Problémem variabilního bitrate je skutečnost, že nemusí být podporován některými (především přenosnými) přehrávači. Platí jednoduché pravidlo říkající, že pokud chceme zachovat dobrou kvalitu digitálního záznamu a zaznamenat analogový signál v celé jeho zvukové šíři, vzorkovací frekvence by měla být alespoň dvojnásobkem nejvyšší frekvence zvuku v daném analogovém záznamu. Lidské ucho je schopné vnímat zvuky o frekvenci od 20Hz do 20kHz. Pro zachování zvuků o frekvenci do 20kHz, bychom měli použít vzorkovací frekvenci 40kHz nebo vyšší Video je sekvencí obrázků rychle po sobě jdoucích tak, že vznikne pro diváka iluze pohybu. Samozřejmou součástí videa je zvukový doprovod pohybujícího se obrazu. Bylo zjištěno, že postačuje poměrně nízká snímková frekvence, aby došlo k iluzi pohybu. Nejdůležitějšími parametry pro video jsou především právě snímková frekvence, rozlišení a barevná hloubka. Dříve byl záznam videa pouze analogový, dnes již existují digitální videokamery, zachytávací karty, TV-karty. Všechny tato zařízení obsahují A/D převodníky, které převádí analogový signál do digitální podoby a takto jsou data také ukládána. Surové video je ale poměrně velké. Při rozlišení 720x576 v barevném formátu RGB (což je standardně 3x8bitů na jeden obrazový bod) a snímkovou frekvencí 25Hz k uložení jedné sekundy videa potřebujeme 720x576x3x25 = bajtů. Potřebujeme video komprimovat, používáme se k tomu tzv. kodeky (KOmpresor + DEKompresor). Kodek je mechanismus, který snímky daného videa zakóduje do menší podoby a při přehrávání videa jej zase dekóduje již v reálném čase. Kodeky dělíme na ztrátové a bezeztrátové. Bezeztrátové - video neztratí žádnou informaci, nízký komprimační poměr 1:2. Ztrátové kodeky využívají toho, že obraz nemusí být naprosto dokonalý, dokonce může být zkreslený. Různé kodeky se dále liší kvalitou, rychlostí a velikostí komprimovaného videa, kompr. poměr 1:4-1:100. Kompresní kodek MPEG (Motion JPEG) je založen na kompresi jednotlivých snímků použitím komprese JPEG. Tento kodek má většinou volitelný kompresní poměr v rozmezí 6:1 do 16:1. Při kompresním poměru 1:8 je kvalita obrazu stále ještě velmi dobrá a datový tok se pohybuje kolem 4 MB/s a dosahuje tak dobrého poměru kvalita/velikost, každý snímek je komprimován samostatně a je tedy vždy klíčový, je vhodný pro střih videa na počítači. MPEG-1 byl navržen pro práci s videem o rozlišení 352x288 bodů a 25 snímků/s při datovém toku 1500kbit/s. Parametry komprese MPEG-1 jsou srovnávány s analogovým formátem VHS. Formát MPEG-1 se stal součástí tzv. White Book - norma pro záznam pohyblivého obrazu na CD. MPEG komprese používá ke kompresi videa I, P a B snímky. I snímky (Intra Pictures) jsou snímky klíčové, jsou komprimovány obdobně jako JPEG, ale navíc s možností komprimovat různé části obrazu různým stupněm komprese. P-snímky (Predicted Pictures) jsou kódovány s ohledem na nejbližší předchozí I nebo P-snímek. B-snímky (Bidirectional Pictures) jsou pak dopočítávané jako rozdílové snímky mezi nejbližším předchozím I nebo P-snímkem a nebližším následujícím I nebo P-snímkem. Celá sekvence snímků (od jednoho I po další I snímek) se pak nazývá GOP (Group of Pictures) a standardní MPEG stream pro VCD, SVCD a DVD používá pořadí IBBPBBPBBPBBPBBPBB. MPEG standard neurčuje žádná pravidla a omezení pro vzdálenost I a P snímků. Počet I, P a B snímků lze většinou nastavit, záleží na implementaci kompresoru. Z pohledu zabíraného místa pak I snímky zabírají nejvíce místa (komprese cca 7:1), po nich jsou P snímky (20:1) a úplně nejméně místa zabírají snímky B (50:1). Komprese MPEG-1 se nehodí pro střih videa z důvodu vzdálených klíčových snímků. Kodek je ale jeden z nejrozšířenějších formátů a lze jej softwarově přehrát téměř na každém počítači a stejně tak na 95% všech stolních DVD přehrávačích. MPEG-2 Formát byl dokončen v roce 1994 a stal se standardem pro kompresi digitálního videa. Byl navržen tak, aby dosahoval vysílací kvality videa. Oproti MPEG-1 přináší komprese MPEG-2 podporu pro prokládané snímky, tedy půlsnímky. Podporuje proměnlivý datový tok, což umožňuje v náročnějších scénách videa použít více bitů pro kompresi a naopak v klidnějších scénách se použije méně bitů. Při stejném datovém toku a plném rozlišení (720x576) dosahuje MPEG2 mnohem vyšší kvality obrazu než MPEG1 komprese. Nevýhodou komprese MPEG2, je na druhou stranu velmi vysoké zatížení procesoru při přehrávání, a téměř žádný rozdíl v kvalitě oproti MPEG1 kompresi při nízkých rozlišeních. Pro streamování v nízké kvalitě je tedy vhodnější komprese MPEG1, zatímco pro plné rozlišení a vysoké datové toky zase MPEG2. MPEG-4 není přesná definice komprese a komprimačních algoritmů, nýbrž je to množina parametrů a vlastností, které musí kompresor splňovat, aby byl MPEG-4 kompatibilní. Známe tedy různé implementace MPEG-4, které vybírají z definice MPEG-4 vždy to, co je pro daný formát vhodnější. Kodeky s kompresí MPEG-4 např. Microsoft MPEG-4 v1, v2 a v3, DivX 5, XviD

20 05 - Způsoby uložení zvuku - vzorky, MIDI, parametry při ukládání zvuku, přehled zvukových formátů. 1. Způsoby uložení zvuku vzorky Pro uložení zvukových sekvencí do počítače potřebujeme zjistit základní parametry vlnění - frekvenci a amplitudu. Postup, který nám toto umožňuje zjistit se nazývá vzorkování. A/D (analogově - digitální) převodník s velkou frekvencí snímá úroveň vlny a převádí ji do číselné podoby. Amplituda udává sílu (hlasitost) zvuku, a frekvence udává výšku tónu. Takto se v počítači získá zvuk ve formátu PCM (pulzní kódová modulace). PCM je modulační metoda převodu analogového zvukového signálu na signál digitální, a její princip spočívá v pravidelném odečítání hodnoty signálu a jejím záznamu v binární podobě. Určujícími parametry jsou vzorkovací frekvence a jemnost rozlišení jednotlivých hodnot. Vzorkovací frekvence se pohybuje od 8 khz u digitálních telefonních linek ISDN přes 44,1 khz u zvukového CD po ještě vyšší hodnoty u profesionálních záznamových zařízení a ovlivňuje kvalitu reprodukovaného záznamu. Při příliš nízké vzorkovací frekvenci nestačí zaznamenané hodnoty k rekonstrukci průběhu signálu a dochází ke ztrátě kvality. Podle Nyquistova vzorkovacího teorému by měla být vzorkovací frekvence alespoň dvojnásobná oproti frekvenci zaznamenaného signálu. Při nesplnění této podmínky vzniká efekt zvaný aliasing (původní frekvence spojité informace je vzorkováním zcela zfalšována). Rozlišení hodnot určuje přesnost hodnot v jednotlivých bodech. Obvykle se používá 8 nebo 16 bitů (tedy 256, resp možných hodnot). Určení hodnoty je nazýváno kvantování. Každé kvantování zanáší do signálu šum, jehož úroveň s rostoucím rozlišením klesá. Při příliš nízkém rozlišení je šum slyšitelný. 2. MIDI Musical Instrument Digital Interface. Tedy rozhraní pro elektronické hudební nástroje, především klávesy a podobné. K těmto účelům pochopitelně také ještě dnes slouží a lze pomocí něj jednoduše nahrávat vlastní skladby, následně je editovat a provádět s nimi datové operace. Princip MIDI: zde není uložena hudba, je uložen pouze popis, jak kterou hudbu hrát. Jedná se v podstatě o složitější noty. Výhodou je, že samotný popis má zanedbatelnou velikost oproti záznamu hudby. Nevýhodou je, že přirozeně existuje příliš mnoho nástrojů a proto jsou některé skupiny nástrojů nahrazeny. Trochu zjednodušeně je základem FM syntézy myšlenka, že hudební zvuky mají podobu cyklu, který se skládá ze čtyř částí: nástup pokles trvání zvuku doznívání.

21 05 - Způsoby uložení zvuku - vzorky, MIDI, parametry při ukládání zvuku, přehled zvukových formátů. 3. Parametry při ukládání zvuku 3.1. Vzorkovací frekvence Kolikrát za sekundu počítač zapíše hodnotu amplitudy analogového zvuku. Lidské ucho rozliší frekvenci do 16 khz (děti do 20 khz) S rezervou 22 khz. Dle Kotelnikova teorému je je nejnižší vzorkovací frekvence 44 khz Rozlišení amplitudy šířka slova, která vyjadřuje počet bitů použitých na vyjádření hodnoty vzorků při 8-mi bitech úrovní při 16-ti bitech úrovní 3.3. Mono či Stereo Kvalita vzorkování je definována: vzorkovacím kmitočtem(hz). Vzorkovací kmitočet určuje, kolikrát za sekundu počítač zapíše hodnotu amplitudy analogového zvuku (44 khz = měření za sekundu). šířkou slova, která vyjadřuje počet bitů použitých na vyjádření hodnoty vzorků. Šířka slova může být 8-bitová, 16-bitová a 32-bitová. Tyto dvě základní vlastnosti vzorků mají vliv na to, kolik vzorek zabere místa v paměti na disku. 4. Přehled zvukových formátů. Wav (Windows Audio Volume) Při přeměně zvuku z analogové podoby do digitální získáme v počítači zvuk ve formátu PCM. PCM ukládá zvuk nekomprimovaně. V tomto formátu jsou např uloženy písně na CD. 1 minuta záznamu je asi 10 MB. Formát MPEG/audio MPEG/audio komprese dosahuje vysoké úrovně komprese díky odstraňování vjemově nedůležitých částí zvukového signálu. Toto odstraňování ústí v neslyšitelné deformace zvuku, navíc MPEG/audio komprimuje všechen signál, který by mělo lidské ucho slyšet. Standart MPEG nabízí tři různé nezávislé úrovně komprese; tyto se označují jako Layer-1 až Layer-3. MP1 (MPEG1 - Layer 1) je nejjednodušší úroveň kódování. MP2 (MPEG1 - Layer 2) je prostřední úroveň kódování MP3 (MPEG1 - Layer 3) nejčastěji použivané, vhodné pro hudbu, velmi výkoná komprese, různé druhy bitrate (od 16kbit/s až 320kbit/s), konstantí nebo proměnlivá bitrate) Hlavička souboru obsahuje informaci o vzorkovací frekvenci, počtu kanálů a kvalitě vzorku. Za hlavičkou se vyskytuje spousta rámců, každý má svou vlastní hlavičku, obsahující podrobnější informace. Tento formát dosáhl své popularity díky vysoké kompresi (10:1) při vysoké kvalitě. Jedinou nevýhodou je jeho výpočetní náročnost, zejména při kódování.

22 05 - Způsoby uložení zvuku - vzorky, MIDI, parametry při ukládání zvuku, přehled zvukových formátů. Microsoft WMA windows media audio Od M$ pro její video formáty WMV a ASF. Tento formát patří mezi nejrozšířenější hlavně díky politice firmy Microsoft, která je implementuje do svých operačních systémů. Hlavní rozdíl mezi WMA a ostatními formáty je v možnosti zachování autorských práv. Windows Media Audio. Má o 20% lepší kompresi než MP3, prostorový zvuk, 96 khz při bitech. Při nižších frekvencích má lepší zvuk, než MP3, při vyšších horší. AAC - Advanced Audio Coding Kodek AAC je přímým nástupcem mp3 a je považován za vrchol současného oboru ztrátové komprese. Kodek umožňuje práci až s 48 samostatnými kanály a vzorkovací frekvencí až 96 khz. Formální testy s mp3 dokázaly, že AAC s datovým tokem 96 kb/s se kvalitou vyrovná mp3 komprimovaným 128 kb/s. Formát AAC byl vybrán pro digitální rozhlasový přenos. RA -RealAudio Komerční formát. Pro jeho tvorbu v CD kvalitě je nutný komerční software. Vytvořen firmou Real.com. Je ještě více zkomprimován než MP3. Ve více ztrátové podobě je používán internetovými rádii. MIDI - Musical Instruments Digital Interface Formát pro komunikaci mezi hudebními nástroji. Nezaznamenává hudbu přímo, uchovává pouze poznámky, který nástroj hraje jakým způsobem, v určenou dobu. Nahrávka se při přehrávání zpětně syntetizuje. Velmi malé soubory. Používají profesionální hudebníci. OGG (Ogg Vorbis) je formát souboru pro ukládaní zvukových záznamů založený na ztrátové kompresi. Ta spočívá ve vypouštění signálů o vyšších frekvencích ze záznamu. Formát ogg není zatěžkán komerčními licencemi. Autoři tvrdí, že tento formát je srovnatelný nebo dokonce lepší, než dnes nejpoužívanější mp3. VQF je zvukový formát vyvinutý firmou Yamaha, je to alternativní řešení k formátu MP3. Dosahuje lepší komprese než MP3. Není však příliš rozšířen. AIFF,.AIFC (Audio Interchange File Format) Formát vyvinutý firmou Apple pro záznam profesionálního zvuku. AIFC se od AIFF liší pouze tím, že umožňuje kompresi. Hlavička každé nahrávky obsahuje vzorkovací frekvenci, počet kanálů, šířku vzorku a spousta dalšího.

23 6. Přehled formátů ukládání dat na CD a DVD. Hlavní rozdíly mezi CD a DVD. Podrobněji formát DVD-video. Autorizace DVD. Vysvětlení pojmů spojených s vypalováním jako overburning, burn proof, lead in, lead out, track at once apod. Přehled formátů ukládání dat na CD a DVD Hudební (Audio CD) Super Audio CD Datové (ISO 9660) Kombinované (Mixed Mode) Video CD (VCD) Super Video CD (SVCD)... další DVD-Audio DVD-Video Datové DVD Hudební (Audio CD): hudební CD obsahuje více stop a každá reprezentuje jeden audio úsek (například jednu písničku). V každé session tedy může být jedna datová stopa, libovolný počet audio stop a nebo obojí dohromady (v případě kombinovaného CD). Pro odlišení stop slouží takzvané mezery gap, minimální délka jedné stopy jsou 4 sekundy a pokračuje ve vypalování od místa, kde předtím skončila. Super Audio CD: Jeden z nejmladších formátů, schválených v r skládá se ze dvou vrstev vrstva CD a vrstva s vysokou hustotou ochranná opatření (ACMS Active Copyright Management systém) kompatibilita kvalita umožňuje až osm zvukových kanálů umožňuje přidávání textových informací Datové CD (ISO 9660): formátování sjednoceno ustanovením standardního formátu ISO 9660, Podporují ho systémy Windows, Linux i MAC OS. Tento formát je ještě rozdělen na dvě úrovně Level 1 a Level 2. Rozdíl mezi Level1 a 2 je v zápisu souborů o určitém počtu znaků. Level 1 8+3, Level 2 32znaků. Kombinované CD: je takové, na kterém jsou smíchána jak data, tak i audio stopy. vyskytuje u her (audio je zde jako soundtrack) nebo u originálních hudebních CD, kde jsou písničky doplněny buďto nějakou mini hrou nebo dokumentacemi o umělci, atp. I takového CD je vždy první stopa datová a další hudební. Obojí tvoří dohromady jednu session (nejedná se tedy o multisession CD). Takové CD dokáže rozpoznat audio přehrávač i počítač audio přehrávač datovou stopu přeskočí a začne přehrávat až tu hudební. VideoCD (VCD): záznam videa cca 70 min. na CD ve formátu MPEG-1 pro přehrání na většině nových DVD přehrávačů, formát MPEG-1 přehraje jakýkoliv Windows 95 a vyšší, prvé musí být film uložen ve formátu.mpg, nikoliv.avi!, musí mít specifikovanou velikost a počet snímků za vteřinu, 352x240 při 29,97 snímcích, audio 16 bitů stereo 44,1 khz, datový tok datový tok 1,15 MB/s SuperVideoCD (SVCD): 30 minut video na CD ve formátu MPEG-2, přehrají některé novější DVD přehrávače (od 12/99) a pokud máte správný video kodek v PC a CD-ROM XA, tak i na PC Windows, používá komprimovaný obraz i zvuk, rozlišení 480x576 bodů, 25 snímků za sekundu ve formátu MPEG 2, zvuk ve formátu MPEG 1 s datovým tokem 32 až 384 kbits/s. DVD (Digital Versatile Disc): Tato technologie byla uvedena na trh v roce Optické disky mají stejné celkové rozměry jako disky CD, ale mají mnohem vyšší kapacitu - uchovávají 4 až 28krát větší množství dat. DVD-Audio: Na trhu od poloviny roku Tento formát určený pouze pro záznam zvuku je podobný disku CD-Audio, ale nabízí 16, 20 a 24bitové samplování s frekvencí od 44,1 do 192 khz. Pro srovnání CD-Audio používají 16bitové samplování s frekvencí 44,1 khz. Disky DVD-Audio mohou také uchovávat ozvučené video, grafické a další informace. DVD Video: Populární formát pro vysoce kvalitní MPEG2 video a digitální prostorový zvuk. Umožňuje pracovat s mnoha jazykovými verzemi zvuku i titulků a nabízí další zdokonalené uživatelské funkce. Ke kompresi obrazu se používá standard MPEG-2. Pro kódování zvukové stopy se standardně používá formát Dolby Digital (AC-3). U DVD filmů se setkáme s datovou rychlostí 3-10 Mbit/s. Hlavní rozdíly mezi CD a DVD Protože jedním z požadavku při návrhu DVD bylo zachování kompatibility s CD, jsou rozměry a princip záznamu shodné. Rozdíly nejlépe znázorní tabulka:

24 CD DVD Průměr 12 nebo 8 cm 12 nebo 8 cm Tloušťka 1,2 mm 2 x 0,6 mm Počet záznamových vrstev 1 1 až 4 Počet stran se záznamem 1 1 až 2 Délka prohlubně (pitu) 0,834 µm 0,4 µm Rozteč stop (pitů) 1,6 µm 0,74 µm Kapacita 650 až 700MB 4,7 až 17 GB Rozměry prohlubní (pitů) se záznamem jsou u DVD podstatně menší a hustota záznamu je větší, proto je třeba citlivější čtecí zařízení. V souvislosti s tím bylo také nutné zmenšit tloušťku průhledné vrstvy nad záznamem. Proto se DVD skládá ze dvou 0,6 mm ploten, na kterých může být záznam ve dvou vrstvách. Tím můžeme získat kapacitu až 17GB.Díky podobnosti obou médií mohou přehrávače DVD číst CD, ale přehrávače CD nemohou číst DVD. Podrobněji formát DVD-video Ke kompresi obrazu se používá standard MPEG-2. Pro kódování zvukové stopy se standardně používá formát Dolby Digital (AC-3). U DVD filmů se setkáme s datovou rychlostí 3-10 Mbit/s. Vyšší počet zvukových stop nebo množství dodatečného materiálu (tzv. extra materiál -- fotogalerie, film ve verzi Režisérův sestřih, záznamy z natáčení, rozhovory s herci, a jiné) mají často za důsledek, díky omezené kapacitě DVD média, nižší datovou rychlost (a tím i kvalitu obrazu) hlavního filmu. DVD Video disk musí povinně obsahovat adresář s názvem VIDEO_TS, které obsahují soubory s příponou vob, ifo a bup. V těchto souborech jsou uložené všechny potřebné složky video obsahu, jako je obraz, zvuk, hlavní nabídka, informace o kapitolách a titulky. Souborová struktura DVD Vob (Video Objects) soubory obsahují video, zvuk a titulky a jejich maximální velikost na DVD Video disku nepřekračuje 1 GB, ikdyž lze pomocí určitého softwaru vyprodukovat i Vob soubory o velikostech několika GB. Obvykle bývá jeden film rozdělen klidně i mezi 8 Vob souborů. Ifo soubory zase obsahují informace o tom, jaké zvukové stopy a titulky příslušné vob soubory obsahují, a další důležité informace potřebné pro správné fungování DVD Video disku. Bup soubory pak představují záložní kopie příslušných ifo souborů DVD Video disky většinou obsahují více zvukových stop, Disky DVD Video obvykle poskytují i několik stop s titulky v různých jazycích, DVD Video může obsahovat i informace o kapitolách (angl. chapters), které umožňují jednodušší vyhledávaní určitého úseku. VTS_xx_0.VOB obsahuje vždy buď menu nebo jiné navigační informace, pro video se používá až pořadové číslo jedna. Pokud je disk bohatý na bonusy, najdete na něm spoustu VOB souborů, které jsou seskupeny podle VTS a patří k určitým IFO souborům, které o nich nesou identifikační údaje. A jak se odlišují jednotlivé VTS části? Každá VTS část má svoje pořadové číslo, např. film má označení VTS_01, bonus VTS_02, další bonus VTS_03 apod. V názvu VTS je pak uloženo i další pořadové číslo, které se využívá zejména u VOB souborů, např. VTS_01_1.VOB, VTS_01_2.VOB apod. Celé to pak vypadá třeba takto: VTS_01_0.IFO informace o tomto VTS, zde třeba filmu, VTS_01_0.BUP záložní soubor pro IFO, VTS_01_0.VOB menu filmu, VTS_01_1.VOB první část filmu, VTS_01_2.VOB druhá část filmu, VTS_01_3.VOB poslední část filmu. Ještě něco o DVD-video: 133 minut videa MPEG-2 na jedné vrstvě s prostorovým zvukem 5+1, formát obrazu 4:3 i 16:9 (nejčastěji 1:1,85 a 1:2,35), až osm zvukových stop, až 32 titulků, menu a submenu, rozdělení filmu do kapitol, až devět úhlů kamery na jedné scéně, digitální i analogová ochrana proti kopírování, ochrana dětí před závadným obsahem.

25 Autorizace DVD DVD autoring je proces při kterém se vytváří DVD Video, které pak lze přehrát v DVD přehrávači. Při tomto procesu dochází k vytváření struktury disku DVD videa včetně vytváření a programování DVD menu. K nejdůležitějším krokům při tomto procesu patří určení místa, odkud se má hotové DVD Video přehrávat; dále je nutno spojit video, audio a případné titulky. Dále se také mohou vkládat hodnoty udávající začátky kapitol. V DVD menu se vytvářejí aktivní oblasti, které v hotovém DVD menu představují tlačítka, sloužící například pro výběr audiostopy, titulků, kapitoly, bonusů atp. Pojmy overburning, burn proof, lead in, lead out, track at once apod. Overburning - Každé CD má ve skutečnosti vyšší kapacitu, než se uvádí na jeho obalu. Většinou se jedná řádově o několik minut kupříkladu na 74min CD se dá namačkat v průměru 76 až 78 minut záleží na značce CD a jeho výrobci. Vypálení většího množství dat, než je uváděná kapacita CD, se říká overburning. Burn proof - Tato funkce zajišťuje, že když počítač nestačí vypalovačku zásobovat daty, bude vypalování dočasně zastaveno. Po tuto dobu pak čeká vypalovačka, až se buffer zase naplní, pak provede synchronizaci dat a pokračuje ve vypalování od místa, kde předtím skončila. Lead in - Je místo, které je na začátku každé session vynechané pro zápis její TOC (Table Of Contens: čísla stop a jejich začátky). Lead-in se zapisuje při uzavírání session (mimo Disc at once zápisu). Vymezuje si sektorů (1 minuta, nebo 9 MB). Lead-in také naznačí, že disk je multissesion a zároveň říká která následující adresa je k dispozici pro zápis. P kanál zde obsahuje samé nuly, Q kanálem je pak kódována TOC. Lead out - Je oblast, na konci každé session, která říká, že byla ukončena část s daty. Do části Lead-out nejsou nahrávána žádná aktuální data. První Lead-out má velikost sektorů (1,5 minuty nebo 13,5MB), každá další obsadí sektorů (0,5 minuty, 4,5MB). P kanál v lead-out získává frekvenci 2Hz. Track at once - Způsob zápisu dat na disk. Při každém dokončení stopy (tracku) je zapisovací laser vypnut (i když se bude okamžitě zapisovat další stopa). Tzv. zápis postopách.

26 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 07. Způsob uložení videa v počítači, přehled nejčastěji užívaných kodeků, parametry ovlivňující kvalitu videa a velikost souboru. Výhody nelineárního střihu videa, princip střihových programů. Formáty titulků k filmům. Způsob uložení videa v počítači AVI Audio Video Interleave nejpoužívanější formát pro zápis obrazu a zvuku do souboru na platformě Windows Soubory mají koncovku AVI a mohou obsahovat videostopu nebo také autostopu Na všechny snímky tvořící záznam je použit stejný stupeň komprese. Pokud je použita, musíme mít nainstalovány buď kodeky nebo dekompresní filtry. Výhodou AVI formátu je velké množství kodeků, které zaručují použití ve všech oblastech digitálního videa. Záznam do AVI umí téměř všechny karty a také jeho zpracování v libovolném editoru by nemělo být problémem. AVI není určeno pro použití variabilního datového toku. QT Apple Quick Time formát pro uložení videa vyvinutý firmou Apple pro počítače MacIntosh. Verze QT určená pro Windows je výrazně pomalejší než její protějšek pro MacOS. Soubory s koncovkou MOV, které QT využívá pro ukládání dat, jsou ekvivalentem souborů AVI video i audio je také komprimováno pomocí kodeků. Na rozdíl od AVI nejde soubory s koncovkou MOV přehrát ve Windows přímo, ale musíte k tomu použít přehrávač Quick Time Player s nainstalovanými vlastními filtry. RAW, DV, DIF a další jedná se o ekvivalenty AVI nebo QT, vyvinuté jednotlivými výrobci HW pro ukládání dat. Pracovat s těmito soubory mohou většinou jen programy dodávány k těmto videokartám. Pro použití v ostatních dostupnějších programech je nutné provést export do AVI nebo jiných ostatních formátů. ASF, WMV vyvinula firma Microsoft především pro stream videa. ASF je formát i komprese, vychází z formátu AVI. WMV pochází taky od firmy Microsoft, jde o novější verzi ASF. MPEG Motion Picture Experts Group Formát pro zápis a kompresi videa, založený na odlišném principu než předchozí. Z obrazové informace je zachován každý x-tý snímek a zbytek je definován pouze jako změna mezi těmito tzv. I-framy. Touto metodou lze dosáhnout velkého zmenšení objemu dat bez vizuálně rozpoznatelné degradace kvality, což však může způsobit problémy při dalším zpracování. Tímto způsobem jsou uložena data pouze k přehrávání ( DVD, SuperVideoCD, Video CD). V součastné době existují 3 nejrozšířenější verze MPEG komprese: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4. Princip MPEG komprese Komprese spočívá v tom, že každý x-tý snímek je uložen kompletní (I-snímek) a ostatní jsou definovány jako rozdíly mezi nimi (P-snímek a Bsnímek). I snímky jsou snímky klíčové, jsou komprimovány obdobně jako MJPEG, ale navíc s možností komprimovat různé části obrazu různým stupněm komprese. P-snímky jsou kódovány s ohledem na nejbližší předchozí I nebo P-snímek. B-snímky jsou pak dopočítávané jako rozdílové snímky mezi nejbližším předchozím Strana: 1 / 5

27 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 07. Způsob uložení videa v počítači, přehled nejčastěji užívaných kodeků, parametry ovlivňující kvalitu videa a velikost souboru. Výhody nelineárního střihu videa, princip střihových programů. Formáty titulků k filmům. I nebo P-snímekm a nebližším následujícím I nebo P-snímkem. Celá sekvence snímků (od jednoho I po další I snímek) se pak nazývá GOP (Group of Pictures) a standardní MPEG stream používá pořadí IBBPBBPBBPBBPBBPBB. Z pohledu zabíraného místa pak I snímky zabírají nejvíce místa, po nich jsou P snímky a úplně nejméně místa zabírají snímky B. Komprese MPEG-1 se nehodí pro střih videa z důvodu vzdálených klíčových snímků. Nejčastěji používané kodeky Ke kompresi se používají kodeky (programy pro kompresi kodery-dekoder), které převedou nekomprimované video (RGB, YUV) do speciálního formátu. MPEG-1 MPEG-1 existuje od roku Jeho hlavním kritériem bylo zachování rozumné kvality při redukci datového toku na přijatelnou mez. Byl definován tok 1-1,5 Mbitů/s s možností náhodného přístupu po půl vteřině. Maximální rozlišení je 352x288 a 30 snímků/s. Pro většinu domácích uživatelů a obchodní použití (dokumentace apod.) dává přijatelné výsledky. MPEG-2 V roce 1995 byl vypuštěn MPEG-2 jehož základní princip je stejný jako u MPEG-1, ale umožňuje datový tok až do 100Mbitů/s. Je užíván pro digitální TV, video filmy na DVD a pro profesionální studia (kabelové a satelitní televize). Také rozlišení bylo zvětšeno na 720x576 čili plný PAL. Prozatím není přehratelný tak úplně na všem jako MPEG-1. DV DV je stejně starý jako MPEG 2 a je v podstatě jeho obdobou. Je to formát navržený pro záznam videa na magnetický pásek, s optimalizací na možnost zpomaleného a zrychleného přehrávání. Používá pevný datový tok 25 Mb/s Do 4 GB souboru uložíme něco málo přes 18 minut záznamu. Po zpracování, lze výsledek našeho snažení uložit zpět na pásku digitální videokamery. MPEG-4 Další z řady MPEG-4 má dávat co nejlepší kvalitu při co nejnižším datovém toku 10kbit/s - 1Mbit/s. Hlavním použitím je přenos videa přes internet a při mobilní komunikaci. MPEG-4 je mnohem variabilnější pro kompresi pohyblivých obrázků než MPEG-1. Na rozdíl od MPEG-1 může mít téměř libovolné rozměry obrazu, počet snímků za sekundu a vzdálenost mezi klíčovými snímky (Key-Frame, IFrame). Navíc nemá pouze konstantní datový tok (CBR: constant bit-rate), ale proměnný datový tok (VBR: variable bit-rate), což snižuje výslednou velikost videa. Strana: 2 / 5

28 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 07. Způsob uložení videa v počítači, přehled nejčastěji užívaných kodeků, parametry ovlivňující kvalitu videa a velikost souboru. Výhody nelineárního střihu videa, princip střihových programů. Formáty titulků k filmům. Indeo Video 5 (Intel(R) Indeo(R) Video 5) DIV-X XVid Výborná kvalita obrazu, při nastaveni na 100% téměř k nerozeznání od nekomprimovaného AVI. U tohoto kodeku lze nastavit, aby každý snímek byl klíčový (defaultně je každý 15.), což sice o něco zhorší kompresní poměr, ale umožní, podobně jako u MJPEG kodeku, stříhání AVIček bez rekomprese (tudíž bez ztráty kvality). Založené na nelegálně upravené verzi kodeku MPEG-4 od společnosti Microsoft, doplněné o "čerstvou" verzi MP3 audio kodeku. Nejrozšířenější kodek v současné době Počátky tohoto formátu jsou spjaty s formátem DivX. V okamžiku, kdy se OpenDivX stal uzavřeným, vzalo několik programátorů pracujících na OpenDivXu zdrojové kódy ještě otevřeného OpenDivXu a osamostatnili se. Na základě těchto zdrojových kódů začali vyvíjet vlastní verzi kodeku nazvanou XviD. Jedná se stejně jako u DivXu o kodek kompatibilní s MPEG-4 a implementuje mnoho jeho vlastností. Protože se však jedná o Open-Source projekt podílí se na jeho vývoji programátoři z celého světa. Parametry ovlivňující kvalitu videa a velikost souboru HW a SW, kterými video natáčíme, získáváme, převádíme do počítače (digitální, analogový HW, vlastnosti HW rozlišní obrazu, kontrast, jas, věrnost barev, stabilizátor obrazu a také médium, na které nahráváme záznam) Převod do počítače digitálně přes 1394, USB analogově přes S-video Formát videa (PAL, NTSC, SECAM) Použitý kodek komprese Snímková rychlost počet snímků, který se vystřídá za vteřinu. Pro plynulý pohyb je potřeba minimálně 10 snímku za vteřinu (fps). (V kině 24 fps, TV 25 fps) Rozlišení množství informace obsaženo ve snímku. Rozlišení je reprezentováno počtem pixelů (obrazových bodů), které jsou na obrazovce. Jsou dány počtem horizontálních krát vertikálních bodů. Jinak řečeno výškou a šířkou, respektive počtem řádků a sloupců. Standardní rozlišení obrazu jsou 320x200, 640x480, 1024x768, 1280x1024, 1600x1200. Čím vyšší rozlišení, tím vyšší kvalita obrazu. Strana: 3 / 5

29 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 07. Způsob uložení videa v počítači, přehled nejčastěji užívaných kodeků, parametry ovlivňující kvalitu videa a velikost souboru. Výhody nelineárního střihu videa, princip střihových programů. Formáty titulků k filmům. Výhody nelineárního střihu videa Lineární střih videa Zjednodušeně lze říct, že je tvořen dvěma stroji - příspěvkovým (playerem) a nahrávacím (recorder). Samotný střih pak probíhá tak, že v přehrávači běží pásek s originálním záznamem a na recorder se nahrávají pouze vybrané záběry v požadovaném pořadí a délce. Nutnost převíjení kazety s originálním záznamem, nepřehlednost Nelze zpětně upravovat provedené střihy Použití např. u TV zpravodajství (není třeba větší kreativity střihu) Nelineární střih videa Vznik umožněn stoupajícím výkonem počítačových procesorů a rostoucí kapacitou pevných disků s vysokou přenosovou rychlostí. Umožňuje záznam v počítači roztřídit do jednotlivých záběrů a ty pak libovolně skládat v požadovaném pořadí. Během střihu se navíc můžete kdykoliv vrátit a libovolný záběr zkrátit nebo změnit pořadí. To vše pouhým přetažením myší. Výhody: jednoduchost úprav, snadná orientace v záznamu, Princip střihových programů Principem každého střihového programu je zoptimalizovat (upravit video do takové formy, která bude vyhovovat uživateli pro snadné použití). 1. pomocí střihového programu nahrajeme video do počítače (nahrát video) 2. vybereme si několik sekvencí (sestavení sekvencí) 3. úprava sekvencí (zpomalení, zrychlení, zkrácení, podbarvení, grafika, menu) 4. nastavení vlastností renderizace (rozlišení, datový tok, zvuk, výběr kodeku, a formát výstupního videa) 5. renderizace (zpracování dle zadaných požadavků a nastavení) Titulky Externí titulky nejsou přímo ve videu ale v souboru zvlášť (v textovém souboru). Existuje několik formátů externích titulků, nejpoužívanější je většinou formát MicroDVD, a také se často používá formát SubRip. MicroDVD (*.*) Začátek a konec ve složených závorkách {} Od autorů Micro DVD Playeru Hodnoty ve snímcích -> nutnost znát framerate Zalamování řádků symbolem Strana: 4 / 5

30 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 07. Způsob uložení videa v počítači, přehled nejčastěji užívaných kodeků, parametry ovlivňující kvalitu videa a velikost souboru. Výhody nelineárního střihu videa, princip střihových programů. Formáty titulků k filmům. Sub Rip (*.srt) Hodnoty zadány časově -> libovolný framerate Všechny titulky očíslovány Zalamování textu titulků zalomením textu v textovém souboru SubViewer (*.sub) Podobný jako SubRip, ale je rozšířený o autora, zdroj atd. Hodnoty jsou zadány v čase a k zalomení řádku se používá příkaz [br]. Dá se zde také nastavit barva, velikost a font písma. Strana: 5 / 5

31 8. Rozdělení signálů, základní charakteristika, příklady. Jaké matematické nástroje používáme pro modelování a analýzu signálů? Signál je optické, elektrické, el. mag., akustické, mechanické, pneumatické nebo hydraulické znamení, které má určitý význam. Je to převedená fyzikální veličina. Rozdělení: Podle typu: Rozdíl mezi nimi je v počtu stavů signálů. o Spojité (analogové) nekonečně mnoho stavů. o Diskrétní (digitální) konečně mnoho stavů. Digitální signál je často pouze binárním přenášené hodnoty jsou pouze jednička a nula. Podle charakteristiky signálu o Analogové informace analogovým signálem (např. rozhlas, televize, telefon, hlas) o Digitální informace pomocí analogového signálu Nevýhod prvního druhu přenosu je menší odolnost vůči šumu, zkreslení apod. Pro druhý druh přenosu je třeba převést digitální signál na analogový při vysílání a zpět při přijímání. Podle množství informace, která je vysílána v jeden okamžik: o Pouze jedna hodnota sériový přenos o Více hodnot paralelní přenos je rychlejší, ale nákladnější Podle způsobu komunikace: o Synchronní vysílač je s přijímačem sesynchronizován tak, aby bylo zcela, kdy se budou přenášet jednotlivé části příslušné informace. o Asynchronní vysílač vysílá bez ohledu na stav přijímače. Podle stacionárnosti: o Stacionární signál má střední hodnotu a rozptyl konstantní Deterministické signály možno analyticky popsat Stochastické signály (náhodné) nelze analyticky popsat, popsaný statistickými charakteristikami střední hodnota a rozptyl. Opak deterministického signálu. o Nestacionární signál výrazně se mění parametry v čase Spojité Přechodové jevy a rázy Základní charakteristika časového signálu: Nejdůležitější veličiny: Maximální hodnota (Peak) o Popisuje amplitudy krátkodobých jevů

32 o o Peak Peak Indikuje pouze přítomnost špičky, ale neukazuje na časový průběh ani kmitočtové složení hodnoceného kmitání. Nazývá se jinak vrcholová hodnota, výkmit nebo špičková hodnota Střední hodnota (Average) (také centrální moment 1. Řádu) o Získává se zprůměrováním absolutních hodnot časového průběhu signálu. Efektivní hodnota (RMS Root Mean Square) (také moment 2. Řádu) o Ukazuje časový průběh a současně má přímý vztah k jeho energetickému obsahu Matematické nástroje: Frekvenční analýza Založená na matematickém Fourierově teorému, že každá periodická křivka může být určena jako součet sinusových křivek, které jsou harmonickými složkami daného průběhu f t = A 0 + A 1 sin ωt + φ 1 + A 2 sin ωt + φ 2 + Harmonická analýza Matematická teorie rozkladu periodického průběhu na jeho harmonické složky a způsoby určování těchto složek. Fourierův rozvoj (amplitudový rozklad): Tento rozvoj lze použít na každou jednoznačně určenou periodickou funkci F(t) s periodou T a frekvencí f mající v uzavřeném intervalu periodicity délky T jen konečný počet extrémů a nespojitostí prvního druhu. Tato funkce lze vyjádřit součtem nekonečné řady sinusových průběhů s amplitudo A N a fázovými posuny N a úhlovými frekvencemi N = n, které jsou celistvými násobky úhlové frekvence a původní analyzované periodické funkce. F t = n=0 A N sin (nωt + φn) Konvoluce Je základním konceptem zpracování signálů, který stanovuje, že pro hledání výstupního signálu může být vstupní signál kombinován se systémovou funkcí. Symbol pro konvoluci je *.

33 b y t = x h t = x τ h t τ dτ a Konvoluční integrál je obyčejně používán pro hledání konvoluce signálu typicky v rozmezí a = -nekonečno, b = + nekonečno Fourierova transformace Jde o funkci, která transformuje signál nebo systém z časové domény (průběh v čase) na frekvenční doménu (zobrazuje fázový posuv nebo amplitudu signálu na frekvenci). X jω = x t dt < x(t)e jωt dt Inverze F. transformace pro převod z frekvenční domény na časovou: x t = 1 2π X(jω)e jωt dω Laplaceova transformace Jde o zobecněnou Fourierovu transformaci. Umožňuje transformovat jakýkoliv systém nebo signál, protože jde o transformaci do komplexní roviny. Inverze: X js = x t = 1 2π x(t)e st dt X(s)e st ds Bodeho graf Graf amplitudy vs. Frekvence and fáze vs. Frekvence.

34 9 Vysvětlete princip a účel vzorkování signálu - jakými podmínkami se vzorkování signálu řídí. Vysvětlete princip a účel kvantování signálu - jaké jsou důsledky kvantování signálu z hlediska šumu. Pořízení digitálního záznamu signálu lze rozdělit na tři fáze: Vzorkování (v definovaných časových intervalech je odebírán vzorek signálu, tím se ze spojitého časového průběhu stane diskrétní časový průběh). Kvantování (vzorky získané vzorkováním se pomocí analogově-digitálního převodníku převedou do číslicové formy). Kódování (číslo získané kvantováním se kóduje z důvodu menší paměťové náročnosti, jednoduššího zpracování, přenosu atd. např. kódování BCD). Digitalizací se nevratně ztrácí část informace obsažené v původním signálu, to se při zpětné rekonstrukci projeví jako šum. Vzorkování Princip: Jde o převod spojitého (analogového) signálu na signál diskrétní (digitální), tzv. digitalizace. Princip spočívá v odebírání hodnot zkoumaného signálu v diskrétních časových okamžicích a přiřazení digitální hodnoty z omezeného předem definovaného rozsahu. Převod spojitého signálu na diskrétní tedy sestává ze dvou fází. Nejprve se provede vzorkování signálu, a potom následuje kvantování. Analogový signál Vzorkování analogového signálu Vzorkování se provede tím způsobem, že rozdělíme vodorovnou osu signálu (čas) na rovnoměrné úseky a z každého úseku odebereme jeden vzorek. Namísto spojité čáry dostáváme pouze množinu diskrétních bodů s intervalem odpovídajícím použité vzorkovací frekvenci. Účel: Účelem je zaznamenat analogový signál do digitální podoby, např. pro potřeby archivace, dalšího zpracování na číslicových počítačích apod. V digitální podobě se také dají signály daleko kvalitněji zaznamenávat a přenášet Vzorkování 1.druhu během vzorkovacího impulsu je povolena změna amplitudy.

35 9 Vysvětlete princip a účel vzorkování signálu - jakými podmínkami se vzorkování signálu řídí. Vysvětlete princip a účel kvantování signálu - jaké jsou důsledky kvantování signálu z hlediska šumu. Vzorkování 2.druhu ponechána hodnota která je načtena v okamžiku zahájení vzorkování. Podmínky vzorkováni: Jedná se především o frekvenci vzorkovacího signálu. Shannon-Kotelnikův teorem: Vzorkovací frekvence musí být minimálně 2x větší než nejvyšší frekvence obsažená ve vzorkovaném signálu. Toho se docílí nejčastěji předřazením dolní propusti (integrační zesilovač) před samotný AD převodník antialiasing. Jinak by případná rekonstrukce do původní podoby nebyla proveditelná jednoznačně zkreslení. Příklad: Člověk rozezná frekvence zvuku do 22 khz vzorkování zvuku nejméně 44 khz. Kvantování Princip a účel kvantování: Vzhledem k tomu, že počítače a další zařízení dále zpracovávající digitální signál umí vyjádřit čísla pouze s omezenou přesností, je potřeba navzorkované hodnoty upravit i na svislé ose. Protože se hodnota vzorku dá vyjádřit pouze po určitých kvantech, nazýváme tuto fázi A/D převodu kvantování. Na obrázku může veličina na svislé ose například nabývat pouze celočíselných hodnot. Aby bylo možné určit, které hodnoty má po kvantování nabývat určitý vzorek, je třeba rozdělit prostor kolem jednotlivých hodnot na toleranční pásy (jeden takový pás je naznačen kolem hodnoty 0). Kterémukoliv vzorku, který padne do daného tolerančního pásu, je při kvantování přiřazena daná hodnota. Kvantované hodnoty jsou na obrázku naznačeny zelenými kolečky. Jak je vidět, kvantované hodnoty se ve většině případů liší od skutečných navzorkovaných hodnot. Velikost kvantizační chyby je vzdálenost mezi kvantovanými a původními navzorkovanými body, na obrázku ji vyjadřují délky pomyslných úsečky mezi červenými a zelenými kolečky. Velikost této chyby se pohybuje v intervalu +1/2 až -1/2 kvantizační úrovně.

36 9 Vysvětlete princip a účel vzorkování signálu - jakými podmínkami se vzorkování signálu řídí. Vysvětlete princip a účel kvantování signálu - jaké jsou důsledky kvantování signálu z hlediska šumu. Dynamický rozsah technicky možné rozmezí amplitud. (..%A překročení mezí = ZKRESLENÍ OMEZENÍM). Kvantovací chyba soubor příčin: - konečný počet kvantovacích úrovní - každá úroveň reprezentuje VŠECHNY VZORKY MEZI ROZHODOVACÍMI ÚROVNĚMI Kvantovací krok: x = konst x = f LINEÁRNÍ kvantování NELINEÁRNÍ (nerovnoměrné) kvantování Kvantovací zkreslení (kvantizační šum) Omezení zkreslení - dostatečný počet úrovní (lineární) - volby proměnného kroku kvantování (kompemzace signálu na vysílací straně a expanze na přijímací straně) Způsob kvantování nutno přizpůsobit rozdělení hustoty pravděp. s ohledem na P kv minimální: - Lineární kvantování pro rovnoměrné rozdělení f(x) - Nelineární kv. pro jiné typy rozdělení OPTIMÁLNÍ KVANTOVÁNÍ: Nerovnoměrnost rozdělení hustoty pravd. je vyvážena nerovnoměrnosti stupňů kvantování. NELINEÁRNÍ KVANTOVÁNÍ Slabina: stř. výkon kvant. šumu P kve je konstatní v celém rozsahu a nezávislý na stř. výkonu signálu S/N bude klesat s klesajícím středním výkonem užitečného signálu. Přípustná hodnota S/N nejmenší očekávaná hodnota stř. výkonu signálu volby počtu kvantizačních úrovní (pro všechny ostatní případy bude zvolený počet úrovní předimenzovaný). Řešení pomocí NK:

37 9 Vysvětlete princip a účel vzorkování signálu - jakými podmínkami se vzorkování signálu řídí. Vysvětlete princip a účel kvantování signálu - jaké jsou důsledky kvantování signálu z hlediska šumu. - malé hodnoty signálu úzké kvantizační stupně - větší hodnoty signálu širší kvantizační stupně Počet kvantizačních úrovní Protože se digitální signál zpravidla zpracovává na zařízeních pracujících ve dvojkové číselné soustavě, bývají počty kvantizačních úrovní A/D převodníků zpravidla rovny N-té mocnině čísla 2, přičemž nakvantovaný signál pak lze vyjádřit v N bitech. Kvantizační šum Pokud bychom vynesli velikosti chyb od jednotlivých vzorků do grafu, získali bychom náhodný signál, kterému se říká kvantizační šum. Velikost šumu je zvykem vyjadřovat jako poměrné číslo v decibelech, a sice jako poměr užitečného signálu ku šumu. Protože číslo ve jmenovateli zlomku - kvantizační chyba je u všech lineárních převodníků stejná (interval +1/2 až -1/2 kvantizační úrovně), závisí velikost kvantizačního šumu jen na čitateli zlomku, tedy na velikosti užitečného signálu, což je maximální počet kvantizačních úrovní daného převodníku. U kvantizačního šumu lze rovnici převést do tvaru: Např. u 16 bitového kvantování použitého u záznamu hudby na CD je odstup signálu od šumu: 16. 6,02 = 96,32 db. Díky diskretizaci původního spojitého signálu ve dvou osách nemůže ve většině případů signál zpětně převedený z digitální podoby do analogové přesně odpovídat původnímu signálu. Černá čára na obrázku znázorňuje zpětným D/A převodem zrekonstruovaný analogový Analogový signál rekonstruovaný z digitálních hodnot signál, zatímco modrá čára je původní analogový signál, ze kterého byl A/D převodníkem získán signál digitální (zelená kolečka).

38 MULTIMÉDIA A IFORMAČÍ SYSTÉMY 10 Digitální signálový procesor (dále DSP) je mikroprocesor, jehož návrh je optimalizován pro algoritmy používané při zpracování digitálně reprezentovaných signálů. Hlavním nárokem na systém bývá průběžné zpracování (tj. v reálném čase) velkého množství dat "protékajících" procesorem. Typická aplikace DSP Jedním ze základních důvodů k vytvoření DSP byl fakt, že klasické analogové obvody sloužící pro zpracování signálu bývají náročné z hlediska návrhu, nastavení, provedení a reprodukovatelnosti, přičemž jakmile jsou vyrobeny nelze jejich funkci téměř modifikovat. Typický řetězec pro zpracování signálu v DSP Analogový signál je nejprve převeden A/D převodníkem na digitální a v této podobě je průběžně zpracováván DSP. Zpracovaný digitální signál je D/A převodníkem zpět převeden na analogový. V mnoha zařízeních prochází signál tímto řetězcem v reálném čase, ale na některých signálech je potřeba provést tak složité a výpočetně náročné algoritmy, že to ani velmi rychlý DSP procesor v reálném čase nestihne a digitalizovaná data musí být nejprve zaznamenána do paměti a odtamtud teprve postupně zpracovávána. (V některých zařízeních je použita jen polovina tohoto typického řetězce nebo jsou sice použity obě poloviny, ale v samostatných oddělených řetězcích zpracovávaných vaných samostatnými procesory. Užití části řetězce nastává například v CD přehrávači, kdy je signál z kompaktního disku čten v digitální podobě, zpracován digtálním signálním procesorem a nakonec převeden na analogový. Příkladem odděleného zpracování je mobilní telefon, ve kterém se obvykle zpracovává vysílaný a přijímaný signál odděleně v samostatných procesorech.) Architektura DSP: - Harwardská arch. (odělená paměť zvlášť pro data a zvlášť pro program - data a kód programu využívají vlastní sběrnice) - Specializované výpočetní jednotky procesoru, které dokáží pracovat paralelně (kromě ALU, navíc rychlá násobička, atd.), má také posuvný registr. - Dvě nebo více nezávislých adresních jednotek, tzv. DAG (DataAddress Generator), adresujících data v lineárních nebo kruhových bufferech

39 MULTIMÉDIA A IFORMAČÍ SYSTÉMY 10 Typický DSP tak umožňuje během jednoho taktu provést jeden krok skalárního násobení dvou vektorů, procesor s klasickou architekturou by na stejnou operaci potřeboval několik taktů. Dělení DSP: - použitá aritmetika (celočíselná, s pevnou řádovou čárkou, s plovoucí řád. čárkou). - podle šířky datové sběrnice (od 16 bitů výše) - počet jader (jedno, nebo vícejádrové) Algoritmy DSP: Nejčastějšími algoritmy zpracování digitálních signálů jsou algoritmy filtrů. - FIR (Finite Impulse Response) oblast aplikací: filtry s lineární fázovou odezvou - IIR (Infinite Impulse Response) oblast aplikací: střídavá vazba, vyhlazení průběhů (průměrování) - Hřebenový filtr (modifikovaný hřebenový filtr) - kombinace FIR a IIR 2.řádu - Kaskádní filtr 4.řádu (kaskádní spojování filtračních modulů FIR a IIR 2. řádu) - Mřížkové filtry a další Srovnání filtrů FIR a IIR - FIR: : pokud je kriteriem fázový průběh, lineární průběh fáze stabilita a prediktabilita jsou přirozenou vlastností - IIR: : mizerný průběh fáze (velká nelinearita), strmá přechodová oblast při malém počtu větví, pro stejný počet větví je filtr IIR 5-10x účinnější v řízení amplitudové charakteristiky než filtr FIR. Dalšími velmi častými algoritmy jsou transformace signálu (Fourierova T, Laplaceova T, Z-T, Diskrétní FT DFT, Rychlá FT FFT) Modulace je nelineární proces, kterým se mění charakter vhodného nosného signálu pomocí modulujícího signálu. Modulace se velmi často používá při přenosu nebo záznamu elektrických nebo optických signálů. Nejběžnějšími příklady zařízení spotřební elektroniky využívajících modulaci jsou například rozhlasový a TV přijímač, mobilní telefon, různé typy modemů, satelitní přijímače atd. Zařízení, které provádí modulaci se nazývá modulátor. Musí vždy obsahovat nějaký nelineární prvek, jinak nemúže k modulaci dojít. Platí to ale i naopak. Jakmile se jakékoliv dva signály setkají na nějakém nelineárním prvku nebo v nelineárně se chovajícím prostředí, dojde k jejich vzájemné modulaci tzv. intermodulaci. Opakem modulace je demodulace, kterou provádí demodulátor. Rozdělení modulací Podle typu nosného signálu se rozdělují na:

40 MULTIMÉDIA A IFORMAČÍ SYSTÉMY spojité analogové modulace - nosným signálem je signál s harmonickým průběhem v čase (sinusoida nebo cosinusoida) a modulačním signálem je analogový signál 2. spojité digitální modulace - nosným signálem je signál s harmonickým průběhem v čase (sinusoida nebo cosinusoida) a modulačním signálem je digitální signál 3. diskrétní modulace - nosným signálem těchto modulací je signál s nespojitým průběhem často také nazývaný taktovací signál Ad1) Spojité analogové modulace Pokud je modulačním signálem typický analogový signál nabývající nekonečného počtu hodnot, nabývá také výsledný fázor modulovaného signálu nekonečného množství hodnot. Ad2) Spojité digitální modulace Je-li modulačním signálem digitální signál nabývající konečného počtu stavů, nabývá i fázor modulovaného signálu konečného počtu poloh. Mezi jednoduché modulace tohoto typu patří: - amplitudová m. ASK (Amplitude-Shift Keying) - frekvenční m. FSK (Frequency-Shift Keying) - fázová m. PSK (Phase-Shift Keying) o dvoustavová fázová m. BPSK (Binary Phase Shift Keying) o čtyřstavová fázová m. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) o vícestavové f. m. 8PSK, 16PSK, Ad3) Diskrétní modulace U taktovacího signálu diskrétních m. lze také měnit několik parametrů. Navíc se tyto m. rozdělují i podle toho, jestli je spojitý (nekvantovaný) nebo diskrétní (kvantovaný) signál modulační. - nekvantované o pulzně amplitudová modulace - PAM o pulzně šířková modulace - PWM (W z anglického width) o pulzně polohová modulace - PPM (P z anglického position) - kvantované o pulzně kódová modulace - PCM (C z anglického code) o delta modulace - DM o adaptivní delta modulace - ADM o diferenční pulsně kódovaná modulace - DPCM o adaptivní diferenciální pulsně kódová modulace ADPCM Složené modulace Mezi nejpoužívanější složené modulace patří: - kvadraturní amplitudová modulace - QAM (Q z anglického quadrature) - amplitudově fázová modulace - APSK - podobná jako QAM, jiný konstelační diagram

41 MULTIMÉDIA A IFORMAČÍ SYSTÉMY Kliknutím tady lze vidět AM a FM animovaně v akci. 10 Frekvenční modulace Fázová modulace AM oboustranná - AM DSB (Dual Side Band) <nosná je modře, červeně je modulační signál> AM oboustranná s potlačením nosné - AM DSB SC (Dual Side Band Supressed Carrier) PAM PFM PAM PPM

42 11. DHTML: objektový model dokumentu, typy událostí a jejich zpracování. Použití jazyka JavaScript přizpracování DHTML událostí. Možné typy vstupů a výstupů JavaScript-u v DHTML. Objektový model dokumentu Document Object Model (objektový model dokumentu) je API pro HTML a XML dokumenty. Umožňuje strukturovaně znázornit dokument, upravovat jeho obsah a vizuální podobu. V podstatě propojuje webové stránky se skriptovacími nebo programovacími jazyky. Všechny vlastnosti, metody a události, které jsou k dispozici webovým vývojářům k úpravě a vytváření webových stránek, jsou uspořádány do objektů (tj. objekt 'dokument', který představuje dokument jako takový, objekt 'tabulka', který představuje HTML prvky tabulky, atd.). Tyto objekty jsou přístupné pomocí skriptovacích jazyků ve většině současných webových prohlížečů. DOM je nejčastěji využíván ve spojení s JavaScriptem a to tak, že kód je napsán v JavaScriptu, ale využívá DOM pro přístup k webové stránce a jejím prvkům. DOM byl nicméně navržen tak, aby nebyl závislý na žádném programovacím jazyku, vytváří strukturované znázornění dokumentu dostupné pod jediným API. Ačkoliv se zde zaměřujeme právě na JavaScript, DOM může být implementován libovolným jazykem. HTML elementy jsou OBJEKTY. Každý objekt : má vlastnosti atributy může reagovat na události Identifikace objektu: atributy id jednoznačná identifikace name několik objektů může mít stejné name Hierarchická struktura objektů: objektový model:

43 Typy událostí Většina událostí je v prohlížečích předdefinována a pokrývají takřka všechny změny, které na stránce mohou nastat. Od pohybu ukazatele (kurzoru myši) nad nějakým objektem, kliknutí myši či stisku klávesy, přes načtení nějakého prvku či celého dokumentu, otevření a zavření okna, změnu fokusu okna (přesun do popředí/do pozadí) či nějakého prvku, až po vypršení nastavené doby časovače či situaci, kdy nastane nějaká chyba v běhu programu. Každá z těchto předdefinovaných událostí má přiřazen svůj ovladač (handler). Tento ovladač je pojmenován ve tvaru onudálost - tedy např. onclick, onload, onchange atd. - ten se zavolá, pokud tato událost nastane. Události spojené s myší: onclick ondblclick při kliknutí myší na daném prvku při dvojitém kliknutí myší na daném prvku onmousedown při stisknutém tlačítku myši na prvku onmouseup onmouseover onmousemove onmouseout onfocus onblur při uvolnění tlačítka myši na prvku při ponechání myši nad prvkem při najetí myši na prvek při opuštění prvku myší při ponechání myši nad prvkem (u položek formuláře) při opuštění prvku myší (u položek formuláře) Události spojené s klávesnicí onkeypress onkeydown onkeyup při rychlém stisku klávesy na prvku při stisknuté klávese na prvku při uvolnění klávesy Události spojené s formulářem onsubmit onreset onselect onchange při odeslání formuláře při vymazání formuláře při výběru textu v textovém poli při změně hodnoty v prvku formuláře a mnoho dalších Zpracování událostí:

44 <PRVEK Událost = skript >Př: <INPUT type= button value= Výpočet onclick= Vypoc() > //z powerpointu z moodle Každý z výše uvedených ovladačů (handlerů) může mít přiřazen kód, který se má provést, pokud událost nastane. Výchozí hodnotou je většinou null, tzn. že událost nevyvolá žádnou akci. Chceme-li akci pro daný objekt při určité události přiřadit, existují dvě možnosti: 1. Přímo v HTML pomocí atributu odpovídajímu názvu ovladače. Jeho hodnotou je tělo funkce, která se má provést, když událost nastane. Jméno atributu v HTML není case-sensitive (nerozlišují se malá/velká písmena), může být tedy použito např. onload, onload, ONLOAD (v XHTML však již musí být jména atributů pouze malými písmeny). Syntaxe je tedy: <tag... onevent="kód"...> např. <a href="..." onclick="alert('zprava');return false"> nebo:<a href="..." onclick="ovladaconclick()"> <INPUT type="button" value="zhasni" onclick="document.bgcolor='black'"> // zmeni pozadi na cerne 2. Ve skriptu přiřazením hodnoty té metodě objektu, která reprezentuje daný ovladač. Tyto metody rovněž odpovídají názvům ovladačů (viz události výše), musí být psány malými písmeny. Jejich hodnotou je jméno funkce, na niž ovladač přesměrujete - tato funkce se pak sama stává ovladačem dané události: Syntaxe: mujobjekt.onevent = nazev_funkce; např.: mujobjekt.onclick = ovladaconclick; Je důležité dát si pozor na rozdíl v definování ovladačů v HTML a ve skriptu - zatímco v HTML ovladači přiřazujete přímo kód, ve skriptu je jeden mezikrok navíc: objektu přiřazujete pouze název funkce, která se tak sama stává ovladačem - kód, který se má provést, je až v těle této funkce. V podstatě jsou však oba případy shodné - pouze u HTML proběhne toto přiřazení skrytě: napíšeme-li např.: <div id="prvek" onclick="alert('ahoj');return true">... //def v html vytvoří se vlastně (skrytá, anonymní) funkce, které se volá pokaždé, když uživatel klikne na objekt "prvek". Stane se tedy totéž, jako bychom ve skriptu napsali: //def ve skriptu document.getelementbyid('prvek').onclick = function() { alert('ahoj'); return true; } Použití jazyka JavaScript přizpracování DHTML událostí JavaScript umožňuje události "hlídat" a reagovat na ně. Takovou reakcí je nejčastěji vykonání určitého skriptu, který je připraven pro obsluhu události. V JavaScriptu je definováno několik událostí, na které je možno reagovat. Ke každé události existuje správce události. Ten událost rozpozná a bude na událost reagovat. (popis událostí popsán výše) vestavěné objekty JavaScriptu Math obsahuje vlastnosti a metody pro matematické výpočty: Math.PI, Math.E, Math.cos(x), Math.random() a další Date obsahuje metody pro práci s časem

45 String obsahuje vlastnosti a metody pro práci s řetězci Array umožňuje vytváření jednorozměrných polí JavaScript objektově orientovaný programovací jazyk interpretovaný jazyk zpracování na straně klienta Javascript umí přistupovat k objektům okna prohlížeče (window) a přes něj i k prvkům stránky (window.document), které mají úzkou vazbu na jazyk HTML k zabudovaným objektům (Date, Math, string). Možné typy vstupů a výstupů JavaScript-u v DHTML Vstup: použitím metody prompt objektu window r=parsefloat(prompt("zadej polomer:",0)); //vstup //vyskoci okynko do ktereho se to napise.. a ulozi do promenne r čtením hodnot z položek formuláře <INPUT type="text" name="r"> // kód ve formulari, jmeno R r=parsefloat(document.f.r.value); //vstup // toto se pise do klasickeho formulare Výstup: použitím metody alert objektu window alert("s = "+S); //vypíše to do vyskakujiciho okynka S = a nějaký obsah proměnné S použitím metody write objektu dokument document.write("a tento text byl vypsán skriptem"); //toto se vypise do stranky přiřazením hodnoty do položek formuláře <FORM name="f"> <INPUT type="text" name="vyst" > //toto je ve vstupnim formulari //toto je ve vstupnim formulari document.f.vyst.value="obsah kruhu je "+S; //toto je funkce na vypsani do stranky přiřazením hodnoty vlastnosti innerhtml objektu dokument document.all.vys.innerhtml="obsah kruhu je <B>"+S+"</B>";//toto je funkce na vypsani do stranky přiřazením hodnoty vlastnosti innertext objektu dokument document.all.odst1.innertext="obsah kruhu je "+S; //toto je funkce na vypsani do stranky toto se vypíše na místo označené: <P id="odst1"></p>, analogicky i innerhtml (vys)

46 MME Protokol HTTP: hlavní rozdíly verzí , typy požadavků a odpovědí, struktura hlaviček, podpora autentifikace/autorizace, cookies. 1 HTTP Protokol obecně definuje pravidla pro komunikaci mezi dvěma partnery. Definuje tvar přenášených informací, možnosti a náležitosti požadavku i odpovědi. Hypertext Transfer Protokol (HTTP) je protokol aplikační vrstvy. Používá se pro distribuované hypermediální informační systémy. Pro službu WWW se používá od roku První používaná verze HTTP 0.9 byla jednoduchá. Zajišťovala pouze přenos dat po Internetu bez dalších doplňkových informací o přenášených datech. Klient musel odhadnout podle koncovky souboru o jaká data se jedná. Brzy se ukázalo, že tato varianta nepostačuje a nastoupila verze nová HTTP 1.0. Verze 1.0 se snažila doplnit popisující informace do dotazu a odpovědi a použila pro to již existující formát MIME (Multipurpose Internet Mail Extension). Rozšířila tvar dotazu a odpovědi o standardizované doplňující informace charakterizující přenášená data ve tvaru typ/podtyp. HTTP 1.0 je definováno v RFC S rozvojem služby WWW se objevovaly další požadavky na HTTP protokol. šlo především o práci hierarchickou strukturou proxy, využívání cache, požadavek na trvalé spojení mezi klientem a serverem a požadavky na virtuální servery. Tyto nedostatky řeší nová verze protokolu HTTP 1.1, která je definována v RFC 2068 v lednu Protokol HTTP je koncipován jako jednoduchý bezstavový objektově orientovaný protokol (stateless), který pracuje v režimu otázka/odpověď (request/response). HTTP vyžaduje na přenos zpráv použití spolehlivé transportní služby. Proto umožňuje použití libovolného transportního protokolu. Protokol umožňuje přenášet informace v různém formátě, protože klient odevzdá v požadavku seznam formátů, které je schopný interpretovat a server odešle informace v jednom z odpovídajících formátů. Tento postup umožňuje využít i nestandartních formátů přenášených informací, pokud je současně klient a server podporují. Důležité je adresování informačních zdrojů ze strany klientů. HTTP používá na adresování požadovaných informačních zdrojů schéma označované jako URL (Uniform Resource Locator), které označuje příslušný server, požadovaný dokument, přístupový protokol,případně případně data pro autorizaci přístupu.. Jak pracuje HTTP protokol? Každá z verzí HTTP protokolu pracuje trochu jinak. Popišme si nejprve fungování verze 1.0 a následně uvedeme rozšíření verze 1.1. HTTP protokol verze 1.0 vychází z modelu dotaz-odpověď. Klient pošle požadavek na server, server klientovi odpoví a komunikace se uzavírá. Požaduje-li opakovaně klient stejná data od serveru, navazuje se nové spojení a server opět posílá data. Případné uchování některých informací o komunikaci mezi klientem a serverem (např. o tom, která data již dříve klient obdržel) je ponecháno zcela na klientovi. Protokol si informace o již provedených spojeních

47 MME-12 2 neudržuje, je to protokol bezstavový. Většina HTTP komunikace je iniciována klientem a sestává z požadavku na nějaký server. Tento jednoduchý příklad může být realizován jedním spojením mezi klientem a serverem. Předpokládejme, že klient chce získat od serveru se jménem server soubor. Klient tedy vyšle dotaz začínající dotazovým řádkem: GET /cesta/soubor HTTP/1.1 Server mu jako odpověď pošle požadovaný soubor nebo chybové hlášení. Všimněte si, že v dotazu klienta není specifikována adresa ani jméno serveru. IP adresu totiž využívává protokol transportní tj. IP protokol. HTTP protokol jen po již navázaném spojení vysílá dotaz na konkrétní soubor. 2 Rozšíření verze 1.1 Trvalé spojení V předchozích verzích protokolu bylo pro každé URL navazováno zvláštní TCP spojení. V případě obrázků vložených v html stránce navazoval klient v krátkém časovém rozmezí několik spojení na stejný originální server. To zvyšovalo zátež serveru a vytížení linek v Internetu. Verze HTTP 1.1 zavádí možnost trvalého spojení. V rámci tohoto spojení pak klient posílá všechny své požadavky na server a server mu po tomto spojení posílá své odpovědi. Je definovám mechanismus ukončení spojení. Ve verzi HTTP 1.1 je trvalé spojení chápáno jako implicitní pro všechny HTTP spojení. Není-li tedy řečeno jinak, může klient předpokládat, že server udržuje trvalé spojení a naopak. Spojení zůstavá otevřeno do té doby, dokud klient nebo server spojení neukončí. Spojení se ukončuje vysláním hlavičky Connection: close, požadavek obsahující tuto hlavičku je poslední na daném spojení. Je-li signalizováno ukončení spojení od serveru, nesmí již klient poslat po spojení další požadavek. Všechny zprávy posílané v trvalém spojení musí mít definovanou délku v hlavičce Message-length. Zřetězené zpracování Klient, který podporuje trvalé spojení, může řetězit své dotazy, tj. posílat více dotazů, aniž by čekal na odpovědi. Server musí na dotazy odpovídat ve stejném pořadí, ve kterém dotazy dostal. Virtuální WWW servery Starší klienti používající verzi HTTP 1.0 předpokládaly, že jedné IP adrese patří jeden WWW server. HTTP protokol verze 1.0 s IP adresou ani jménem počítače nepracuje. HTTP 1.1 zavádí hlavičku Host a definuje zpracování této hlavičky na straně klienta i serveru. Pokud tato hlavička chybí, vrací chybu. Pomocí této hlavičky se až k http serveru dostanou informace o jméně počítače a server může vracet na různá jména různé odpovědi. Vyjednávání o obsahu Další novým prvkem v HTTP protokolu je snaha o poslání co nejlepší varianty dokumentu, pokud samozřejmě existuje několik různých variant (např. různý jazyk, formát, komprese apod.). HTTP 1.1 poskytuje dva dohadovací mechanismy, které je možné kombinovat nebo použít odděleně: serverem řízené dohadování klientem řízené dohadování Serverem řízené dohadování Výběr nejlepší varianty dělá algoritmus, který je součástí serveru. Vychází z existujících variant dokumentu a z informací v hlavičkách dotazu. Klientský program může ovlivnit toto rozhodování pomocí následujích hlaviček:

48 MME-12 3 Accept, Accept-Charset, Accept-Encoding, Accept-Language, User-Agent. Klientem řízené dohadování Výběr nejlepší varianty provádí klietský program po obdržení první odpovědi od serveru. V odpovědi jsou uvedeny existující varianty v hlavičce Alternates nebo v těle odpovědi jako seznam URL jednotlivých variant. Nevýhodou je potřeba druhého dotazu, kterým klient teprve získá požadovaný dokument 3 typy požadavků a odpovědí 3.1 Požadavky Struktura požadavku v HTTP 1.0 a 1.1 metoda URL_dokumentu verze_http hlavičky prázdná_řádka tělo_požadavku Příklad 1. Ukázka jednoduchého požadavku GET /clanky/obsah.html HTTP/1.1 User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 5.0; Windows NT) Host: Metody protokolu Metoda určuje druh služby, kterou klient od serveru požaduje. Metoda se uvádí velkými písmeny. Server nemusí vždy všechny metody podporovat. Při dotazu nepodporovanou metodou pak vrací chybové hlášení. OPTIONS Metoda OPTIONS představuje dotaz na možnosti komunikace spojené s uvedeným URL. Metoda umožňuje klientovi určit možnosti a omezení spojené se zdrojem nebo schopnostmi serveru. Pokud je URL v dotazu ve tvaru "*", pak se jedná o dotaz na možnosti serveru jako celku. GET Metoda GET představuje požadavek na poslání dokumentu určeného pomocí URL. V souvislosti s proxy se může metoda GET změnit na "podmíněný GET", která požaduje poslat dokument pouze za určitých podmínek definovaných v hlavičce dotazu. HEAD HEAD metoda je identická s metodou GET, server však nemusí posílat tělo odpovědi. Metodu je možné použít k získání doplňkových informací o dokumentu, často se používá k testování hypertextových linek, jejich dostupnosti a poslední modifikace. Klient může získané hlavičky analyzovat a případně požádat o data novým dotazem GET (např. test zda dokument není příliš dlouhý). POST POST metoda se používá v případě, kdy má cílový server přijmout data z požadavku. Skutečná funkce metody závisí na URL s ní spojené. Výsledkem POST metody může být poslání mailu,

49 MME-12 4 předání dat do procesu, který data zpracuje, rozšíření databáze. Posílaná data nejsou nijak omezená a je možné v hlavičkách tělo zprávy popsat. PUT PUT metoda představuje požadavek na uložení posílaných dat pod specifikované URL na server. Takto uložená data budou dostupná např. následnými dotazy GET. Metoda PUT předpokládá, že uložení dat do souboru na server provádí přímo server nikoli externí aplikace (CGI program). DELETE Požadavek na zrušení dokumentu na serveru. Rušený dokument je specifikován v URL. TRACE Metoda použitá k testování originálního serveru. Originální server má vrátit klientovi kladnou odpověď bez dat. WWW servery používané v současné době podporují vždy metody GET, POST a HEAD. 3.2 Odpovědi Struktura odpovědi v HTTP 1.0 a 1.1 protokol stavový_kód stavové_hlášení hlavičky prázdná_řádka obsah_odpovědi Příklad 2. Ukázka odpovědi HTTP/ OK Server: Microsoft-IIS/5.0 Date: Wed, 06 Dec :37:40 GMT X-Powered-By: PHP/4.0.3pl1 Content-type: text/html <!DOCTYPE HTML PUBLIC '-//W3C//DTD HTML 4.0 Transitional//EN'> <html> <head> <title>dobývání znalostí z databází 2000</title> <link rel="stylesheet" type="text/css" href="base.css">... Výsledkové kódy Výsledkové kódy jsou rozděleny do pěti tématických skupin podle své první číslice. 1xx - informační - Požadavek byl obdržen. 100 Continue Klient může pokračovat v posílání požadavku. Jde o meziodpověď od serveru. Po obdržení celého požadavku ho server začne obsluhovat a pošle konečný výsledkový kód. 101 Switching Protokols Server rozuměl požadavku a mění protokol podle specifikace v hlavičce Upgrade. 2xx - úspěch - Dotaz byl serverem pochopen a akceptován. 200 OK Dotaz byl obsloužen bez chyb. Server posílá odpověď. 201 Created

50 MME-12 5 Výsedkem zpracování dotazu bylo vytvoření nového objektu, který lze identifikovat pomocí URL. URL vytvořeného dokumentu je posíláno v těle odpovědi. 202 Accepted Dotaz byl přijat, jeho zpracování však dosud neskončilo. Klient nemusí čekat na dokončení. 203 Non-Autoritative Information Vrácené meta informace nejsou poslané z originálního serveru. 204 No Content Dotaz byl akceptován a v pořádku obsloužen, nevznikla však žádná data, která by server klientovi poslal. 206 Reset Content Server obsloužil požadavek a klient má nastavit původní obsah dokumentu, který předpokládá vložení uživ. dat. 3xx - přesměrování - Klient musí provést další akce, aby získal požadovaný dokument. 300 Multiple Choices Požadovaný dokument je dostupný na několika místech, klient musí vybrat jeden z dokumentů a znovu vyslat dotaz. 301 Moved Permanently Objekt byl trvale přestěhován na nové URL (server je oznámí v hlavičce Location). Klient se musí zeptat na novém místě. 302 Moved Temporarily Objekt byl dočasně přesunut jinam. Klient se musí obrátit na nové místo, neměl by si však například přepisovat URL objektu ve svých záložkách, protože přemístění je jen dočasné. 303 See Other Odpověď je dostupná na jiném URL. Není však náhradou za URL původní. 304 Not Modified Server odpoví tímto kódem, pokud klient poslal podmíněný dotaz GET na dokument, který má uložený v cache a odpovídající dokument na originálním serveru nebyl modifikován. 305 Use Proxy Požadavek musí být znovu poslám prostřednictvím proxy uvedené v URL. 4xx - klientova chyba - Klient položil chybný dotaz nebo nemá oprávnění získat dokument požadovaný v dotazu. 400 Bad Request Chybná syntax dotazu. 401 Unauthorized Obsloužení dotazu je vázáno na určité identifikační požadavky, které klient nesplnil. 402 Payment Required Tento kód je rezervován pro budoucí použití. 403 Forbidden Server má od správce zakázáno odpovídat na dotaz. 404 Not Found Objekt s požadovaným URL neexistuje. Tento chybový kód je nejčastější. Příčinou může být buď překlep v URL nebo zánik objektu. 405 Method Not Allowed Použitá metoda není pro uvedené URL povolena. 5xx - chyba serveru - Server není z nějakého důvodu schopen obsloužit požadavek. 500 Internal Server Error Během zpracování dotazu došlo v programu serveru k jakési blíže neurčené chybě. 501 Not Implemented Server nepoznal metodu, kterou je poslán požadavek. 502 Bad Gateway Chybu 502 pošle zprostředkující server, pokud na váš dotaz dostal od původního serveru špatnou odpověď.

51 MME Service Unavailable Server momentálně nedokáže váš dotaz obsloužit - například je přetížen nebo právě probíhá jeho údržba. Chyba je dočasná a pokud později svůj dotaz zopakujete, máte šanci, že budete vyslyšeni. 504 Gateway Timeout Server pracující s proxy nebo gateway nedostal včas odpověď, aby mohl vyřídit váš požadavek. 505 HTTP Version Not Supported Server nepodporuje verzi protokolu použitou v požadavku. 4 Hlavičky HTTP Hlavičky HTTP protokolu mají tvar podobný hlavičkám elektronické pošty: název hlavičky: hodnota[;parametr=hodnota] CRLF Každá hlavička tedy začíná na samostatném řádku. Parametry jsou nepovinné, používají se jen u některých hlaviček. Příklad hlaviček: Content-length: 1032 Content-type: text/html; charset=iso Hlavičky jsou rozděleny do tří skupin. Obecné hlavičky poskytující univerzální informace o zprávě. Hlavičky dotazu/odpovědi, které popisují dotaz/odpověď. Hlavičky těla,které popisují tělo zprávy. Na pořadí hlaviček nezáleží, nicméně ve standardu se doporučuje, aby hlavičky zprávy byly uspořádány podle svých tematických kategorií v uvedeném pořadí. 5 autentifikace/autorizace Autentizace je proces pro jednoznačné ověření subjektu (člověka), který vstupuje do informačního systému. HTTP autentifikace Co to je? Je to jeden ze způsobů jak zabezpečit své stránky před "nezvaným hostem". Je to poměrně jednoduché a účinné. Jak probíhá HTTP autentifikace? Server obdrží od scriptu požadavek na údaje v určité relaci (skupina stránek). Ten se na tato data otáže prohlížeče, který má stránku zobrazit. Pokud browser tato data má, odešle je. A pokud tato data nemá, vyžádá si je. Nemusíte psát žádné přihlašovací formuláře. Objeví se "windousowské" okno, které vyplníte. Prohlížeč si tato data pamatuje, dokud je spuštěný. Vždy, když si je server poté vyžádá, browser je poskytne, aniž by znova zobrazoval okno pro zadání údajů. Pokud chcete HTTP autentifikaci použít na domácím serveru, je nutné mít nainstalované PHP jako modul, tzn. PHP4. HTTP autentifikace předává tři proměnné. Pro uživatelské jméno je to proměnná $PHP_AUTH_USER a pro heslo proměnná $PHP_AUTH_PW. Předává se ještě proměnná $PHP_AUTH_TYPE, která obsahuje typ autentifikace.

52 MME-12 7 Autorizace je ověření práv daného klienta. Přihlášený klient může mít různá práva pro různé úkony. Například může určitý soubor pouze číst, nebo může údaj pouze editovat a nemůžu číst atd.proces autorizace označuje získání přístupu k informacím, funkcím a dalším objektům, který se skládá z: autentizace subjektu (zjištění jeho identity) vyhledání v seznamu oprávněných subjektů, jejich rolí a práv udělení oprávnění nebo odepření přístupu 6 Cookies Cookies jsou jediná technika v HTTP, která je přímo navržená k tomu, abyste si mohli něco na klienta "uložit" a při dalším požadavku zase "vyzvednout". Cookies fungují tak, že server pošle jako jednu z HTTP hlaviček odpovědi textový řetězec, který si prohlížeč uloží na disk a při dalším požadavku ho ve formě HTTP hlavičky pošle zpátky. Do cookies můžete uložit pouze omezené množství dat. Zabrání vám v tom jednak omezení na straně prohlížeče (maximální velikost cookie se obvykle počítá v jednotkách kb, přesné číslo si nepamatuji) a druhak by vám v tom měl zabránit i zdravý rozum. Obsah cookie se přenáší s úplně každým požadavkem na váš server, a to i tehdy, když ho server vůbec nepotřebuje a nevyužije. Například při požadavcích na obrázky a další statická data. Což zvyšuje objem přenášených dat, za která obvykle tou či onou formou platíte. Cookies jsou v zásadě dvojího druhu: permanentní a session. Permanentní cookies Permanentní cookies obsahují čas expirace (nastavený serverem, tedy vaší aplikací) a jsou ukládány na disk. Přežijí tedy zavření okna prohlížeče, restart počítače atd. Budou se posílat s každým požadavkem na server, dokud nevyprší a nebo dokud je uživatel ručně nesmaže. Session cookies Per-session cookies nemají určený čas expirace a prohlížeč si je drží v paměti. V okamžiku zavření okna se nenávratně ztratí. Konkrétní obsah pojmu "session" závisí na použitém prohlížeči. Například Internet Explorer funguje tak, že si údaje pamatuje do zavření okna. Pokud si v téže instanci prohlížeče otevřete nové okno (Ctrl+N), bude mít stejnou sadu per-session cookies, jako to předešlé. Pokud uživatel ale otevře novou instanci IE (poklepe třeba na ikonku na ploše), bude mít tato instance samostatnou sadu per-session cookies.

53 13. Popište alespoň 3 způsoby udržování kontextu ("sessions") ve webových aplikacích. První - HTTP Cookies Cookies jsou mechanismem na ukládání dat ve vzdáleném browseru a tudíž sledování nebo identifikaci vracejících se uživatelů. Cookies můžete nastavovat pomocí funkce setcookie(). Cookies jsou součástí HTTP hlavičky, tudíž setcookie() se musí volat před odesláním výstupu do browseru. Cookies jsou jediná technika v HTTP, která je přímo navržená k tomu, abyste si mohli něco na klienta "uložit" a při dalším požadavku zase "vyzvednout". Ukládat a číst cookies umějí skripty klientské (např. JavaScript) i serverové (např. PHP). Každé cookie má název a hodnotu (např. navstevy=4) plus informaci o vypršení (datum a čas ve fomrátu GMT, kdy cookie zmizí) a rozsah platnosti (odkud se dá číst). Příklad vytvoření cookie: <? SetCookie ("nazev_cookie", "hodnota", mktime(18,30,0,1,1,2020);); echo "Tato stránka Vám poslala cookie!";?> komentář: PHP má pro ukládání cookies příkaz setcookie. Metoda mktime(18,30,0,1,1,2020) je datum, kdy se cookie zruší (18:30:00 1/1/2020). Příklad na čtení cookie: <? echo "<p>hodnota naší cookie je ".$_COOKIE["nazev_cookie"];?> komentář: Čtení cookies je opravdu jednoduché. Protože cookies jsou v PHP k dispozici pomocí asociativního pole $_COOKIE. Výhody: Je to standardizovaná technologie, kterou dnes podporují prakticky všichni klienti, včetně mobilních zařízení a podobně. Použití cookies minimálně zatěžuje server. Jsou nezávislé na platformě, prohlížeči, jednu cookie můžete přečíst z jakékoliv serverové technologie, pokud chcete. Nevýhody: Někteří uživatelé je mohou mít vypnuté. Pro vypínání first-hand cookies sice není žádný zásadní důvod a vypnout je je poměrně komplikované, ale přesto to někdo může udělat. Do cookie můžete uložit pouze celkem malé množství dat. Cookies se posílají s každým požadavkem, včetně požřadavků na statické stránky atd. V případě navštěvovaných webů a objemnějších cookies to může znamenat slušné zvýšení obejmu přenášených dat. Nemůžete se spolehnout na to, že se vám hodnota uložená v cookie vrátí v pořádku a nepoškozená. Uživatel nebo útočník ji může přečíst a modifikovat, pokud ji nějakým způsobem nezabezpečíte. Doporučení:

54 Pokud máte malé množství dat, použijte cookie - je to cesta nejmenšího odporu. Pokud váš web cookie vyžaduje, upozorněte na to uživatele. A nebo ještě lépe, vyzkoušejte si to, a pokud má cookie zakázané, zobrazte mu upozornění. Druhý - všechny proměnné, které potřebujete udržovat v rámci session, si udržujete v hidden proměnných formuláře, tj. v požadavku GET nebo POST Sessions (česky relace) představují prostředek, jak mezi jednotlivými přístupy zachovávat a předávat data. V určitých případech je totiž nanejvýš potřebné, abychom měli k dispozici silný a zároveň jednoduchý mechanismus, který nám umožní pro každého uživatele uchovávat specifické údaje. Typickým příkladem použití sessions je přihlašování uživatelů. Celý proces vypadá přibližně následovně: "Uživatel ve formuláři vyplní své jméno a heslo. Pokud údaje souhlasí, vytvoří se session a do ní se uloží jednoznačná informace identifikující našeho uživatele (například jeho id nebo jméno). Po celou dobu, po kterou se přihlášený uživatel pohybuje uvnitř systému, mají PHP aplikace přístup k informacím v session, tedy mohou určit, kdo je zrovna nalogovaný. Na konci práce se uživatel odhlásí a session je zničena." Účel session je dvojí: umožní webové aplikaci uchovat informaci mezi jednotlivými stránkami o provedených akcích uživatele (něco jako "trasu") umožní ověřit identitu, kterou na začátku získá logovacím procesem (zadáním hesla) a zpřístupnit neveřejný obsah webové aplikace pouze oprávněným uživatelům Ke spuštění session slouží funkce session_start(). Ta nejdříve zkontroluje, zda bylo aplikaci předáno jméno nějaké již probíhající session. Pokud ne, je vytvořena nová session. V opačném případě je znovu spuštěna předaná probíhající session. Všechna data jsou uložena v superglobálním poli $_SESSION[]. Protože session_start() ve většině případů vytváří cookie (viz dále), měla by být spouštěna ještě předtím, než jsou klientovi odeslána jakákoli data. Pokud chceme přidat do session nějaká data, uděláme to zcela jednoduše a přirozeně tak, že je přidáme do pole $_SESSION[]. Chtějme například předávat mezi aplikacemi proměnnou user s hodnotou 10: $_SESSION["user"]=10. Hidden proměnná ve formuláři <FORM NAME="formular" ACTION="/cgi-bin/sktipt.cgi" METHOD="get"> <INPUT TYPE="text" VALUE="hodnota" NAME="polozka"> <INPUT TYPE="hidden" VALUE="hodnota2" NAME="skrite"> <INPUT TYPE="submit" VALUE="Odeslat"> </FORM> První řádka říká klientovi, na jakou adresu (ACTION) a jakým způsobem (METHOD - viz dále) má poslat data z formuláře. Druhá je obyčejné textové políčko pro vstup. Třetí je skrytý údaj, který bude poslán. Používá se například pro zjištění z které stránky byla data poslána (pokud jsou formuláře na různých stránkách) a nebo v dynamicky generovaných stránkách se může využít k přenášení informací např. o uživateli - protokol HTTP je totiž bezestavový a informace si nelze nijak zapamatovat, jedině pomocí hidden proměnných ve formulářích a nebo pomocí cookies. Existují dva základní způsoby, jak předat serveru (CGI skriptu) data z formuláře: metoda GET a metoda POST (viz první řádka předchozího příkladu). Pokud použijete GET, klient data zahrne do URL adresy požadavku a ta pak bude ve tvaru:

55 Při použití metody POST jsou data zakódovaná stejným způsobem, ale nezobrazují se v URL. Každá metoda mé své výhody a nevýhody. Nevýhodou GET je, že délka takto přenášených dat je omezena (klienti neumí pracovat s libovolně dlouhou adresou) a že jsou všechna data "vidět" v URL adrese, což poněkud snižuje soukromí. Naopak její výhodou je, že url adresu včetně dat je možné použít jako normální odkaz. Naproti tomu hlavní výhodou metody POST je možnost přenést velké množství dat. Třetí - všechny proměnné, které potřebujete udržovat v rámci session, máte uloženy na straně serveru, kterému klient přes GET/POST posílá pouze session-id proměnnou Typický logovací mechanismus funguje takto. Při prvním vstupu na webovou stránku se uživateli založí tzv. session a odešle se mu identifikační cookie, která obsahuje jednoiznačný náhodně vygenerovaný identifikátor, tzv. sessionid. Toto sessionid je uloženo také na serverové straně. Při každém dalším vstupu na webové stránky tohoto serveru odesílá webový prohlížeč v HTTPhlavičce tuto cookie a server porovná tuto hodnotu s hodnotami, které si uchovává. Pokud nalezne odpovídající session, je uživatel identifikován a webová aplikace si může v session přečíst o uživateli různé trvalé informace. Jednou z nich je proměnná indikující, zda se uživatel prokázal platnými přihlašovacími údaji (heslo, uživatelské jméno, apod...), tato proměnná se jmenuje obvykle logged a na začátku je nastavena na FALSE. Po odeslání platných přihlašovacích údajů je tato proměnná nastavena na TRUE a obvykle je vstup na neveřejné stránky serveru řízen právě touto proměnnou. Jiná proměnná může indikovat přesně o kterého uživatele se jedná a zpřístupnit určitá data právě jednomu konkrétnímu uživateli. Zcizení session Pokud není spojení klient-server zabezpečené nějakým asymetrickým šifrováním, je vždy možné z odposlechu komunikaci okopírovat a vydávat se tak za někoho jiného (za nalogovaného člověka). Tomuto termínu se odborně říká "zcizit session". Klíčem k prolomení bezpečnosti webového serveru je získání sessionid. Jakmile útočník sessionid získá, může přistupovat k neveřejným datům uživatele a získat neoprávněnou kontrolu nad systémem. Session proměnné každému novému uživateli se přiřadí unikátní identifikátor (tzv. session-id) o předává se s každým požadavkem pomocí cookie nebo parametrů v URL, resp. skrytých polí ve formuláři o session-id je konstruováno tak, aby bylo těžko odhadnutelné (většinou náhodné číslo + hashovací funkce MD5 nebo SHA) pro každé session-id má webový server vyhrazen prostor pro ukládání dat (proměnných) o sdílená paměť o soubory o databáze

56 MME Web services: význam, architektura, popis SOAP, RPC, WSDL, UDDI Co jsou webservices Dnes je World Wide Web souborem převážně stránek napsaných v jazyku HTML (Hyper Text Markup Language) srozumitelných pouze lidem. Web services - webové služby - mají za cíl zpřístupnění zdrojů snadno zpracovatelných strojově, tj. umožnit snadnou spolupráci programů bežících na libovolných platformách (prog. jazyk, CPU, OS). Proto využívají standardy World Wide Web Consortia (W3C). Motivace Standardy pro webové služby jsou proto koncipovány tak, aby: běžely na protokolu HTTP byly platformě nezávislé = server může být v C++, klient v PHP nebo Javě => nepřenáší se binární data (jako např. serializovaný objekt Javy), ale jejich textová reprezentace programátoři web služeb nemuseli vymýšlet vlastní protokoly pro komunikaci klient-server => mechanismus RPC Schema webových služeb: Webservices je technologie pro vzdálené volání procedur (RPC - Remote Procedure Call) pomocí přenosu zpráv v jazyku XML (extensible Markup Language) protokolem HTTP (HyperText Transfer Protocol). Pro definici typů dat využívá standard XML Schema. Pro identifikaci objektů (dat, jmen operací, atd.) využívá standard XML Namespaces. Technologii webových služeb tvoří tři části: protokol pro vzdálené volání procedur, zvaný SOAP jazyk pro popis poskytovaných služeb, zvaný WSDL mechanismy pro nalezení služeb, zvané UDDI a WSIL 1 SOAP SOAP (Simple Object Access Protocol - česky jednoduchý protokol pro přístup k objektům) lze asi nejlépe vysvětlit na postupu, jak historicky vznikl. Už od počátku WWW (okolo roku 1993) bylo možné zavolat program na webserveru a předat mu textové parametry jednoduše tak, že se na konec URL označujícího program přidal znak? a za něj se uvedly názvy parametrů a jejich hodnoty oddělené znaky &, například takto:

57 MME-14 2 Tento způsob má jedno omezení, a tím je maximální délka URL, činící v praxi 4kB. Proto byla vymyšlena tzv. metoda POST4 protokolu HTTP5, která parametry předává v těle HTTP požadavku; uveďme si, jak takové volání vypadá: POST /cgi/p.exe HTTP/1.0 Content-Type: application/x-www-form-urlencoded Content-Length: 21 param1=hodnota1&p2=h2metodou POST je možné předávat jakákoliv data jakékoliv délky, standardizován byl ale jen typ zvaný application/x-www-form-urlencoded, jehož tvar je shodný s tvarem parametrů předávaných přímo v URL. Postupem času (okolu roku 1997) začaly prohlížeče podporovat i typ multipart/form-data, který umožňuje k textovým parametrům přidat obsah souborů. S příchodem jazyka XML, který umožňuje zapsat libovolně složitě strukturovaná data do textového souboru platformově nezávislým způsobem, bylo jen otázkou času, než někoho napadlo posílat si metodou POST data v XML. XML má tu výhodu, že se předávaná data nemusí omezovat na text, je možné předávat si složité objekty a kolekce objektů. Při použití XML Schema6 lze navíc jednotným, rozšiřitelným a srozumitelným způsobem popsat strukturu a typy předávaných dat. Použitím XML Namespaces7 lze snadno zamezit kolizím stejných jmen pro různé věci. Pak již stačilo přidat k předávaným parametrům i informaci jakou funkci je třeba zavolat, a protokol pro vzdálené volání funkcí byl na světě. XML schema:

58 MME RPC RPC (Remote procedure call, vzdálené volání procedur) je technologií dovolující programu vykonat proceduru, která může být uložena na jiném místě než je umístěn sám volající program. Původně vyvinuta roku 1976 firmou Xerox, první Unixová implementace Sun's RPC. Na tomto paradigmatu jsou založeny technologie CORBA, SOAP, REST, RMI nebo Web Services. 3 WSDL Možnost vzdáleně volat funkce pomocí SOAP je k ničemu, pokud nevíme, jaké funkce se dají zavolat, jaké mají parametry a jaké vrací hodnoty. Tento problém řeší jazyk WSDL (Web Services Description Language, česky jazyk popisu webových služeb), založený na XML a hojně využívající standardy XML Namespaces a XML Schema. Vznikl sloučením tří jazyků firem IBM, Microsoft a Ariba s názvy NASSL, SCL a SDL do jednoho jazyka nazvaného WSDL 1.1. W3C vzalo WSDL 1.1 na vědomí a ustavilo pracovní skupinu s názvem Web Services Description Working Group, která nyní pracuje na jeho novější verzi WSDL 1.2 (zatím je ve fázi pracovního návrhu). Abychom mohli protokolem SOAP něco volat, musíme nejřív vědět co a jak volat. Proto existuje jazyk WSDL pro popis rozhraní služby. Popisuje jména dostupných operací, typy jejich parametrů a návratových hodnot, a kde a jak je služba dostupná (HTTP/HTTPS/SMTP, port, stroj, URL). Vztah mezi SOAP službou a WSDL je asi jako mezi zkompilovanou C knihovnou a header souborem se seznamem funkcí v ní obsažených. WSDL tedy sémantiku operací, pouze syntaxi jejich volání. Sémantiku je možné nanejvýš popsat lidským jazykem v tagu <documentation>, ale to není strojově zpracovatelný popis. WSDL je jazyk založený na XML, obsahující tyto hlavní tagy: <types> definice datových typů <message> komunikační zpráva - odpovídá zavolání nebo návratu z funkce <porttype> souhrn operací - odpovídá interface (Java) nebo header souboru (C) <operation> odpovídá metodě (Java) nebo funkci (C) <binding> definuje možný způsob přístupu různými protokoly <service> a <port> pro každý <binding> definují adresu na kterou se má příslušný protokol spojit 4 Struktura WSDL dokumentů WSDL jazyk je velice obecný, aby zachoval platformovou nezávislost. Popišme si, jak takový popis webové služby ve WSDL vypadá. WSDL dokument obsahuje popis jedné služby (klíčové slovo service, viz obrázek č.3), což je největší jednotka. Jedna služba má jednu nebo více bran (port). Každá brána má vazbu (binding), což je způsob jak se daná brána volá (například SOAP-přes-HTTP), a nějakou přístupovou adresu (URL). Lze tedy teoreticky mít pro jednu službu více bran s různými vazbami, tj. volat jednu službu různými způsoby, např. první SOAP-přes-HTTP, druhou SOAP-přes-HTTP-nad-SSL a třetí SOAP-přes-SMTP.

59 MME-14 4 Prakticky budou fungovat jen první dvě, protože WSDL 1.1 má definovánu syntaxi jen pro vazby založené na HTTP. <message name="jeprvocislorequest"> <part name="cislo" type="xsd:long"/> </message> <porttype name="cisla"> <operation name="jeprvocislo" parametrorder="cislo"> <input message="m:jeprvocislorequest" name="jeprvocislorequest"/> <output message="m:jeprvocisloresponse" name="jeprvocisloresponse"/> </operation> </porttype> <binding name="cislasoapbinding" type="m:cisla">... </binding> <service name="cislaservice"> <port binding="m:cislasoapbinding" name="cisla"> <wsdlsoap:address location=" </port> </service> Obrázek 3: Část WSDL souboru definující funkci jeprvocislo Vazby odkazují na rozhraní (porttype), které je souhrnem operací (operation). Rozhraní v objektově-orientovaných jazycích odpovídá objektu, jednotlivé operace odpovídají metodám objektu, nebo v jazyce C funkcím. Každá operace definuje obvykle dvě zprávy (message), jednu vstupní a jednu výstupní, ale může i míň. Každá zpráva obsahuje žádnou, jednu nebo více částí (part), které odpovídají parametrům a návratovým hodnotám. Z toho plyne, že volané funkce mohou mít více návratových hodnot než jen jednu! Typy parametrů a návratových hodnot jsou definovány pomocí XML Schema. Jako jednoduché typy jsou tedy k dispozici řetězce (string), čísla s pohyblivou (float) i pevnou (decimal) řádovou čárkou, pravdivostní hodnoty (boolean), binární data (base64binary), časový okamžik (datetime), časový interval (duration), URL (anyuri); dále jejich odvozeniny - výčtové typy, číselné intervaly, záporná čísla (negativeinteger), celá čísla různého rozsahu (int, byte, short, long). Je možné definovat složené typy vzniklé jako souhrny nebo varianty z jiných typů, jednoduchých i složených, dokonce lze definovat jeden typ jako rozšíření druhého, lze tedy vyjádřit dědičnost objektů. 5 UDDI Zatímco SOAP a WSDL jsou zavedené a v praxi používané standardy, v oblasti nalézání webových služeb zatím není rozhodnut boj o to, jaký mechanismus se bude používat. Historicky starší UDDI (Universal Description, Discovery and Integration, česky univerzální popis, objevování a spojování) nabízí veřejnou databázi (anglicky registry), do které poskytovatelé webových služeb mohou ukládat popisy služeb a uživatelé ji prohledávat. Dvě takové centrální databáze spravují firmy IBM a Microsoft. Praxe ale ukázala, že plné dvě třetiny záznamů v těchto databázích jsou neplatné. Druhý a hlavní problém je ten, že databáze nijak nezaručuje důvěryhodnost poskytovatelů služeb.

60 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 15. Základní vlastnosti GIS. Srovnání GIS s jinými typy informačních systémů. Účel použití GIS a typické aplikační oblasti. Základní vlastnosti GIS a srovnání GIS s jinými typy informačních systémů Informační systém: Informační systém je soubor hardware a software na získávání, uchovávání, spojování a vyhodnocování informací. Informační systém se skládá ze zařízení na zpracování dat, systému báze dat a vyhodnocovacích programů. Geografie: Geografie je věda zabývající se studiem Zemského povrchu. Slovo geografie pochází z řeckých slov geo - Země, graphein - psát. Geografie popisuje a analyzuje prostorové vztahy mezi fyzikálními, biologickými a humánními jevy, které se vyskytují na Zemském povrchu. GIS: Historie: Geografický informační systém je tedy informační systém pracující oproti klasickým informačním systémům navíc i s prostorovou složkou dat. Také lze říci, že je výkonným nástrojem geověd, tedy že metody těchto věd umožňuje efektivně implementovat v počítačovém prostředí. V 50. letech začaly pokusy s automatizovaným mapováním za vyuţití výpočetní techniky. Pionýrské období (konec 60. let až 1975) - hlavně průkopnické práce, univerzity - důraz na digitální kartografii začátek 80. let - ujednocení pokusů s institucemi na lokální úrovni - první LIS konec 80. let - komercionalizace problematiky - běžně dostupné softwarové systémy pro GIS (ESRI, Intergraph, ), první systémy založené na CAD (systémy před tím měly minimální grafické možnosti). 90. léta - počátky standardizace, uživatelské GIS, Desktop GIS, otevřené systémy (Open GIS), Internet. Současnost - vývoj objektově orientovaných systémů, masivní propojení s databázemi, vzdálený přístup přes Internet/Intranet, Mobilní GIS. Strana: 1 / 4

61 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 15. Základní vlastnosti GIS. Srovnání GIS s jinými typy informačních systémů. Účel použití GIS a typické aplikační oblasti. Strukturální členění GIS: Hardware - počítače, počítačové sítě, vstupní a výstupní zařízení (geodetické přístroje, GPS - pozemní i kosmický segment, družice dálkového průzkumu Země, digitizéry, plottery, scannery, ). Software - vlastní SW pro práci s geografickými daty (geodaty) je často postaven modulárně. Základem systému je jádro, které obsahuje standardní funkce pro práci s geodaty, a programové nadstavby (moduly) pro specializované práce (zpracovávání fotogrammetrických snímků a obrazových záznamů dálkového průzkumu Země, síťové, prostorové a statistické analýzy, 3D zobrazování, tvorba kartografických výstupů, ). Data - nejdůležitější část GIS (až 90% finančních nákladů na provoz GIS tvoří prostředky na získávání a obnovu dat). Strana: 2 / 4

62 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 15. Základní vlastnosti GIS. Srovnání GIS s jinými typy informačních systémů. Účel použití GIS a typické aplikační oblasti. Lidé používající daný GIS - programátoři, specialisté GIS (analytici), koncoví uživatelé, ale i správci sítí, manažeři,.... Metody využití daného GIS, jeho zapojení do stávajícího IS podniku (z hlediska praxe velmi komplikovaná a náročná část). Funkční členění GIS: Vstup dat. Zpracování a uchování dat. Vykonávání analýz a syntéz s vyuţitím prostorových vztahů - jádro GIS, tedy to co nejvíce odlišuje GIS a jiné IS. Prezentace výsledků (výstupy grafické - mapy, negrafické - zprávy, souhrnné tabulky, statistická vyhodnocení, ). Interakce s uţivatelem (desktop GIS, Web GIS). Koncepce přístupu k GIS: Kartografická koncepce - klade důraz na tvorbu map, ať uţ v analogové, či digitální podobě. Klasickým příkladem tohoto přístupu je např. ZABAGED (Základní báze geografických dat), jejímţ prvotním úkolem je tvorba Základní mapy ČR a teprve následně slouţí k dalším (např. analytickým) úlohám. Pro tento způsob se pouţívají hlavně CAM (Computer Aided Mapping) a CAC (Computer Aided Cartography) systémy. Databázová (evidenční) koncepce - klade důraz na zpracování a uchování dat. Systémy, které se specializují na toto vyuţití GIS se označují např. jako LIS (Land Information System), MIS (Munincipal Information System), AM/FM (Automated Mapping/Facilities Management). Analytická koncepce - klade důraz na analytické prostředky, je vyuţíván hlavně hydrology, meteorology, biology, geomorfology, geology,.... Reálné nasazení GIS je většinou kombinací těchto modelů. Účel použití GIS a typické aplikační oblasti GIS GIS nám umoţní hledat odpovědi na následující otázky: Co se nachází na...? Kde se nachází...? Jaký je počet...? Co se změnilo od...? Co je příčinou...? Co kdyţ...? Strana: 3 / 4

63 _ MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 15. Základní vlastnosti GIS. Srovnání GIS s jinými typy informačních systémů. Účel použití GIS a typické aplikační oblasti. Oblasti použití: Obchod - analýzy nalezení nejvhodnější lokality pro nový obchod, restauraci (na základě demografických dat jako je počet, věk, příjem, vzdělání...); síťové analýzy rozvozu zboží. v ochraně proti pohromám (aktuální situace při pohromě, modely povodní, směrování záchranných prostředků) Distribuční společnosti nejenom databáze kabelů, plynovodů, ale i analýzy sítí, směrování v sítích. Ţivotní prostředí studium chování ekosystémů, modely znečišťování ovzduší a jeho vlivu na životní prostředí. Státní správa, městské úřady opět nejenom evidenční charakter, ale i dopravní analýzy, volby, sčítání lidu, informační systémy, analýza vhodnosti. Školy pomůcka při výuce geografie, zeměpisu, Strana: 4 / 4

64 16 - Geografická data, geografické objekty a jejich základní typy. Zdroje geografických dat. Geografická data Prostorové informace o Pozice, tvar a vztah k ostatním objektům Atributová data o Další vlastnosti daného objektu. o Např. teplota, typ asfaltu, tloušťka drátu, rok pořízení, typ plynového potrubí Časové informace o Jsou-li použity, přidávají do systému dynamické vlastnosti. o Např. datum poslední opravy potrubí. Geografické objekty Geografické objekty jsou základní prvky GIS, které nesou zejména prostorové informace. Jejich prostorový vztah určuje topologie, která má 3 základní koncepty: Konektivita - dvě linie se na sebe napojují v uzlech. Definice plochy - linie, které uzavírají nějakou plochu, definují polygon. Sousednost (princip okřídlené hrany) - linie mají směr a nesou informaci o objektech napravo a nalevo od nich. Základní typy geografických objektů Bod (Point): Definován souřadnicemi X a Y Dimenze: 0 Linie (Line): Sekvence sousedních úseček Není vhodné používat křivky kvůli nekompatibilitě datových formátů křivky často nahrazeny lomenými čarami. Definovány pomocí mezilehlých bodů (vertex) mezi dvěma koncovými body/uzly (points, nodes). Dimenze: 1 Řetězec linií (PolyLine): Dimenze: 1 Plocha (Area): je definována jako uzavřená linie nebo řetězec linií- tzn. že první a poslední uzel jsou identické. Dimenze: 2 Strana: 1 / 4

65 16 - Geografická data, geografické objekty a jejich základní typy. Zdroje geografických dat. Povrch (Surface): Plocha s přiřazenými hodnotami v každém jejím bodě, tedy i v bodech vnitřních (např. nadmořská výška). Dimenze: 2.5 Objem (Volume): Nepoužívá se kvůli vysokým nárokům na výpočetní výkon. Dimenze: 3 Zdroje geografických dat Prostorová data Primární zdroje (přímo měřené) Vstup z geodetických měření: o Zpracování obsahu klasických terénních zápisníků údajů pozemních geodetických měření. o Použití zejména pro mapy velkých měřítek (katastrální mapy, technické mapy, plány) o Produkuje vektorová data. Vstup fotogrammetrických údajů: o Fotogrammetrie je věda zabývající se rekonstrukcí tvaru, velikosti a polohy předmětů zobrazených na fotogrammetrických snímcích. o Měření se uskutečňuje na fotografii, ne na objektu. o Existuje fotogrammetrie letecká a pozemní, a také jednosnímková a dvousnímková, analogová a digitální o Problematika převodu centrální projekce do ortogonální. o Výstup fotogrammetrie digitální model reliéfu, digitální ortofoto. o Produkuje rastrová data. Vstup z DPZ (dálkový průzkum Země): o data z leteckých a družicových nosičů, vychází z principu, že objekty mohou být identifikovány z velké vzdálenosti, jelikož vyzařují nebo odráží elektromagnetickou energii (zdroj je hlavně Slunce). Spektrální charakteristika pak identifikuje jednotlivé objekty podle vlnové délky, kterouodrážejí. Díky tomu, že se často používají elektromagnetické vlny mimo rozsah viditelného záření, je DPZ velice zajímavý i pro jiné obory než kartografie a geodézie, např. životní prostředí, biologie, o Použití např. ke sledování ozónové vrstvy, olejových skvrn, stavu napadení lesů škůdci, o Rozdělení: Pasivní zaznamenává vyzářené nebo odražené elektromagnetické vlny. Aktivní vlastní zdroj elektromagnetického vlnění. Výhoda: možnost použití větších vlnových délek lépe pronikají atmosférou. Nevýhoda: nutnost poskytovat energii senzoru. GPS měření: Strana: 2 / 4

66 16 - Geografická data, geografické objekty a jejich základní typy. Zdroje geografických dat. o Armáda USA a 70. Léta minulého století. o K dispozici 28 družic. Pro určení polohy nutnost viditelnosti 4 družic. o Souřadnicový systém WGS 84. o Výhody: Levný a rychlý sběr dat. Dá se měřit kdykoliv (v noci) a za každého počasí. Snadná konverze do GIS systémů. V poslední době rostoucí přesnost. o Nevýhody: Vysoké budovy a stromy (v lese) blokují signály satelitů. Relativně složitá konfigurace systému. Špatně se měří nedostupné objekty. Sekundární zdroje (již jednou zpracované primární zdroje) Obsahují chyby z primárního zpracování nemohou být přesnější než vlastní primární zpracování. Manuálně přes klávesnici: o Velmi pracné nutnost zadávat souřadnice Manuální digitalizace: o Velmi často používaný způsob, použití tabletu nebo digitizéru - zařízení na snímání souřadnic s velkou pracovní plochou (většinou A3 až A0) a různou rozlišovací schopností a přesností (řádově setiny milimetru). o Metody digitalizace: Bodová kliká se na každém vrcholu, který je třeba zaznamenat. Proudová automaticky se zaznamenává sekvence bodů v zadaném časovém nebo vzdálenostním intervalu. o Postup digitalizace: Definování oblasti (maximální a minimální hodnoty) Registrace mapy (zadání čtyř kontrolních bodů jak numericky, tak digitalizovaně) Vlastní digitalizace mapy. Editace chyb (nespojitosti čar, nedotahy, přetahy, ) o Výhody: cena potřebných zařízení, jednoduchost, relativně dobrá přesnost, možnost oprav o Nevýhody: přesnost limitována na stabilitu vstupního média, dlouhá a únavná práce náchylná k operátorovým chybám. Skenování a vektorizace: o Stále rozšířenější metoda, použití scannerů. o Typy scannerů: Bubnový vysoká cena a přesnost (nad 1000 dpi). Předloha umístěna na rotující buben, snímá ji paralelně se pohybující senzor. Dlouhá doba snímání a vysoká přesnost. Vhodné na fotogrammetrii. Deskový nejběžnější, malá snímatelná plocha (do A2 až A3) méně vhodné pro GIS. Relativně velké rozlišení (kolem 600 dpi). Strana: 3 / 4

67 16 - Geografická data, geografické objekty a jejich základní typy. Zdroje geografických dat. o Posuvný velkoformátový nejpoužívanější v GIS, posouvání dokumentu přes snímací kameru. Nevýhodou je menší přesnost (do 400 dpi). Parametry scanneru: Rozlišení body na palec Přesnost v procentech Barevnost či šedotónnost Atributová data Ruční zadávání nejběžnější. Skenování a rozpoznání textu nutnost kontroly rozpoznaného textu a ruční navázání na prostorová data. Převod z externích zdrojů o Přináší i problémy formát souboru, datové média, měřítko, přesnost, o v ČR např. ZABAGED Metadata Poskytují informace o datech. Měly by obsahovat: co je obsahem dat, rozlišení, formát dat, datum pořízení, kontakt na pořizovatele a správce. Strana: 4 / 4

68 17 Způsoby uchování geografických dat. Datové modely a jejich porovnání. Způsoby prezentace geografických dat resp. výsledků analýz v GIS. 1 uchovávání dat Data se obvykle před uchováním rozdělují na oblasti: Pravidelné (mapové listy). Nepravidelné (mapové listy, zájmové území - katastrální území, území národního parku, ). Seamless (bezešvé). Stále více se prosazuje poslední způsob, tj. bezešvé ukládání dat v databázi a to z důvodů lepší použitelnosti dat pro následné analýzy. 2 Datové modely Geografická data obsahují dva až tři základní typy informací: prostorová informace pozice, tvar a jejich vztah k ostatním objektům, popisná informace (atributová data) další vlastnosti daného objektu např. teplota, typ asfaltu, tloušťka drátu, rok pořízení, typ plynového potrubí časová informace je-li použita, přidává do systému dynamické vlastnosti, např. datum poslední opravy potrubí. 2.1 Prostorová data v analogové podobě jejich reprezentace na mapách Mapové objekty Bod reprezentuje objekty tak malé, že není vhodné je reprezentovat linií i plochou. Body také reprezentují objekty, které nemají žádný rozměr.objekt má dimenzi 0 nelze u něj měřit žádný rozměr. Linie reprezentuje objekty jako řeky, silnice, potrubí, vedení, tedy objekty tak úzké, že je není vhodné reprezentovat plochami nebo také objekty, které nemají definovanou šířku (vrstevnice, ). Objekt s dimenzí 1 lze u něj měřit délku jen v jednom rozměru. Plocha reprezentuje objekty, jejichž hranice uzavírá nějakou homogenní oblast (například jezera, lesy, zastavěná plocha, ). Objekt má dimenzi 2 lze jej měřit ve dvou rozměrech Prostorové vztahy Mapy také graficky reprezentují prostorové vztahy mezi jednotlivými objekty; např. je velice snadné identifikovat všechny silnice vedoucí do daného města, nejkratší cestu z místa nehody do nemocnice tyto informace nejsou explicitní je nutné, aby si je uživatel odvodil z pozice a tvaru jednotlivých objektů_ Popisná informace pomocí symbolů(barvy, typy čar,nápisy) Charakteristika objektu (tj. jeho popisná informace, atribut) je na mapě reprezentována různým grafickým vyjádřením (je-li je komunikace dálnicí,silnicí 1. třídy, polní cestou, ). 2.2 Prostorová data v digitální podobě Pro prostorová data jsou používány převážně 2 modely jejich reprezentace v digitální podobě. Strana: 1 / 6

69 17 Způsoby uchování geografických dat. Datové modely a jejich porovnání. Způsoby prezentace geografických dat resp. výsledků analýz v GIS. vektorový rastrový K těmto dvěma reprezentacím je možno přistupovat buďto vrstvově nebo objektově. 2.3 Vrstvový a objektový přístup k digitálním prostorovým datům Vrstvový přístup Jednotlivá data jsou obvykle organizována v tématických vrstvách (layer, theme, coverage). Tento jednoduchý princip vychází z používaného způsobu při vytváření map v kartografii. I v GIS se ukázal jako velice univerzální a mocný. Reprezentace komplexního světa pomocí jednoduchých tematických vrstev nám snadněji umožňuje zorganizovat a pochopit vztahy mezi jednotlivými jevy. Výhody: možnost vytváření tematických hierarchií, získávání, úpravy a přístup k údajům jsou řešeny specificky pro každou vrstvu, rychlé hledání podle atributu. Nevýhody: přístup k objektu z hlediska více atribut (ležících v několika vrstvách) je pracnější Objektový přístup Dalším způsobem, jak mohou být data organizována je tzv. objektový přístup. Ten je založen na principech objektově orientovaného programování a získává na oblibě hlavně v posledních letech. Jeho hlavní znaky jsou: každý objekt obsahuje geometrii, topologii, tématiku (atributy) a dále i chování (metody), objekty je možné sdružovat do tříd objektů, objekt je pak instancí takovéto třídy, je možné vytvářet hierarchické vztahy mezi objekty (rodič - potomek), atributy a metody je možné dědit (linie -> komunikace -> silnice, železnice). Výhody objektového přístupu je možný hierarchický přístup od shora dolů k individuálním objektům, definování tříd je díky dědičnosti velmi pružné, individuální objekt se velice snadno vyhledává, jednotlivé objekty se umí starat samy o sebe (dálnice ví, že silnice na ni může být připojena jen pomocí nájezdu), objekt jako celek sebou nese všechny informace. Nevýhody: model není ještě tak zažitý jako vrstvový přístup (ten používají téměř všichni), je poměrně náročný na hardware i na personál (implementace objektového GIS je zpočátku mnohem náročnější než pomocí klasického přístupu). 2.4 Princip vektorové reprezentace: Vektorová reprezentace se zaměřuje na popis jednotlivých geografických objekt: Strana: 2 / 6

70 17 Způsoby uchování geografických dat. Datové modely a jejich porovnání. Způsoby prezentace geografických dat resp. výsledků analýz v GIS. Poznámka: Úsečka nebo křivka mezi dvěma body definuje linii (line) v geometrickém smyslu. V GIS se ale křivky nepoužívají moc často (pokud se s nimi setkáme pak spíše v CAD based GIS tedy v GIS velkých měřítek), ale nahrazují se lomenými čárami s použitím mezilehlých bod (vertex) mezi dvěma koncovými body/uzly (points, nodes). Níže uvedené geometrické prvky jsou základním stavebním prvkem ve vektorové reprezentaci. Pomocí nich lze reprezentovat složitější typy objekt. Bod (Point) je definován souřadnicemi v prostoru. Dále může obsahovat informaci o jeho napojení v linii (nenapojený / mezilehlý bod / koncový bohužel). Jeho dimenze je 0 Linie (Line), též někdy oblouk (arc), je definována jako sekvence sousedících úseček, napojujících se v mezilehlých bodech (vertexes). Jejím topologickým ekvivalentem je hrana. Její dimenze je 1. Řetězec linií (PolyLine) je element, který splňuje následující podmínky: každá linie (hrana) je v řetězci linií jen jednou kromě prvního a posledního uzlu v řetězci, se ostatní uzly vyskytují přesně ve dvou liniích (hranách), příslušných řetězců. pokud se i první a poslední uzel vyskytuje ve dvou liniích/hranách, je tento řetězec uzavřený. Jeho dimenze je 1. Plocha (area) v geometrickém smyslu je definována jako uzavřená linie nebo řetězec linií tzn. že první a poslední uzel jsou identické. Její dimenze je 2. Povrch (surface) je plocha s přiřazenými hodnotami v každém jejím bodě, tedy i v bodech vnitřních (např. nadmořská výška); má dimenzi 2.5 Posledním objektem je objem volume má dimenzi 3, ale zatím se moc nepoužívá, jelikož práce s tímto objektem velice náročná na výpočetní výkon a pro většinu aplikací vystačíme s předchozími geometrickými prvky. Princip rastrové reprezentace Na rozdíl od vektorové reprezentace se rastrová reprezentace zaměřuje na danou lokalitu jako celek. Většinou je používána pro reprezentaci spojitě se měnících jevů jako například digitální model reliéfu (DMR) či rozložení teploty. Základním stavebním prvkem je u rastrové struktury tzv. buňka (cell). Buňky jsou organizovány do tzv. mozaiky. Jednotlivé buňky obsahují hodnoty (values) zastupující zkoumanou lokalitu. Typy tvarů buňek: čtvercová buňka trojúhelníková buňka hexagonální buňka Nejčastěji se používá čtvercová mřížka speciální typ mozaiky, protože: Strana: 3 / 6

71 17 Způsoby uchování geografických dat. Datové modely a jejich porovnání. Způsoby prezentace geografických dat resp. výsledků analýz v GIS. je kompatibilní s datovými strukturami programovacích jazyk používaných pro tvorbu GIS software je kompatibilní s mnoha zařízeními pro vstup a výstup dat (monitory, scannery, plottery), je kompatibilní s kartézským souřadnicovým systémem Trojúhelníková mozaika, má tu unikátní vlastnost, že jednotlivé buňky nemají stejnou orientaci, což je výhoda při reprezentování digitálního modelu reliéfu (terénu), kde je každému vrcholu o souřadnicích x, y přiřazena funkční hodnota z (výška z = f (x,y)). Jednotlivé trojúhelníky pak implicitně obsahují údaje o svém sklonu a směru tohoto sklonu. Daní za tuto vlastnost je mnohem větší složitost všech algoritmů pracujících s tímto modelem. Hexagonální mozaika má tu výhodu, že středy všech sousedních buněk jsou ekvidistantní (stejně od sebe vzdálené), což je výhodné pro některé analytické funkce (např.: paprskové vyhledávání). Ve čtvercové mřížce je toto nemožné a tato vlastnost se musí kompenzovat nebo se prostě zanedbává. Tento tvar buňky se používá jen velmi zřídka. Dále můžeme rastrovou reprezentaci rozlišit podle způsobu dělení prostoru na: pravidelné (regular) všechny buňky mají stejnou velikost a tvar nepravidelné (irregular) - velikost i tvar jednotlivých buňek se liší. Výhody a nevýhody: Pravidelné jsou mnohem jednodušší pro ukládání a zpracování údajů, zabírají ovšem na disku mnoho místa. Nepravidelné mohou mnohem lépe reprezentovat danou lokalitu (příklad roviny a na konci trochu kopců), jejich zpracovávání je však algoritmicky i výpočetně náročné. Výhody vysoká polohová přesnost objekt grafický výstup je blízký klasickým mapám vhodné pro reprezentaci relativně malý objem uložených údaj vhodný pro kartografické výstupy Výhody jednoduchost datové struktury jednoduchá kombinace s údaji DPZ, fotogrammetrie jednoduché vykonávání analytických operací vhodnost pro modelování a simulace Vektorový model Nevýhody komplikovanost datové struktury složitost výpočtů při analytických operacích časově náročné vytváření topologie špatně reprezentují spojité povrchy nevhodnost pro prostorové modelování a simulace Rastrový model Nevýhody velký objem uložených údaj přesnost závislá na velikosti buňky menší vizuální kvalita kartografických výstup nevhodnost pro analýzy sítí Strana: 4 / 6

72 17 Způsoby uchování geografických dat. Datové modely a jejich porovnání. Způsoby prezentace geografických dat resp. výsledků analýz v GIS. pro transformace je třeba speciálních algoritmů a výkonný hardware 2.5 Hybridní datové modely Vzhledem k tomu, že jak vektorové, tak ani rastrové modely nelze výhradně použít k reprezentaci všech sledovaných jevů, byly vytvořeny modely začleňující vlastnosti obou dvou struktur. Jedním z nich je i koncept duálních dat. Základní, velice jednoduchou, myšlenkou je uložení dat jak ve vektorovém, tak i v rastrovém datovém modelu zároveň. Veškeré analytické operace je pak možné provést bez neustálých zdlouhavých a unavujících konverzí mezi vektorem a rastrem. Hlavní problém tohoto přístupu spočívá v nalezení způsobu zamezení veliké redundance. Bohužel, zatím ještě nebyla nalezena uspokojivá odpověď na tuto otázku, a proto se mnoho komerčních výrobců přiklání k udržování dvou oddělených datových modelů s rizikem uložení jedné informace dvakrát. 3 Způsoby prezentace geografických dat Posledním typem základních operací v GIS je vizualizace geografických dat a tvorba výstupu z databáze GIS. Tento proces slouží k převodu dat z digitální formy (databáze GIS) zpět do analogové, člověku čitelné formy (mapy, grafy, tabulky, zprávy). Nejčastějším výstupem jsou mapy. GIS zde slouží jako prostředek digitální kartografie (Computer Aided Cartography - CAC). Jako takový poskytuje obvykle následující nástroje, sloužící k automatizování tvorby mapy: Tvorba tématických map. Tvorba kartogramů, diagramů a grafů vzhledem k poloze, které se týkají. Užívaní statistických metod pro zpracování hodnot atributových vlastností grafických objektů a jejich využití při grafické reprezentaci daného objektu. Automatické generování legendy. Automatické generování měřítka, směrové růžice, rámu, zeměpisné/kilometrové sítě. Prostředky pro automatizaci tvorby symbolů a popisu (anotace) spolu s řešením kolizí. Mezi další typy analogových výstupů patří např. grafy, tabulky, zprávy Vlastní vizualizace pak probíhá na dvěma způsoby, v závislosti na použitém hardware. Interaktivní vizualizace monitory. Neinteraktivní vizualizace - plottery/tiskárny/další. 3.1 Neinteraktivní vizualizace Začneme neinteraktivní vizualizací tiskárny zde nebudeme zmiňovat, platí pro ně většina věcí co pro plottery. Mezi další zařízení patří např. osvitové jednotky. Plottery jsou to zařízení pro tvorbu tiskových výstup na velké formáty.jejich velikosti jsou obvykle od A2 po A0 (na šířku). Velikost výstupů je pak omezena pouze šířkou mohu snadno tisknout výstupy široké 1 metr a dlouhé relativně neomezen (záleží na velikosti paměti plotteru, SW a délce papíru). Existují dva nejběžnější druhy plotterů perové a inkoustové. Perové (dnes se v GIS již téměř nepoužívají), kde je výstup tvořen pomocí několika per o různých barvách, které jsou pomocí mechanických převodů posouvány. Existují Strana: 5 / 6

73 17 Způsoby uchování geografických dat. Datové modely a jejich porovnání. Způsoby prezentace geografických dat resp. výsledků analýz v GIS. dva typy statický (papír se neposouvá, pera se posouvají v horizontálním i vertikálním směru), druhý je posuvný (papír se posouvá vertikálně, pera horizontálně). Z principu tisku je jasné, že jsou určeny pouze pro vektorové kresby. Jejich rozlišení se pohybuje kolem desetiny milimetru. Využívají se v CAD. Inkoustové, kde je místo per nasazena tisková hlava, ve které probíhá míchání barev a tisk pomocí různých metod (inkjet, bubblejet, ). Tyto plottery jsou v podstatě velkoformátové tiskárny (pracují na stejném principu jako běžné tiskárny), ale z historických důvodů se jim říká plottery, někdy také umí emulovat perové plottery (pak se tisková hlava chová jako pero). Na rozdíl od perových však umí inkoustové tisknout i rastry. Jejich rozlišení se také uvádí v jednotkách používaných při rastrových tiscích běžně 360 a 720 dpi. 3.2 Interaktivní vizualizace S rozvojem počítačů došlo i k rozvoji používání GIS interaktivním způsobem. Díky složitosti klasických GIS bylo nutné vytvořit nové jednoduší produkty, které byly zamčené na interaktivní práci a vizualizaci GIS dat. Z ojedinělých produktů se pak rozvinula celá oblast Desktop Mapping (např. ArcView 3.x, Geomedia, ). Tyto produkty se podílejí nezanedbatelným způsobem celkových tržbách z prodeje GIS SW a pomáhají přiblížit technologii GIS i laické veřejnosti. Oproti klasickým mapám mají tu výhodu, že vždy dostanete to, co sami požadujete nemusíte se zabývat nadbytečnými informacemi jako v mapě. Další výhodou je přímé propojení Desktop Mapping produktů s jinými informačními systémy jako jsou ERP (SAP), Microsoft Office i dalšími Windows aplikacemi. V poslední době i velké GIS získávají také interaktivní vizualizační prostředí, např. ArcGIS 8.x.Na tento trend navazuje v poslední době i Mapping on Internet, který využívá pro přístup k GIS informacím běžného prostředku pro komunikaci WWW prohlížeče a tedy otevírá GIS nejširšímu publiku (tzv. publikace GIS dat). Princip vychází z architektury klient/server, stejně jako u běžných WWW stránek, nicméně na straně serveru je nutný navíc tzv. aplikační server, který vhodným způsobem komunikuje s Internetovým serverem. Strana: 6 / 6

74 18 Rastrová a vektorová reprezentace geografických dat. Její varianty, možnosti, výhody a nevýhody. 1 Princip vektorové reprezentace: Vektorová reprezentace se zaměřuje na popis jednotlivých geografických objekt: Poznámka: Úsečka nebo křivka mezi dvěma body definuje linii (line) v geometrickém smyslu. V GIS se ale křivky nepoužívají moc často (pokud se s nimi setkáme pak spíše v CAD based GIS tedy v GIS velkých měřítek), ale nahrazují se lomenými čárami s použitím mezilehlých bod (vertex) mezi dvěma koncovými body/uzly (points, nodes). Níže uvedené geometrické prvky jsou základním stavebním prvkem ve vektorové reprezentaci. Pomocí nich lze reprezentovat složitější typy objekt. Bod (Point) je definován souřadnicemi v prostoru. Dále může obsahovat informaci o jeho napojení v linii (nenapojený / mezilehlý bod / koncový bohužel). Jeho dimenze je 0 Linie (Line), též někdy oblouk (arc), je definována jako sekvence sousedících úseček, napojujících se v mezilehlých bodech (vertexes). Jejím topologickým ekvivalentem je hrana. Její dimenze je 1. Řetězec linií (PolyLine) je element, který splňuje následující podmínky: každá linie (hrana) je v řetězci linií jen jednou kromě prvního a posledního uzlu v řetězci, se ostatní uzly vyskytují přesně ve dvou liniích (hranách), příslušných řetězců. pokud se i první a poslední uzel vyskytuje ve dvou liniích/hranách, je tento řetězec uzavřený. Jeho dimenze je 1. Plocha (area) v geometrickém smyslu je definována jako uzavřená linie nebo řetězec linií tzn. že první a poslední uzel jsou identické. Její dimenze je 2. Povrch (surface) je plocha s přiřazenými hodnotami v každém jejím bodě, tedy i v bodech vnitřních (např. nadmořská výška); má dimenzi 2.5 Posledním objektem je objem volume má dimenzi 3, ale zatím se moc nepoužívá, jelikož práce s tímto objektem velice náročná na výpočetní výkon a pro většinu aplikací vystačíme s předchozími geometrickými prvky. 1.1 Základní typy vektorových datových modelů, popisy jejich struktur Vektorové datové struktury jsou založeny na jednotlivých bodech, u kterých je přesně_ známa poloha. Tyto body využívají primitiva, jako jsou body a linie, k popisu složitějších objektů. Existuje mnoho modelů určených k reprezentaci geografických objektů pomocí vektorové grafiky, které se liší jak ve složitosti struktury, tak i v možnostech využívání topologických vztahů. Strana: 1 / 6

75 _ 18 Rastrová a vektorová reprezentace geografických dat. Její varianty, možnosti, výhody a nevýhody Špagetový model Tento model patří mezi nejjednodušší. Princip vychází z digitalizace map, kde se každý objekt na mapě reprezentuje jedním logickým záznamem v souboru a je definovaný jako řetězec x,y souřadnic. Nevýhoda spočívá v tom, že ačkoli jsou všechny objekty v prostoru definovány, struktura neposkytuje informace o vztazích mezi objekty, odtud také pochází název Špagetový, je to soubor řetězců souřadnic nemající žádnou logickou strukturu. Další nevýhodou je způsob uložení sousedících polygonů. Společná linie je totiž ukládána dvakrát, pro každý polygon zvlášť. Pro většinu prostorových analýz je tento model nevhodný, jelikož veškeré potřebné prostorové vztahy musí být spočítány před každou analýzou. Nicméně neexistence prostorových vztahů činní tento model atraktivním pro použití v jednodušších CAC (Computer Assisted Cartography počítačová kartografie) systémech, kde je díky jednoduchosti velice výkonný Základní topologický model Jedním z nejpoužívanějších modelů uchovávajících prostorové vztahy mezi objekty je topologický model. Každá linie začíná a končí v bodě nazývaném uzel - node. Dvě _ linie se mohou protínat opět jenom v uzlu. Každá část linie je uložena s odkazem na uzly a ty jsou uloženy jako soubor souřadnic x,y. Ve struktuře jsou ještě uloženy identifikátory označující pravý a levý polygon vzhledem k linii. Tímto způsobem jsou zachovány základní prostorové vztahy použitelné pro analýzy. Navíc tato topologická informace umožňuje aby body, linie a polygony byly uloženy v neredundantní podobě. Jak špagetový, tak topologický formát mají velikou nevýhodu v naprosté neuspořádanosti jednotlivých záznamů. K vyhledání určitého liniového segmentu je třeba sekvenčně projít celý soubor. K vyhledání všech linií ohraničující polygon je třeba tento soubor projít několikrát! Strana: 2 / 6

76 18 Rastrová a vektorová reprezentace geografických dat. Její varianty, možnosti, výhody a nevýhody Hierarchický model Tento model odstraňuje neefektivnost při vyhledávání v jednodušším topologickém modelu pomocí ukládání v logicky hierarchické podobě. Vzhledem k tomu, že polygony se skládají z linií, které odpovídají jejich hranicím, a linie se skládají ze souboru bodů, jsou do modelu zahrnuty odkazy mezi jednotlivými druhy objektů (polygony, liniemi a body). Tyto odkazy pak umožňují mnohem snadnější vyhledávání jednotlivých objektů než v případě topologického modelu. Hierarchický model obvykle také obsahuje topologickou informaci. Roli stavebního kamene zde, stejně jako v případě topologického modelu, hrají body. Řetězce linií jsou složeny z jednotlivých úseček, které jsou definovány jako seřazená množina vrchol _ -vertices o souřadnicích x,y. Důležitou roli pak hrají uzly (nodes), což jsou body vyskytující se na konci, na začátku a v místech, kde se jednotlivé linie protínají. Polygony jsou definovány jako plochy úplně ohraničené pomocí řetězců linií. 2 Princip rastrové reprezentace Na rozdíl od vektorové reprezentace se rastrová reprezentace zaměřuje na danou lokalitu jako celek. Většinou je používána pro reprezentaci spojitě se měnících jevů jako například digitální model reliéfu (DMR) či rozložení teploty. Základním stavebním prvkem je u rastrové struktury tzv. buňka (cell). Buňky jsou organizovány do tzv. mozaiky. Jednotlivé buňky obsahují hodnoty (values) zastupující zkoumanou lokalitu. Typy tvarů buňek: čtvercová buňka trojúhelníková buňka hexagonální buňka Nejčastěji se používá čtvercová mřížka speciální typ mozaiky, protože: je kompatibilní s datovými strukturami programovacích jazyk používaných pro tvorbu GIS software Strana: 3 / 6

77 18 Rastrová a vektorová reprezentace geografických dat. Její varianty, možnosti, výhody a nevýhody. je kompatibilní s mnoha zařízeními pro vstup a výstup dat (monitory, scannery, plottery), je kompatibilní s kartézským souřadnicovým systémem Trojúhelníková mozaika, má tu unikátní vlastnost, že jednotlivé buňky nemají stejnou orientaci, což je výhoda při reprezentování digitálního modelu reliéfu (terénu), kde je každému vrcholu o souřadnicích x, y přiřazena funkční hodnota z (výška z = f (x,y)). Jednotlivé trojúhelníky pak implicitně obsahují údaje o svém sklonu a směru tohoto sklonu. Daní za tuto vlastnost je mnohem větší složitost všech algoritmů pracujících s tímto modelem. Hexagonální mozaika má tu výhodu, že středy všech sousedních buněk jsou ekvidistantní (stejně od sebe vzdálené), což je výhodné pro některé analytické funkce (např.: paprskové vyhledávání). Ve čtvercové mřížce je toto nemožné a tato vlastnost se musí kompenzovat nebo se prostě zanedbává. Tento tvar buňky se používá jen velmi zřídka. Dále můžeme rastrovou reprezentaci rozlišit podle způsobu dělení prostoru na: pravidelné (regular) všechny buňky mají stejnou velikost a tvar nepravidelné (irregular) - velikost i tvar jednotlivých buňek se liší. Výhody a nevýhody: Pravidelné jsou mnohem jednodušší pro ukládání a zpracování údajů, zabírají ovšem na disku mnoho místa. Nepravidelné mohou mnohem lépe reprezentovat danou lokalitu (příklad roviny a na konci trochu kopců), jejich zpracovávání je však algoritmicky i výpočetně náročné. 2.1 Kompresní techniky používané pro ukládání pravidelných rastr _ Uložení rastrových dat je velice náro né na prostor a má vysoké režijní náklady. Velikost dat záleží na rozloze představované oblasti a na rozlišení bodu, ale vůbec nezávisí na obsahu. Pro zmenšení náro nosti je nutné zavést více účinné způsoby uložení, hlavně pro reprezentaci řídce rozptýlených bodů. Se zavedením kompresních technik se však pro operace využívající okolí zpracovávaného bodu musí data nejdříve dekódovat a až pak je možné data zpracovat. Nejenom z tohoto důvodu se kompresní techniky většinou užívají jen pro ukládání dat na disk a pro vlastní zpracování v paměti je k reprezentaci užívána dvourozměrná matice Metoda délkových kód (Run Lenght Encoding - RLE) RLE je jedna z technik odstraňující neefektivnost uložení rastrových dat pomocí matic. Využívá vlastnosti, že mnoho dat obsahuje rozsáhlé homogenní objekty, reprezentované velkým množstvím pixelů. Místo uchovávání hodnot každého bodu, run lenght encoding organizuje řádku pixelů o stejné hodnotě do skupiny a tu potom ukládá ve formě (počet hodnota). Uvažujme následující rastrová data Při použití techniky RLE dostaneme datovou strukturu, kde jsou původní data nahrazena páry skládající se z počtu opakujících se pixelů stejné hodnoty za sebou a vlastní hodnoty pixelu. Strana: 4 / 6

78 18 Rastrová a vektorová reprezentace geografických dat. Její varianty, možnosti, výhody a nevýhody. Podle našeho příkladu se tedy první čtyři pixely o hodnotě 1 ze tvaru ( ) zakódují do (4 1). Celý zakódovaný řádek vypadá následovně. (4 1) (2 5) (7 9) (1 2) (3 9) Jak si je možné všimnout, pixel o hodnotě 2 je zakódován jako (1 2), tudíž místo komprese nastala expanze jednoho elementu do dvou. Díky této vlastnosti není RLE technika vhodná pro data s častými změnami v průběhu. V nejhorším případě, když neexistují žádné úseky se stejnými hodnotami, se po zakódování dat zvětší velikost dvakrát. Z tohoto důvodu se používají současně s RLE i jiné techniky komprese Kódování úseků řádků (Run Length Codes RLC) RLC je metoda komprese, která definuje příslušnost buněk rastru k objektu po řádcích nebo sloupcích, přičemž se udává jen začátek a konec úseku buněk v systému řádků a sloupců, které mají uloženou stejnou hodnotu Čtyřstrom (QuadTree) QuadTree je zástupcem hierarchických rastrových struktur. Využívá model rozděl a panuj tak, že dělí prostor do kvadrantů, které jsou opět rozděleny do dalších čtyř kvadrantů, až do doby, kdy kvadrantu odpovídá homogenní oblast. Tato struktura vytváří strom s uzly reprezentujícími heterogenní enní oblasti a listy oblasti se stejnou hodnotou. Na obrázku je uveden rastrový obraz a jemu odpovídající strom. Nevýhodou QuadTree struktury je, že není invariantní s operacemi translace, rotace a změna měřítka. Tento problém se ale týká všech hierarchických ckých modelů reprezentace rastrových dat využívajících dělení prostoru. Strana: 5 / 6

79 18 Rastrová a vektorová reprezentace geografických dat. Její varianty, možnosti, výhody a nevýhody Adaptivní komprese Adaptivní komprese rastrových dat využívá vlastnosti, že data jdou rozdělit do bloků a ty lze zakódovat pomocí metody s nejvyšší účinností. Takový způsob má výhodu v tom, že nedochází ke zbytečnému nárůstu režijních nákladů pro jakákoli data, jak tomu je v případě RLE a částečně i QuadTree. Výhody vysoká polohová přesnost objekt grafický výstup je blízký klasickým mapám vhodné pro reprezentaci relativně malý objem uložených údaj vhodný pro kartografické výstupy Výhody jednoduchost datové struktury jednoduchá kombinace s údaji DPZ, fotogrammetrie jednoduché vykonávání analytických operací vhodnost pro modelování a simulace Vektorový model Nevýhody komplikovanost datové struktury složitost výpočtů při analytických operacích časově náročné vytváření topologie špatně reprezentují spojité povrchy nevhodnost pro prostorové modelování a simulace Rastrový model Nevýhody velký objem uložených údaj přesnost závislá na velikosti buňky menší vizuální kvalita kartografických výstup nevhodnost pro analýzy sítí pro transformace je třeba speciálních algoritmů a výkonný hardware Strana: 6 / 6

80 19 Metody analýzy geografických dat. Analýza založená na topologických informacích. Na jaké otázky nám analýza dává odpověď? Co se nachází na? Kde se nachází? Jaký je počet? statistické otázky. Co se změnilo od? Co je příčinou? kůrovec a lesy, rakovina a ovzduší, Co když? modelování (co když havaruje kamion s naftou a ta vyteče, Co když bude pršet povodeň) Metody analýz: měřící funkce, geografické analýzy, nástroje na prohledávání databáze, topologické překrytí, mapová algebra, vzdálenostní analýzy, analýzy sítí, analýzy modelu reliéfu, Statistické analýzy, analýzy obraz Měřící funkce Systémy poskytují funkce na měření vzdálenosti a ploch. Také umí využívat efektivně různé délkové jednotky, případně mezi nimi provádět převody. Při měření je potřeba si dát pozor na zobrazení: Konformní nedochází ke zkreslení úhlu Ekvivalentní nedochází ke zkreslení úhlu Ekvidistantní v určité soustavě křivek nezkreslují délky ve směru určité soustavy křivek(většinou ve směru poledníků,rovnoběžek, případně jiných křivek) Kompenzační dochází k deformaci všech geometrických prvků (úhlů, délek i ploch), ale deformace není extrémní. Při projektech v malém měřítku má také vliv na měření zakřivení zemského povrchu. Tudíž dnes se uvažuje i tento faktor. Dotazy nad databází (prohledávání databáze) Zde se vybírají údaje, které odpovídají specifickému kritériu nebo podmínce. Obsahuje 3 hlavní údaje, a to: Strana: 1 / 5

81 19 Metody analýzy geografických dat. Analýza založená na topologických informacích. o specifikace údajů, kterých se týká o Formulace podmínek, kterým musí údaje vyhovovat o Instrukci co se má na vybraných údajích vykonat Tedy má tvar vyber z údaj typu T takové, které vyhovují podmínce P a vykonej na nich operaci O. Dotazy dále dělíme na skupiny: Atributové dotaz typu které geografické objekty(lokality) mají definovanou vlastnost Prostorové dotaz typu co se nachází na tomto místě, co se nachází v této oblasti. Kombinované dotaz typu které objekty splňují definovanou vlastnost a zároveň se nacházejí v nějaké oblasti Atributové dotazy Lze je uskutečnit různými způsoby. První způsob spočívá v identifikaci jednotlivého objektu na základě jeho jména, označení či jiného atributu. Častěji se ale používá druhý způsob, který spočívá ve vyhledávání všech objektů splňující intervalové a logické podmínky jednoho nebo více atributů. Pro vyhledávání intervalových podmínek je možné použít operátorů <,>,=,<=,>=,<>(!=). Intervalové podmínky lze kombinovat pomocí logických operátorů (AND, OR, NOT) využívajících pravidel booleovské logiky. K definování podmínky se nejčastěji používá jazyk MySql. Příklad atributového dotazu: vrstva silnice, máme dva atributy typ (I, II, D, o) a počet pruhů (1,2). Hledáme všechny silnice, které jsou typu I a mají dva jízdní pruhy. SELECT * FROM SILICE WHERE TRIDA_SIL= 1 and J_PRUHY=2 Rozdíly vektorové a rastrové reprezentace: U vektorové reprezentace se zpracovávají údaje atributových tabulek připojených k jednotlivým vektorovým objektem. U rastrové se zpravidla zpracovávají údaje uložené v buňkách jednotlivých vrstev (není to ale podmínka, i u rastrových reprezentací je možné mít připojené atributové tabulky). Prostorové dotazy: Opět jdou uskutečnit dvěma základními způsoby. První spočívá v identifikaci geografického objektu na základě jeho souřadnic, a to buď ručně (zadáním souřadnic) nebo interaktivně (ukázáním na objekt myší). Druhý způsob spočívá v prohledávání prostoru různých geometrických tvarů (obdélníky, kružnice, polygony, linie). Strana: 2 / 5

82 19 Metody analýzy geografických dat. Analýza založená na topologických informacích. Rozdíly vektorové a rastrové reprezentace: - U vektoru je vždy vybrán celý objekt, u rastrů je vybírána vždy konkrétní buňka či skupina buněk. Kombinované dotazy Jak atributové tak prostorové dotazy pracují pouze s jednou informační vrstvou. Kombinované dotazy umožňují práci i s více vrstvami (či množinou objektů), tudíž je zde opět možnost propojovat je pomocí operátorů Booleovské logiky, podobně jako u atributových dotazů. Kombinované dotazy také zčásti používají topologické překrývání vrstev. Příkladem by bylo: Najdi všechna sídla, která jsou ve vzdálenosti do 5Km od dálnice. Zde se musí nejdříve udělat dotaz atributový a pak prostorový. Obecně se dotazování dvou nebo více informačních vrstev nazývá se označuje jako topologické překrytí (overlay) těchto vrstev. Dříve řešeno překrytím dvou map na průhledných fóliích. Stejný problém se v gis řeší pomocí základních algoritmů počítačové grafiky (test bodu v polygonu, hledání průsečíku dvou objektů, ořezávání). Výsledkem postupu je pak identifikace nových objektů, které mají kombinace vlastností objektů ze zdrojových informačních vrstev. Z procesu topologického překrytí vznikají nové vrstvy (objekty), kterým jsou přiřazeny také atributy. Tím se topologické překrytí liší od prostorových dotazů, kde žádné nové vrstvy nevznikají. Speciálním případem topologických operací jsou: CLIP a ERASE, UPDATE a SPLIT, které mají tu vlastnost, že atributy nejsou spojovány, ale přijímány ze vstupní vrstvy (jedna vrstva je vždy vstupní a druhá na ní provádí výše uvedené operace). CLIP ořízne vstupní vrstvu pomocí definovaných polygonů v druhé vrstvě. ERASE opak CLIP odstraní části vstupní vrstvy pomocí polygonů definovaných v druhé vrstvě. SPLIT rozdělí vstupní vrstvu na části pomocí hranic definovaných polygony v druhé vrstvě. UPDATE vyjme tu část vstupní vrstvy, která bude aktualizována druhou vrstvou a místo ní vloží prvky z druhé vrstvy. Obrazová část: Strana: 3 / 5

83 19 Metody analýzy geografických dat. Analýza založená na topologických informacích. Mapová algebra Využívá se u rastrových reprezentací. Ten je určen výhradně pro ně a umožňuje kombinovat rastrové vrstvy pomocí různých matematických operací. Tyto matematické operace se vykonávají buď na jedné nebo na dvou (i více) vrstvách a jejich výstupem je vždy nová vrstva, kterou je možno využívat i v dalších analýzách. Nástroj mapové algebry je možné využívat pomocí speciálního jazyka (jazyka mapové algebry), což je jednoduchý programovací jazyk navržený speciálně pro popis analýz prostorového modelování nad rastrovou reprezentací. Strana: 4 / 5

84 19 Metody analýzy geografických dat. Analýza založená na topologických informacích. Mapová algebra používá objekty, činnosti a kvalifikátory činností. Objekty rastry, tabulky, konstanty.... slouží k uložení informací, nebo jsou to vstupní hodnoty. Činnosti jsou to příkazy jazyka. Operátory a Funkce, které se dělí na lokální(na individuální buňce), fokální(v definovaném okolí), zonální(na specifické oblasti), globální(používají se všechny buňky informační vrstvy). Kvalifikátory řídí jak a kde se vykoná činnost. Z hlediska počtu zpracovávaných vrstev se operace mapové algebry dělí na operace s jednou nebo více vrstvami. Na jedné vrstvě jsou to skalární operace jako je připočítávání konstanty, umocňování. Na více vrstvách jsou to pak operace jako sčítání vrstev, které se vykonávají s prostorově si odpovídajícími buňkami. Strana: 5 / 5

85 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 20. VZDÁLENOSTNÍ ANALÝZY V GIS. VÁŽENÁ VZDÁLENOST A JEJÍ VYUŽITÍ. Nejpoužívanějším nástrojem vzdálenostní analýzy je tvorba obálky (bufferu), což spočívá ve vektorové reprezentaci ve vytvoření polygonů v určené vzdálenosti kolem bodů, linií a polygonů. Vytvořené polygony jsou uloženy jako standardní vrstva s definovanou topologií, tudíž je možné je používat v analýzách topologického překrytí. U rastrové reprezentace: Všechny buňky, které jsou od daného objektu v menší vzdálenosti než definovaná budou označeny. Často se v rastrové datové struktuře dělá analýza okolí tak, že se spočítá vzdálenost každé buňky od požadovaného objektu a ta vzdálenost se uloží do nové vrstvy.tato analýza se často nazývá nalezení vzdálenosti (find distance). Analýzy sousedství Taktéž patří mezi analýzy sousedství. Ty spočívají v tom, že se vytvoří individuální plochy kolem každého ze vstupních bodů, které definují příslušnost dané lokality k nejbližším z objektů. Pro vlastní výpočet se používá metody Thiessenových polygonů nebo Voronoi diagramy, což jsou duální funkce k triangulaci. Funkci analýza sousedství lze provádět jak v rastrové tak ve vektorové podobě. Strana: 1 / 5

86 MULTIMÉDIA A INFORMAČNÍ SYSTÉMY 20. VZDÁLENOSTNÍ ANALÝZY V GIS. VÁŽENÁ VZDÁLENOST A JEJÍ VYUŽITÍ. Vážená vzdálenost Tato metoda hledá nejméně nákladnou cestu z každé buňky do nejlevnějšího z objektů. Vychází z analýzy okolí u rastrové reprezentace(každá buňka má přiřazenou vzdálenost od požadovaného objektu). Problémem bylo, že v běžných analýzách není brán v potaz vliv okolí, vše je měřeno vzdušnou čarou za ideálních podmínek. Reálná vzdálenost ale neodpovídá vzdálenosti vzdušnou čarou má na ni vliv převýšení terénu, do kopce to stojí více jak z kopce. Když proti mě bude foukat vítr taktéž spotřebuji více paliva.tyto faktory lze do analýz zavést pomocí vážené vzdálenosti. Jedním z nich může být faktor terénního reliéfu, který převádí rovinnou vzdálenost mezi buňkami na vzdálenost po reliéfu (terénní vzdálenost). Pro jeho výpočet jsou potřebné údaje o DMR. Dalším je vertikální faktor (stupňovitý). Ten bere v úvahu vliv gradientu (převýšení) mezi dvěma sousedními buňkami na to jak náročné bude překonání vzdálenosti mezi jejich středy. Sklon, teplotní pole, koncentrace částic, to jsou všechno faktory, které určují gradient mezi dvěma sousedními buňkami a působí na rychlosti pohybu, teplotní proudění nebo disperzi částic. Vertikální faktor se na rozdíl od terénního liší ve směru (z A do B je jiný než z B Strana: 2 / 5