Moderní multimediální elektronika (U3V) Prezentace č. 1 Moderní multimediální elektronika - úvod Prof. Ing. Václav Říčný, CSc. Ústav radioelektroniky, FEKT VUT v Brně
Moderní multimediáln lní elektronika úvod 1 Co jsou to vlastně multimedia? Základní pojmy - terminologie medium v obecné informatice značí nosič informace, pomocí něhož se uskutečňuje její zpracování, přenos nebo záznam. V teleinformační terminologii často označuje formu informace - např. text, grafiku, řeč, hudbu (obecně audio), obraz statický (např. fotografie) i dynamický (videosekvence slangově video), multimedia pojem zahrnující více typů informací současně, multimediální systém - systém (i zařízení) pro vytváření, zpracování, přenos nebo záznam multimediálních informací dnes prakticky pouze v digitální formě, multimediální aplikace režim multimediálního systému, kterým se realizuje zpřístupnění multimediální informace uživateli (např. divákovi). V telekomunikační terminologii se nazývá multimediální služba.
2 Základní principy digitalizace Základní pojmy spojitý (analogový) signál - signál, který probíhá v čase nepřetržitě a dosahuje teoreticky libovolných hodnot (např. audio signál, video signál aj.). Tento signál se někdy nazývá také zdrojový signál, číslicový (digitální) signál - signál je representován sekvencí binárních čísel (0,1), která vyjadřují hodnotu pravidelně se opakujících krátkých vzorků původního spojitého signálu (množina čísel a tedy i počet úrovní signálu je omezen např. pro videosignál na PÚ = 256 úrovní (m = 8) PÚ = 2 8 = 256, digitalizace proces přeměny spojitého signálu do číslicové (digitální) formy, digitizér technické zařízení pro digitalizaci. Obecné blokové schéma digitizéru Různé typy vzorkování Kmitočet f max vzorkování musí splňovat Shannon-Kotelnikovův teorémf vz 2f max f max je nejvyšší kmitočet ve spektru spojitého signálu omezený dolní propustí
Přechod od spojitého (analogového) k číslicovému (digitálnímu) signálu Při kódování s lineárním kvantováním, platí pro celkovou přenosovou (bitovou) rychlost R digitálního signálu vztah R = f vz. m 2 f max.m. Např. pro monochromatický (černobílý) obrazový signál je f max = 8.10 6 Hz a m = 8 Pro 256 kvantovacích úrovní je 2 m = 2 8 = 256). Potom R 2. 8.10 6. 8 = 128 Mbit/s.
Výhody digitálních signálů ve srovnání s analogovými signály - velká odolnost vůči nelineárním zkreslením a kolísání útlumu přenos. kanálu, šumovým signálům aj., - možnost kvalitního digitálního záznamu (nezávislého na počtu kopií) na různá media, včetně polovodičových pamětí, - možnost užití účinných nespojitých modulačních metod pro přenos, - možnost počítačového zpracování a kompenzace zkreslení, - možnost užití účinných kompresních algoritmů pro redukci objemu digitálních dat a bitové rychlosti přenosu a tím lepší využití přenosového kanálu, - snazší ochrana digitálních dat proti zkreslení, ale i nežádoucímu příjmu, Nevýhody digitálních signálů ve srovnání s analogovými signály - vznik nových systémových zkreslení při digitalizaci (např. kvantizační brum). Kvalita přenášené informace (např. obrazu) tedy nemůže být lepší než kvalita původní spojité informace za předpokladu kvalitního přenosového kanálu (např. kabelový rozvod), - výrazné zvýšení potřebné šířky kmitočtového pásma přenosového kanálu při přenosu nekomprimovaných digitálních signálů. Díky účinným kompresním algoritmům však ve skutečnosti lze přenosovým kanálem přenášet podstatně větší objem informací než v případě analogových zdrojových signálů. Např. TV přenosovým kanálem 8 MHz lze přenášet až pět digitální televizních programů ve srovnání s jedním analogovým.
Vliv prostorového rozlišení na kvalitu obrazu prostorové rozlišení je dáno počtem obrazových bodů (pixel - Picture-Element) v obraze. Jeho zvětšování odpovídá větší objem D digitálních dat a u videosekvencí vyšší požadavky na přenosovou (bitovou) rychlost R. D [bitů] = N. m = H. V. m nebo R [bitů/s] = D. s (počet snímků/s) kde značí: H,V.šířku a výšku obrazu, m bitová reprezentace jednoho pixelu. Např. pro nekomprimovaný záznam dvouhodinového barevného filmu (7200 s) digitalizovaného dle doporučení CCIR ITU R 601 (824 x 625 pixelů, m = 8 bitů/pixel, s = 25 snímků/s.), by bylo třeba kapacity záznamového media D = 193 GBytů jednostranný disk DVD představuje kapacitu 4,7 GBytů!!! a) b) c) d) a) H.V = 16 x 16 pixelů v obraze, b) H. V = 32 x 32 pixelů v obraze, c) H. V = 64 x 64 pixelů v obraze, d) H. V = 256 x 256 pixelů v obraze
Vliv jasového rozlišení na kvalitu obrazu Jasové rozlišení je dáno počtem jasových úrovní připadajících na jeden pixel (obrazový bod). Jeho zvětšováním se opět zvětšuje objem D digitálních dat a v případě dynamických obrazů přenosová (bitová) rychlost R. a) b) c) d) V obrázcích a) až d) vzrůstá počet jasových úrovní (kvantovacích hladin) na jeden obrazový bod a) 1 bit/pixel = 2 úrovně/pixel, b) 2 bity/pixel = 4 úrovně/pixel, c) 4 bity/pixel = 16 úrovní/pixel, d) 8 bitů/pixel = 256 úrovní/pixel
3 Klasifikace multimedií (multimediálních informací) K základním typům multimedií patří: text a grafika v tištěné nebo elektronické formě (monochromatické i barevné - např. knihy, časopisy, telegram, faksimile, video-textové systémy (Teletext) aj., víceúrovňové statické obrazy v tištěné i elektronické formě (monochromatické i barevné) - např. fotografie, medicínské snímky, kosmické snímky aj pohyblivé (dynamické) obrazy video sekvence snímků odpovídající dynamicky se měnící scéně - např. videokonference, film, televize a jiné. Liší se především rozlišením odpovídajícím parametrům snímacího zařízení a přenosového kanálu. audio řeč, hudba doplňková, ale nutná složka obrazových informací a multimediálních služeb např. telefon, rozhlas, televize. Liší se opět kvalitou odpovídající zejména frekvenčnímu pásmu počtu audio kanálů apod. Na příkladu digitálního víceúrovňového statického obrazu lze dokumentovat prostorové a jasové rozlišení a jeho vliv na kvalitu obrazu
4 Multimediální technologie Multimediální technologie -představují souhrn technických (hardware) i programových (software) prostředků k vytváření, zpracování, záznamu (archivaci), přenosu a zobrazení různých multimediálních informací V tomto kurzu se budeme zabývat především multimediálními terminály
5 Moderní domácí multimediální terminály (zařízení) V přehledu jsou uvedeny příklady domácích multimediálních zařízení pracujících na principu digitálního zpracování signálů, která budou postupně probírána v rámci kursu Televizní přijímače analogové pro příjem pozemního analogové vysílání (v soustavách PAL, NTSC, příp. SECAM), s digitálním zpracováním obrazových signálů. Televizní přijímače pro příjem digitálního vysílání pro příjem pozemního digitálního televizního vysílání DVB-T Set-Top-Boxy pro příjem pozemního digitálního televizního vysílání DVB-T a DVB-T MHP Satelitní digitální televizní přijímače pro příjem satelitního digitálního vysílání DVB-S Stolní rekordéry a přehrávače DVD digitální systémy pro optický záznam (archivaci) a reprodukci multimediálních signálů standardů DVD aj. (např. JPEG, CD, SVCD, MP3)
Domácí kino multimediální sestavy pro domácí kvalitní reprodukci obrazu i vícekanálového zvuku Digitální kamery a kamkordéry s magnetickým nebo optickým záznamem přenosná digitální záznamová zařízení několika vzájemně nekompatibilních standardů Digitální fotoaparáty Digitální přehrávače MP3 přehrávače stereofonního komprimovaného digitálního audio signálu s polovodičovými pamětmi Multimediální počítače PC aj. počítače vybavené přídavnými kartami a software umožňujícími prakticky všechny multimediální operace (příjem TV signálů ve všech standardech, záznam komprimovaného obrazového signálu na hard disk, jeho technické a režijní zpracování a reprodukci na interním i externím monitoru.
6 Evropské standardy digitálního vysílání DVB-S Digital Video Broadcasting Satellite ETS 300421 (1994) digitální TV vysílání z geostacionárních družic - kmitočtová pásma 12 GHz a vyšší, - digitální modulace QPSK (Quadrature Phase Shift Keying kvadraturní fázové klíčování nosné vlny), - komprimovaný modulační transportní datový tok video - audio a multiplex dle kompresního standardu MPEG 2, - vnější ochranné kanálové kódování Reed -Solomonův kód, - vnitřní ochranné konvoluční kódování. DVB-C.Digital Video Broadcasting Cable ETS 300429 (1994) digitální TV distribuce kabelovými sítěmi (rozvody) - speciální S-kanály v I. - V. televizním pásmu (47-800 MHz), - digitální modulace M-QAM (Many Quadrature Amplitude Modulation vícestavová amplitudová kvadraturní modulace - M = 16 nebo 64), - komprimovaný společný modulační transportní datový tok video-audio a multiplex dle kompresního standardu MPEG 2, -vnější ochranné kanálové kódování Reed -Solomonův kód, -vnitřní ochranné nepoužívá (kvalitní přenosový kabelový kanál).
DVB-T.Digital Video Broadcasting Terrestrial ETS 300774 (1997) digitální pozemní televizní vysílání - kmitočtová pásma I. - V. televizní pásmo (47-800 MHz), - digitální modulace CODFM (Coded Orthogonal Frequency Divided Multiplex kodovaný ortogonálně dělený frekvenční multiplex), - komprimovaný společný modulační transportní datový tok video audio a multiplex dle kompresního standardu MPEG 2, - vnější ochranné kanálové kódování Reed - Solomonův kód, - vnitřní ochranné nepoužívá (kvalitní přenosový kabelový kanál). Standard DVB-T umožňuje nadstavbu DVB-T MHP (Multimedia Home Platform), která umožňuje navíc interaktivní komunikaci diváka s centrem. Vyžaduje speciální přijímač a navíc zpětný kanál - např. telefon, mobil, Internet aj. Další nadstavbou je standard DVB-H (Handheld) pro mobilní příjem televize malými terminály. DAB.Digital Audio Broadcasting digitální pozemní rozhlasové vysílání - může pracovat v kmitočtových pásmech DV,SV,KV, VKV i UHF, - používá stejnou digitální modulaci CODFM., V České republice zatím není využíváno, ale je jen otázkou blízké budoucnosti.
Poznámka V současné době se již postupně zavádí inovované a zlepšené verse těchto standardů DVB-S2, DVB-T2, DVB-C2 příp. DVB-HS (DVB-H pro satelitní distribuci. DVB-S2 - standardizován v roce 2005 (EN 302307). Je již používán. DVB-T2 - zahájení prací v roce 2007 DVB-C2 - zahájení prací v roce 2007. Společným rysem všech těchto standardů je zvýšení rychlosti bitového toku jako předpoklad pro aplikaci v televizi s vysokým rozlišením HDTV. Ve všech standardech bude již využit účinnější kompresní algoritmus MPEG - 4 AVC a další parametrické změny jak zdrojového signálu, tak i parametrických změn modulace. Dekodéry signálů těchto standardů by měly být zpětně kompatibilní tj. měly by umožňovat i příjem signálů původních standardů.
7 HDTV High Definition Television Televize s vysokým rozlišen ením Současný evropský analogový TV standard nabízí při převodu do digitální formy podle doporučení ITU R 601 a vzorkovacím formátu 4 : 2 : 2 jasové rozlišení cca 414000 viditelných obrazových prvků v obraze (575 řádků či bodů na výšku obrazu x 720 bodů v řádku).
Digitální forma HDTV přináší - podstatné zvětšení počtu obrazových bodů v obraze (až 2 000 000 ) a s tím související zvýšení rozlišovací schopnosti v horizontálním i vertikálním směru (ostrý obraz i při transfokaci) přináší výrazné zlepšení kvality obrazu, - možnost pozorování obrazu z menší vzdálenosti (bez vjemu řádkové struktury) a tím výraznější vjem děje vjem neruší okolí, - možnost výrazného zvětšování zobrazovačů bez patrného vjemu rozkladové struktury, - změnu formátu obrazu 4:3 a 16:9, - eliminaci chvění v obraze vlivem řádkového prokládání (progresivní rozklad), - eliminaci klasických zkreslení analogových standardů barevné televize (crosscolor, cross-luminance), - kvalitní zvukový doprovod (až 8mi kanálová reprodukce typu surround) aj. Digitální standardy HDTV Projekt Digital HDTV Grand Aliance (USA 1993), využívá kompresi digitálního videosignálu kompresní algoritmus MPEG-2, vícekanálový zvukový doprovod Dolby Digital AC-3, kanálovou modulaci VSB (pro terrestriální distribuci možná v budoucnosti přechod na výhodnější COFDM).
Současný stav HDTV v Evropě Celoevropský projekt DVB využívá kompresi digitálního videosignálu kompresní algoritmus MPEG-2 nebo MPEG- 4 AVC s různými úrovněmi a profily (včetně HDTV), vícekanálový zvukový doprovod kódovaný algoritmy MPEG Layer II nebo Dolby Digital a kanálové modulace dle typu distribuce (satelitní, kabelové, pozemní). V evropském standardu HDTV se předpokládají tyto formáty rozkladu obrazu (poměry stran všech formátů jsou 16 : 9) 720p progressive (neprokládaný) 720 řádků x 1280 bodů v řádku neprokládaného rozkladu - 25(50) snímků/s 1080 i interlacing (prokládaný) Full HD 1080 řádků x 1920 bodů v řádku prokládaného rozkladu - 50 půlsnímků/s 1080p progressive (neprokládaný) Full HD 1080 řádků x 1920 bodů v řádku neprokládaného rozkladu 25 snímků/s Signál formátu 720p/25 digitalizovaný ITU R 601 má rychlost nekomprimovaných obrazových dat cca 460 Mbit/s. Pro formáty 1080p/25 a 1080i/50 je rychlost dat 1036 Mbit/s a pro formát 1080p/50 je to již 2072 Mbit/s. Požadavky na přenosové rychlosti kanálu jsou obrovské. Pro srovnání digitalizovaný (nekomprimovaný) barevný signál PAL se standardním rozlišením 576 x 720 má rychlost bitového ho toku 216 Mbit/s. Vyžadoval by pro přenos kanál široký cca 120 MHz tedy 15 současných TV kanálů.
K redukci rychlosti datového toku HDTV se užívají kompresní algoritmy MPEG-2 nebo výkonnější MPEG- 4 AVC (Advanced Video Coding). Situace po kompresi je na obrázku Při terestriální distribuci digitálního signálu DVB-T lze do jednoho kanálu (8 MHz) vložit 4 5 TV programů se standardním rozlišením, zatímco v případě HDTV pouze jeden TV program komprimovaný dle standardu MPEG-2, příp. 2 programy. komprimované MPEG- 4 AVC. Je také patrné, že největší nároky na přenosovou rychlost mají video-sekvence s rychlým pohybem a velkým obsahem detailů typicky jsou to např. sportovní přenosy.