Multimedia Systeme. Dr. The Anh Vuong. http: Multimedia Systeme. Dr.

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1 http: by, Seite 1

2 Multimedia-Application Applications Software Networks Authoringssofware, Contentmangement, Imagesprocessing, Viewer, Browser... Network-Architecture, Network, Server, Bandwidth, Communication, Security... Programing language, Databank, Workflow Devices Computertechnology, Digital Camera, DVD, Printer, Optical Systems... Theories Digital Signaltransmission, Audio and Video Technics Datacompression: Audio & Video by, Seite 2

3 Digitale Signalverarbeitung Signale und Systeme Signalübertragung Digitalisierte Signal Fourier Transformation Abtast-Theoreme Quantisierung Digitale Signalbearbeitung Digitale Signalspeicherung by, Seite 3

4 Signal und System - 1- Nachrichten: Mitteilung einer oder mehrerer Informationen. Information: neues Wissen über ein Ereignis, einen Tatbestand oder Sachverhalt. Informationen Formen: Töne, Bilder, Text, Daten... Signal: physikalische Grösse, die den Inhalt einer Nachricht repräsentiert. Signale sind im erweiterten Sinn Funktionen, die die zeitliche Veränderung einer physikalische Variable eines physikalischen Prozesses beschreiben. Signal wird durch eine Zeitfunktion x(t) dargestellt by, Seite 4

5 Signal und System System: komplexes Gebilde, das einen physikalischen Prozesse aus vielen Eingangs- und Ausgangs - Signalen beschreibt. Deshalb teilt man es in viele Teilsysteme. Jedes Teilsystem besteht aus einem Eingang Signal x(t), einem Black Box und einem Ausgang Signal y(t) x (t) y (t) = H { x(t) } H by, Seite 5

6 Zielsetzung der Signalverarbeitung Analyse: H(t), H(f) Modellieren y(t) = H {x(t)} Physikalische Größe und Prozesse Synthese y(t) = H {x(t)} by, Seite 6

7 Beispiel bei einer Audio-Signalverarbeitung Analyse: H(t), H(f) Amplitude, Schwingung, Freuenzband,... Modellieren y(t) = H{x(t)} Musik von mech. Instruments Musik, Töne Eletr. Klavier, Synthesizer,... Synthese y(t) =H {x(t)} by, Seite 7

8 Signal Typen by, Seite 8

9 Signal-Digitalisierung - 1. Abtastung - Abtasten des analogen Signals X (t) { x( nt A ) }, wobei x( nt A ) R und T A = Zeitdauer by, Seite 9

10 Signal-Digitalisierung - 2. Quantisierung- Quantisierung der abgetasteten Signalwerte x( nt x ) ist der Ersatzwert { x, = 0,1,..., Q 1} Q = Die Anzahl der Quantiserungstufe A von x { x( nt )} { x } mit x { x, = 0,1,..., Q 1} A x n n n n by, Seite 10

11 Signal-Digitalisierung - 3. Codierung- Die Folge der binäre Zeichen Codierungsregel : x daraus folgt { x } => { w ( n) } n w = binäre zeichen mit w ( ) ( n) = binäre Zeichen (), bei der Zeitpunkt n by, Seite 11

12 Signal-Digitalisierung - 3. Codierung - Beispiel Originalwerte Ersatzwerte x Zahl Zuübertragend e binäre Code G 0 < X[nT] < g 1 X G 1 < X[nT] < g 2 X G 3 < X[nT] < g 3 X G 4 < X[nT] < g 4 X G 4 < X[nT] < g 5 X G 5 < X[nT] < g 6 X G 6 < X[nT] < g 7 X G 7 < X[nT] < g X by, Seite 12

13 Digitale Signalübertragung SENDER x(t) Abtaster (Scanner) x(nt) ADC y[n] Coder C[n] EMPFÄNGER Ideale Kanal err[n]=0 Kanal err[n] Error Filter DAC Decoder x (t) x (nt) y [n] C [n] Notes: y[n], c[n], y [n], c[n] number or binary series by, Seite 13

14 Fourier Transformation X(t) F ( x( t)) = - -2jπft = X(f) x( τ ) e dt X (t) : Originale Signal F(x(t)) = X(f) : Das Fourier Spektralsignal by, Seite 14

15 Dirac Stoß Der Dirac -Stoß ist die Deltafunktion δ (t), die die folgende Bedingung erfüllt f ( t). δ ( t) dt es folgt δ (t) = 0, = wenn t f (0) 0 bei t = 0 wenn f(t) kontinuierlich ist by, Seite 15

16 Normierte Dirac Stoß δ ( t) 0; t 0 = δ ( t). dt = 1; t = 0 Die Fourier Transformation des Dirac -Stoß : x( t) = δ (t) X(f) = by, Seite 16

17 Faltungsintegral x (t) y (t) = H { x(t) } H y( t) = h(t -τ ). x( τ ) dτ - y (t) = x(t) h(t) by, Seite 17

18 Fourier Transformation & Faltungsintegral y (t) = x(t) h(t) Y(f) = X(f). H(f) by, Seite 18

19 Übertragungsfunktion x (t) y (t) = H { x(t) } H wenn x(t) = δ (t) dann x(t) ==> X(f) = F { δ (t)} y( t) = h(t), weil = 1 y(t) = x(t)*h(t) ==> Y(f) = X(f).H(f) = H(f) h (t):stoßanwort H(f) die Übertragungsfunkion by, Seite 19

20 Fourier Transformation der Sha Funktion III (t) = n= δ ( t n) ist eine Sha - Funktion III (t) III(f) = n= δ ( f n) by, Seite 20

21 Abtaster x(t) y(t) III(t) System für Abtasten von Signalen by, Seite 21

22 Spektrum des abgetasteten Signals X(f) Ideale TP Y(f) = X(f). III (Tf) f g f g -f A f g - f g f A f g : Grenzfreuenz von x(t) f A : Abtastfreuenz, f A = 1/ T by, Seite 22

23 X 0 Q = 4, X min = g 0, X max = g 4 Quantisierungskennlinie Bei der Quantisierung wird einen Ersatztwert x( nt ) ( g ( g 1,g ),g ) x sind die Teil Interwall von ( { x, = 0,1,..., Q 1} Q = Die Anzahl der Quantiserungstufe x ist der Ersatzwert von x 1 x( nt ) x T = Abtastdauer, A A A zugeordenet, wobei ein Parameter. Es folgt : x( nt ) x[n] => x [ n] mit x [ n] A n x n jedem Abtastwert x( nt ) ( x x min, x ) { x, = 0,1,..., Q 1 }, max A n ist der Zeitindex min, x max ) X 3 X 2 X 1 X g 0 g 1 g 2 g 3 g 4 x(nt A ) by, Seite 23

24 Bewertung der Quantisierung - Quality Measurement- Quantisierungssystem x[n] Q x [n] Ideal Chanel Q-1 x [n] = X[n] SENDER RECEIVER Quantisierungsfehler e[n] = x[n] x [n] e [n] = x[n] x[n] weil x[n]=x [n] by, Seite 24

25 Quantisierungsrauschen Quantisierung ist ein irreversibeler Prozess Nach der Quantisierung gibt es eine Differenz zwischen der zuuantisierende Wert x[n] und der uantisierte Wert x[n]. Das ist die Quantisierungsfehler e[n] = x[n] x[n] Wenn x[n] aus Audio oder Video-Signal hergeleitet wurden, dann x[n] einem stochastischer Prozess gehört (x[n] ist uasi eine Zufallfolge]). Die Folge e[n] wird deshalb die Quantisierungsrausch genannt by, Seite 25

26 Qualitätsmaßgröße 1- Quadratische Schar-Mittelwert von e[n] (Mean Suare Error MSE) E ms = MSE = 1 N N 1 n= 0 e 2 ( n) = 1 N N 1 n= 0 ( x( n) x'( n)) 2 RMSE Root Mean Suare Error (Effektive Wert der Fehler) Erms = RMSE = Ems = MSE by, Seite 26

27 Qualitätsmaßgröße 2- Signal Rausche Verhältnis (SNR: Signal to Noise) SNR = 10log 1 N 1 N N n= 0 N 1 n= 0 x'( n) 2 = 10log 1 N N 1 n= 0 2 ms ( x( n) x'( n) ) E x'( n) 2 PSNR (Peek Signal to noise) N 1 n= 0 [ x'( n) ] 2 (max ) (max PSNR = 10 log = 10log 1 2 E ( x( n) x'( n) ) N Bei B= 8bit, max [X(n) ] = 255 [ x'( n) ] ms ) by, Seite 27

28 Quantisierungskennlinie - Lineare Quantisierung - Lineare Quantisierung : x( nt g = x x = x A h = ( x ) ( g min min max 1 +. h,g ) x + ( + 1).( h / 2) x min b = ld Q ist die Bitzahl ) / Q, h ist die Quantisierungsstufe X 3 X 2 X X 1 g 0 g 1 g 2 g 3 g 4 x(nta) X 0 Q = 4, X min = g 0, X max = g by, Seite 28

29 Rundungsfehler bei der Linaren Quantisierer e[n] h/2 X: Ersatzwert g, g+1 : Grenzwert e [n] : Quantisierungsfehler EMS EMS 2 h = 12 h / 2 0 h / = e [ n] dx = x dx = h h h * * h h : Quantisierungsstufe SNR = 10log 1 N 1 N n= 0 N 1 n= 0 N 1 ( x'( n) ) 2 ( x( n) x'( n) ) 2 Q ( ) = 10log h 12 2 b 2 (2 h )*3 = 10log 2 h *2 g n X g n+1 = g n + h x SNR = 10log(2 2b *3/ 2) = b*2*10*log * log(3/ 2) SNR = b*6,02 + 1,76 [db] Wird die Bitzahl b um 1 erhöht, dann verbessert sich das SNR um 6 db by, Seite 29

30 Quellen Codierung - PCM: Pulse Code Modulation - SENDER x(t) Abtaster x[n] Linearer Quantisierer x [n] Q Binäre Coder (Code-Tabelle) w [n] III (t ) ADC: Analog Digital Converter EMPFÄNGER err[n]=0 Ideeller Kanal Ideale Tiefpass x (t) x [n] Q -1 x [n] Binäre Decoder (Code-Tabelle) H TP (f) = rect (f/2f max ) DAC: Digital Analog Converter w [n] PCM Codec: W[n] sind binäre Zahlen mit festen Wortlänge by, Seite 30

31 Image signals RGB by, Seite 31

32 Quantization - Bit number - Original 1 bit / pel 2 bit / pel 4 bit /pel 256 Graylevel /pel 2 Graylevel /pel 4 Graylevel /pel 16 Graylevel /pel by, Seite 32

33 Digitalizing - Block Spliting of images - Original Block 8*8 Block 4*4 Block 2*2 128*192 pels 16*24 pels 32*48 pels 64*96 pels by, Seite 33

34 Daten Volumen Typ Bildformat [pixel] Bildfreuenz [Hz] Bandbreite [Hz] Datenvolumen / Bitrate RGB Standbild M*N z.b. 512 x M*N*3 z.b. 768 Kbyte bei 512*512 Bildtelephon 352 x Hz 1,5 MHz 18 Mbit/s Digitale TV 720 x Hz 10 MHz 166 Mbit/s HDTV 1920x Hz 66 MHz 1.1 Gbit /s Typ Bit / Abtastwert [bit] Bandbreite [Hz] Abtastfreuenz [Hz] Datenvolumen / Bitrate Telephon 8 4 KHz 8 KHz 64 Kbit /s CD-Musik 16 x 2 20 KHz (ca.) 44 Hz 1,4 Mbit /s by, Seite 34

35 Datenrate typischer Netz Netz Analoges Telephonnetz ISDN DSL Ethenet FDDI ATM Max. Datenrate [bit/s] 56 kbit/s 2 x 64 Kbit /s 1-6Mbit/s Mbit/s 100 Mbit/s 155 Mbit/s Mehrfachnutzung Nein Nein Ja Ja Ja Nein by, Seite 35