Аналоговая и цифровая аудио и видеоинформация. Аналоговая и цифровая аудио и видеоинформация.

Оглавление. 3. Аналоговое представление сигналов. 4. Цифровое представление сигналов 4. Цифровое представление сигналов. 5. Способы повышения помехоустойчивости цифровых данных. 6. Исходная форма звукового сигнала. 7. Наиболее известные форматы кодирования аудиоданных. 8. Принципы работы стандартов сжатия звуковых данных. 9. Три уровня audio MPEG для сжатия стереофонических сигналов. 10. Аналоговый метод передачи видеосигналов. 11. Недостатки аналогового видео. 12. Характеристики цифрового видео. 13. Частота кадра. 14. Глубина цвета. 15. Экранное разрешение. 16. Качество изображения. 17. Основы MPEG-кодирования видео. 18. Стандарт MPEG Стандарт MPEG Особенности работы MPEG Контрольные вопросы. 29. Список использованной литературы.

Традиционное аналоговое представление сигналов основано на подобии (аналогичности) электрических сигналов (изменений тока и напряжения) представленным ими исходным сигналам (звуковому давлению, температуре, скорости и т.п.) Такое представление наиболее точно, однако малейшее искажение формы несущего электрического сигнала неизбежно повлечет за собой такое же искажение формы и сигнала переносимого. Это связано с тем, что исходный сигнал представление не содержит избыточности, которая могла бы защитить переносимый сигнал от искажений при хранении, передаче и усилении.

Цифровое представление электрических сигналов призвано внести в них избыточность, предохраняющую от воздействия паразитных помех. Для этого на несущий электрический сигнал накладываются серьезные ограничения - его амплитуда может принимать только два предельных значения - 0 и 1.

Для повышения стойкости цифрового сигнала к помехам и искажениям применяется цифровое избыточное кодирование двух типов: проверочные (EDC - Error Detection Code) и корректирующие (ECC - Error Correction Code) коды. EDC позволяет просто обнаружить факт ошибки - искажение или выпадение полезной либо появление ложной цифры, однако переносимая информация в этом случае также искажается; ECC позволяет сразу же исправлять обнаруженные ошибки, сохраняя переносимую информацию неизменной. Для удобства и надежности передаваемую информацию разбивают на блоки (кадры), каждый из которых снабжается собственным набором этих кодов.

Исходной формой звукового сигнала является непрерывное изменение амплитуды во времени - представление в цифровой форме с помощью "перекрестной дискретизации" - по времени и по уровню.

В настоящее время наиболее известны следующие стандарты кодирования аудиоданных: mp3; wma; divx audio. Все они используют так называемое кодирование для восприятия (perceptual coding), при котором из звукового сигнала удаляется информация, малозаметная для слуха.

Основная идея, на которой основаны все методики сжатия аудио сигнала с потерями, отказ от кодирования тонких деталей звучания оригинала, лежащих вне пределов возможностей человеческого слуха. Звуки, находящиеся на границах резких перепадов уровня: после очень громкого звука на протяжении небольшого отрезка времени около 100 мс и перед ним на протяжении 5 мс, человеческое ухо неспособно воспринимать другие, более тихие звуки. И еще одна особенность человеческого слуха была учтена при разработке алгоритма компрессии использование минимального порога слышимости. Наибольшей чувствительностью (2-4 дБ) органы слуха обладают в среднем диапазоне частот порядка 2-5 к Гц. На других частотах порогом чувствительности может стать значение громкости звука в 40 дБ. Иными словами, звуки, лежащие за порогом чувствительности, нет смысла сохранять, поскольку они все равно не будут услышаны.

Существует три уровня audio MPEG для сжатия стереофонических сигналов: коэффициент сжатия 1:4 при допустимом потоке данных 384 Кбит/с; 1:6..1:8 при Кбит/с; 1:10..1:12 при Кбит/с.

Самым ранним методом передачи видеосигналов является аналоговый метод. Одним из первых видеоформатов на основе этого принципа стал композитный видеосигнал. Композитное аналоговое видео комбинирует все видео компоненты (яркость, цвет, синхронизацию и т. п.) в один сигнал. Из-за объединения этих элементов в одном сигнале качество композитного видео далеко от совершенства. В результате мы имеем неточную передачу цвета, недостаточно "чистую" картинку и другие факторы потери качества.

Тем не менее, все аналоговыми форматы обладают одним существенным недостатком: при копировании дубль всегда уступает по качеству оригиналу. Потеря качества при копировании видеоматериала аналогична фотокопированию, когда копия никогда не бывает такой же четкой и яркой, как оригинал. В отличие от аналогового видео, качество которого падает при копировании, каждая копия цифрового видео идентична оригиналу.

Цифровое видео характеризуется четырьмя основными факторами: частота кадра (Frame Rate); экранное разрешение (Spatial Resolution); глубина цвета (Color Resolution); качество изображения (Image Quality).

Частота кадра (Frame Rate). Стандартная скорость воспроизведения видеосигнала кадров/с (для кино этот показатель составляет 24 кадра/с). Каждый кадр состоит из определенного количества строк, которые прорисовываются не последовательно, а через одну, в результате чего получается два полукадра, или так называемых "поля". Поэтому каждая секунда аналогового видеосигнала состоит из 60 полей (полукадров). Такой процесс называется interlaced видео. Между тем монитор компьютера для прорисовки экрана использует метод "прогрессивного сканирования" (progressive scan), при котором строки кадра формируются последовательно, сверху вниз, а полный кадр прорисовывается 30 раз каждую секунду. Разумеется, подобный метод получил название non-interlaced видео. В этом заключается основное отличие между компьютерным и телевизионным методом формирования видеосигнала.

Глубина цвета (Color Resolution). Этот показатель является комплексным и определяет количество цветов, одновременно отображаемых на экране. Компьютеры обрабатывают цвет в RGB-формате (красный-зеленый- синий), в то время как видео использует и другие методы. Одна из наиболее распространенных моделей цветности для видеоформатов -- YUV. Каждая из моделей RGB и YUV может быть представлена разными уровнями глубины цвета (максимального количества цветов). Для цветовой модели RGB обычно характерны следующие режимы глубины цвета: 8 бит/пиксель (256 цветов), 16 бит/пиксель (65,535 цветов) и 24 бит/пиксель (16,7 млн. цветов). Для модели YUV применяются режимы: 7 бит/пиксель (4:1:1 или 4:2:2, примерно 2 млн. цветов), и 8 бит/пиксель (4:4:4, примерно 16 млн. цветов).

Экранное разрешение (Spatial Resolution). Еще одна характеристика - экранное разрешение, или, другими словами, количество точек, из которых состоит изображение на экране. Стандартный аналоговый видеосигнал дает полноэкранное изображение без ограничений размера, так часто присущих компьютерному видео. Телевизионный стандарт NTSC (National Television Standards Committe), разработан Национальным комитетом по телевизионным стандартам США. Используемый в Северной Америке и Японии, он предусматривает разрешение 768 на 484. Стандарт PAL (Phase Alternative), распространенный в Европе, имеет несколько большее разрешение на 576 точек.

Качество изображения (Image Quality). Последняя, и наиболее важная характеристика - это качество видеоизображения. Требования к качеству зависят от конкретной задачи. Иногда достаточно, чтобы картинка была размером в четверть экрана с палитрой из 256-ти цветов (8 бит), при скорости воспроизведения 15 кадров/с. В других случаях требуется полноэкранное видео (768 на 576) с палитрой в 16,7 млн. цветов (24 бит) и полной кадровой разверткой (24 или 30 кадров/с).

Основа кодирования у группы алгоритмов MPEG общая. Основные идеи, применяемые в ходе сжатия видеоданных с ее помощью, следующие: Устранение пространственной избыточности изображений путем подавления мелких деталей сцены, несущественных для визуального восприятия человеком. Использование более низкого цветового разрешения при yuv-представление изображений (y яркость, u и v цветоразностные сигналы) установлено, что глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета по сравнению с изменениями яркости. Повышение информационной плотности результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания. Кроме того, основная идея заключается в разделении кадров на опорные (I intra), а также так называемые предсказанные (то есть строящиеся на основе опорных) как однонаправленные (P – predicted), так и двунаправлено предсказываемые (B – bi-directionally predicted) кадры (под направлением здесь следует понимать временную последовательность.

Стандарт MPEG-2 был специально разработан для кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения. Он позволяет получить полную четкость декодированного ТВ изображения, соответствующую Рекомендации 601 МККР. (При скорости передачи видеоданных 9 Мбит/с качество ТВ изображения соответствует студийному).

Целью создания MPEG-4 была выработка стандарта кодирования, который обеспечил бы разработчиков универсальным средством сжатия видеоданных, позволяющим обрабатывать аудио- и видеоданные как естественного (снятого с помощью видеокамеры или записанного с помощью микрофона), так и искусственного (синтезированного или сгенерированного на компьютере) происхождения. Это обстоятельство кардинальным образом отличает MPEG-4 как видеостандартов предшественников MPEG-1 и MPEG-2, в которых эффективное сжатие данных достигается лишь применительно к естественному видео и аудио.

Кодирование в формате MPEG-4 раздельное. Это означает, что для кодирования видео составляющей применяются одни способы и алгоритмы сжатия, а для кодирования аудио составляющей – другие. Естественной издержкой такого специфичного подхода к сжатию является необходимость сопоставления двух потоков в ходе их последующего совместного воспроизведения в режиме реального времени.

Контрольные вопросы.

Традиционное аналоговое представление сигналов основано на подобии электрических сигналов представленным ими… 1. Звуковому давлению. 2. Температуре. 3. Скорости. 4. Исходным сигналам.

В настоящее время наиболее известны следующие стандарты кодирования аудиоданных: 1. mp3; 2. Joint stereo; 3. MS stereo. 4. MIDI.

Наибольшей чувствительностью (2-4 дБ) органы слуха обладают в среднем диапазоне частот порядка… к Гц; к Гц; к Гц к Гц.

Неточная передача цвета, недостаточно "чистая" картинка и некоторые другие факторы потери качества характерны для… 1. Цифрового видео; 2. MPEG-2 компрессированного видео. 3. DVD-видео. 4. Аналогового видео.

Цифровое видео характеризуется… 1. Частотой кадра (Frame Rate); 2. Экранным разрешением (Spatial Resolution); 3. глубиной цвета (Color Resolution); 4. качеством изображения (Image Quality). 5. Все вышеперечисленные.

Стандарт MPEG-2 был специально разработан для… 1. Кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения. 2. Архивации любых данных; 3. Передачи видеоданных; 4. Организации просмотра видеоинформации.

Использованная литература Наименование документа 1 Александр Колганов, Системы мультимедиа сегодня // HARD&SOFT 4 апрель 1995 г. 2 Антон Веснушкин, «Живое» видео на PC // HARD&SOFT 6 декабрь 1994 г. 3 Андрей Борзенко, Программное обеспечение для мультимедиа // HARD&SOFT 2 февраль 1995 г 4 Мультимедиа синтез трех стихий. С. Новосельцев // Компьютер–Пресс г. 5 Мультимедиа–ПК. В. Дьяконов // Домашний Компьютер г 6 Константин Гласман «Методы передачи данных в цифровом телевидении» 7 Лев Севальнев «Международный стандарт кодирования с информационным сжатием MPEG-2» Выполнил: студент гр. ИМ-11 Юдин М.А.