EDV-Anwendungen im Archivwesen II

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1 EDV-Anwendungen im Archivwesen II UE WS08/09 Grundlagen der Digitalisierung

2 Überblick Allgemeine Grundlagen der Digitalisierung anhand der Ton-Digitalisierung Abtastrate (Samplerate) Wortlänge (Bitrate) Alising Quantisierung ( elektronisches Rauschen ) Umlegung der Grundlagen auf die Bild-Digitalisierung Auflösung und Farbraum Datenreduktion Techniken Vor- und Nachteile anhand von Beispielen

3 Digitalisierung Digit-alisierung? Abtastrate (Samplerate)? Wortlänge (Bitrate)? Alising? Quantisierung?

4 Digitalisierung Digit-alisierung? V t Analog Digitalisierung 16 bit / 44,1 khz

5 Digitalisierung Abtastrate: Messvorgänge pro Zeiteinheit Samples per timeunit Messgröße: Kilo-Hertz khz 44,1 khz = Messvorgänge pro Sekunde = Messwerte pro Sekunde

6 Digitalisierung Wortlänge: Wertbereich pro Messwert Range of values per sample Messgröße: Bit (Binär-Wert) 16 bit = Messbereich von 0 (binär: ) bis (binär: ) Praxis: bis Datenmenge: 16 Wert-Stellen (bit) pro Messwert

7 Digitalisierung Datenmenge: Beispiel: 44,1 khz / 16 bit / Länge: 3m10s Messwerte pro Sekunde 16 Wert-Stellen pro Messwert 190 Sekunden Länge x 16 x 190 = bit = Byte ~ kb ~ 15,98 MB?? Stereo-Signale verdoppeln den Wert

8 Digitalisierung Umrechnung im bit/byte-bereich: Wie groß ist ein Gigabyte?? 1 Byte = 8 bit ( ) 1024 Byte (2*2*2*2*2*2*2*2*2*2=2 10 ) = 1 kbyte 1024 kbyte = 1 MByte = Byte 1024 MByte = 1 GByte = Byte etc

9 Digitalisierung Abtastrate & Wortlänge: Wie oft wird gemessen: Abtastrate in Hz (khz) Wertbereich der Abtastwerte: Wortlänge in bit

10 Digitalisierung Abtastrate (Samplerate): z.b. CD: 44,1 khz = x pro Sekunde wird die Amplitude des Tonsignals gemessen Theorem von Nyquist: Abtastrate muss mindestens doppelt so groß sein wie die höchste zu messende Frequenz Möglicher Fehler bei zu niedriger Abtastrate: Aliasing = Entstehung von Falschfrequenzen Wortlänge (Bitrate): z.b. CD: 16bit = Messwert reicht von bis ( mögliche Werte) Möglicher Fehler bei zu geringer Wortlänge: Quantisierungsrauschen

11 Digitalisierung Alaising = Entstehung von Falsch-Frequenzen durch zu niedrige Abtastrate

12 Digitalisierung Quantisierungsrauschen durch zu geringe Wortlänge Große Wortlänge Kleine Wortlänge

13 Digitalisierung - BILD Anwendung der Erkenntnisse Abtastrate =? Wortlänge =? Alaising =? Quantisierung =?

14 Digitalisierung - BILD Abtastrate Bildauflösung (Messpunkte pro Flächeneinheit) Messwert Pixel (Bildpunkte) 1,3 MP = 1280 x 1024 pixel = Punkte je mehr Auflösung, desto schärfer das Bild Gewisse Einzelheiten erst ab bestimmter Auflösung sichtbar!

15 Digitalisierung - BILD Wortlänge Farb-/Helligkeitswerte pro Messpunkt Messwert in Bit oder Anzahl der Farb- /Helligkeitsabstufungen 24 bit = 3*8 bit = 8 bit / Grundfarbe (RGB-Modell) 8 bit = 256 Messwerte pro Grundfarbe 256*256*256 = mögliche Farben (RGB) 8 bit = 256 Grauwerte im SW-Bereich

16 Digitalisierung BILD Datenmenge: Beispiel: 1,3 MP / 24 bit / 1 Bild Punkte x 24 Messwertstellen = bit (Messwertstellen) = Byte = kbyte = 3,75 MByte Video: 24/25 Bilder pro Sekunde

17 Digitalisierung BILD Messfehler Aliasing in der im Tonbereich auftretenden Erscheinungsform hier nicht vorhanden (resp. nicht störend vorhanden) Unter Aliasing versteht man die durch die punktweise Abtastung entstehenden Treppen- Effekte

18 Digitalisierung BILD Messfehler Quantisierung in der im Tonbereich auftretenden Erscheinungsform hier nicht vorhanden (Rauschen) Tritt aber als flächige Farbabstufung auf

19 Digitalisierung Film/Video Die Film-Digitalisierung gleicht der Bild- Digitalisierung Abtastung der einzelnen Bilder ( Frames ) Auflösungen PAL (768x576) NTSC (720x480) HD (1920x1080) 2k, 4k, 8k,

20 Digitalisierung Film/Video Die Video-Digitalisierung gleicht der Ton- Digitalisierung Abtastung bestehender Analog-Signale (welche bereits bei der Herstellung teil-digitalisiert wurden. Luminance-Signal (Helligkeits-Signal) Farb-Signale (Chrominance-Signale) Composite-Signal (FBAS) etc. Auflösungen PAL (768x576) NTSC (720x480) HD (1920x1080)

21 Digitalisierung Film/Video Video-Digitalisierung Datenstrom = Datenmenge, die bei der Digitalisierung in einer bestimmten Zeiteinheit entsteht Summe der Einzeldatenströme YUV Y: 13,5MHz x 8bit = 108Mbit/s (Helligkeitswert) U: 6,75MHz x 8bit = 54Mbit/s (Farbwert Blau-Y) V: 6,75MHz x 8bit = 54Mbit/s (Farbwert Rot-Y) SUMME: 216Mbit/s Dazu kommen noch die Datenmengen aus der Audio- Digitalisierung

22 Digitalisierung Komprimierung Unterschiedlichste Techniken nützen das Wahrnehmungs-Verhalten des Menschen zur Weglassung redundanter, irrelevanter und nicht wahrnehmbarer Signal-Teile Hör- / Sehbereich des Menschen Physiologische Modelle Trägheit der menschlichen Sinnesorgane

23 Digitalisierung Komprimierung Wahrnehmungsbereiche Schallfrequenz: ~ 20 Hz Hz Lautheit: 0 db 120 db Farbfrequenz: 400 nm 700 nm Wahrnehmbare / Unterscheidbare Farben: ~ 5 Millionen Unterscheidbare Einzelbilder: max. 23

24 Digitalisierung Komprimierung Tonwahrnehmbarkeit

25 Digitalisierung Komprimierung Farbräume

26 Digitalisierung Komprimierung Empfindlichkeit des Auges

27 Digitalisierung Komprimierung Komprimierungs-Techniken (Auswahl) Reduzierung der Bandbreite (Audio/Video) Weglassen von Abtastwerten (Audio/Video) Regelmäßig: Video-Modelle Überdeckt: Audio-Modelle Varianz der Wortlängen (Audio/Video) Bereichsaufteilung der Quellen (Audio/Video) Vektorenmodelle (Video)

28 Digitalisierung Komprimierung Reduzierung der Bandbreite Audio: z.b. MP3 nur bis ca. 15kHz Bedingt durch geringere Hörqualität Bild: Reduktion der Auflösung (inkl. Interpolation bei der Wiedergabe) siehe Video Video: frühe H-xxx Codecs Bei Farbwerten geringere Abtastung als bei Helligkeitswerten, da der Mensch stärker auf Helligkeitsunterschiede als auf Farbunterschiede reagiert

29 Digitalisierung Komprimierung Weglassen von Abtastwerten: Video:

30 Digitalisierung Komprimierung Weglassen von Abtastwerten: Audio: Maskierung (Überdeckung)

31 Digitalisierung Komprimierung Varianz der Abtastwerte: Audio: VBR, alle MPEG-Codecs, etc. Bild: JPEG, GIF, etc. Video: MPEG, MJPEG, Quicktime, etc. Je mehr passiert, desto mehr Abtastwerte werden generiert

32 Digitalisierung Komprimierung Bereichsaufteilung z.b. Audio: Sub-Band Coding 50 % 30 % 15 % 5 %

33 Digitalisierung Komprimierung Bewegungsvektoren

34 Digitalisierung Beispiele TON

35 Digitalisierung Beispiele BILD

36 ORIGINAL (640x447, 24bit) Verschiedene Abtastwerte

37 320x224, 24bit

38 160x112, 24bit

39 80x56, 24bit

40 40x28, 24bit

41 ORIGINAL (640x447, 16,7 Mio Farben)

42 640x447, 256 Farben

43 640x447, 16 Farben

44 640x447, 4 Farben

45 640x447, 2 Farben

46 640x447, 4 Grauwerte / dith.

47 640x447, 16 Grauwerte (dith.)

48 640x447, 256 Grauwerte (dith.)

49 ORIGINAL (640x447, 16,7 Mio Farben)

50 JPEG Q50

51 JPEG Q25

52 JPEG Q10

53 JPEG Q05

54 ALIASING

55 ANTI-ALIASING

56

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