Информационные технологии

Дмитрий Владимирович
Курбатский
научный сотрудник НИЛБиЭМ БИ ТГУ, магистр биологии
Зоологический музей (к. 123)
Кафедра зоологии позвоночных (к. 126)

Блок 1
Кодирование звуковых данных

ЦАП и АЦП
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд).

Схема АЦП

Схема ЦАП

Квантование (quantization)
—разбиение диапазона значений непрерывной или дискретной величины на конечное число интервалов.
имеет шаг.
~ битности.

Разрядность квантования
2^N уровней
N – разрядность
При N = 16+ бит – погрешности становятся почти незаметными.

Шум квантования

Дискретизация
При дискретизации изменяющаяся во времени величина (сигнал) замеряется с заданной частотой.
имеет частоту
частота дискретизации
частота выборки
частота сэмпли-
рования

Цифровой сигнал
= квантование + дискретизация

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал
Размеры данных при кодировании:
1 с. стереозвука PCM:
2 (канала)
*
2 (байта = 16 бит)
*
44 100 Гц
=
176 400 байт ~ 176 кБ
Это без сжатия.

Характеристики АЦП
Поддерживаемый диапазон частот (Hz, Гц)
Динамический диапазон (dB, дБ)
Разрядность (бит)
Частота дискретизации (Hz, Гц)
теорема Котельникова
fd > 2 * fmax
частота Найквиста

Импульсно-кодовая модуляция
– дискретизация сигнала во времени в совокупности с методом однородного квантования.
Pulse Code Modulation – PCM
Записываются абсолютные значения амплитуды.
Пример:
16 бит
44.1 кГЦ
до 20 000 Гц (с запасом)

Дополнительные действия
Помехоустойчивое кодирование
Перемежитель
Канальное кодирование

Звуковой компакт-диск
он же CDDA, он же Compact Disc Digital Audio, он же Audio CD, он же Red Book
1980 год, Philips
и Sony

Звуковой компакт-диск
Максимальное время всех записей — 74 (79,8) мин.
Минимальное время трека — 4 секунды (включая 2-секундную паузу)
Максимальное количество треков — 99
Максимальное число точек отсчёта (разделов трека) — 99 без ограничений по времени
Должен присутствовать International Standard Recording Code (ISRC)
Диаметр диска — 120 мм
Диаметр центрального отверстия — 15 мм
Толщина диска — 1,2 мм
Материал — поликарбонат
Воспроизведение информации — постоянная линейная скорость 1,2-1,4 м/с

Звуковой компакт-диск
Шаг дорожки — 1,6 ± 0,1 мкм
Ширина питов — 0,4 мкм
Глубина питов — 0,12 мкм
Длина питов — 0,83—3,1 мкм
Длина волны лазера — 780 нм
Частота дискретизации — 44,1 кГц
Разрядность — 16 бит (линейное квантование)
Скорость считывания звуковой информации — 1,4112 Мбит/с
Общая скорость считывания информации — 1,9404 Мбит/с
Коррекция ошибок — CIRC (двойной код Рида-Соломона с тройным перемежением)
Избыточность — 25 %
Максимальный объём информации, записанной на диске — 650 (700, 800, 900) МБ
Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 Кб/с

Другие варианты
Логарифмическое квантование
Дельта-кодирование (Adaptive Delta PCM)
Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция
Сигма-дельта-модуляция

Связанные понятия
джиттер jitter

Связанные понятия
алиасинг aliasing

Связанные понятия
интерполяция
подмешивание псевдослучайного сигнала dither
передискретизация
отношение сигнал/шум
полоса пропускания

Сравнение аудиоформатов

MIDI
Musical Instrument Digital Interface — цифровой интерфейс музыкальных инструментов
Секвенсоры

Блок 2
Сжатие данных

Медиаконтейнер
– формат файла или потока данных, определяющий только способ сохранения (т.е. внутренней структуры этого файла) данных, но НЕ алгоритм кодирования.
Примеры:
Графика: JPEG, TIFF
Аудио: WAV
Многоцелевые: 3GP, Matroska, AVI

Кодек
(codec, от coder/decoder — шифратор/дешифратор — кодировщик/декодировщик или compressor/decompressor) — устройство или программа, способная выполнять преобразование данных или сигнала.
видеокодек
аудиокодек
сжимающие без потерь (lossless codec)

Сжатие данных без потерь
Lossless data compression
Информационная энтропия
Энтропийное кодирование

Префиксный код
Условие Фано: если в код входит слово a, то для любой непустой строки b слова ab в коде не существует.
0, 1, 00, 01, 10, 11 =>
01001101110 ~ 0 10 0 11 0 11 10
Пример:
00 → 0, 01 → 10, 10 → 110, 11 → 111
=>
00 01 00 00 11 10 00 00 (16 бит)
~
0 10 0 0 111 110 0 0 (13 бит)

Код Хаффмана
Принцип:
Частоты:
15 7 6 6 5
А Б В Г Д
~
Коды
А Б В Г Д
0 100 101 110 111
Применение
сжатие JPEG, MPEG
архиваторы PKZIP, LZH и др.
протоколы передачи данных MNP5 и MNP7

Кодирование длин серий
Кодирование повторов, Run-length encoding, RLE
Принцип:
WWWWWWWWWWWWBWWWWWWWWWWWWBBBWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWBWWWWWWWWWWWWWW
~
12W1B12W3B24W1B14W
Применение:
графика: BMP, PCX
звук (после
Дельта-кодирования)

Алгоритм Лемпеля — Зива — Велча
Lempel-Ziv-Welch, LZW
Применение: GIF, TIFF, PDF,

Сжатие данных с потерями
lossy compression
Варианты:
Трансформирующее
фрейм целиком
поблочно
Предсказывающее (предиктивное)

Преобразование Фурье

Преобразование Фурье

Преобразование Фурье

MP3

Эффект Хааса (Haas)
- неспособность человека выявлять искажения в импульсах длительностью менее 20 мс

Эффект маскировки

Битрейт
здесь – степень сжатия потока аудио- или видеоданных.
Бывает:
постоянным (англ. Constant bitrate, CBR)
переменным (англ. Variable bitrate, VBR)
усреднённым (англ. Average bitrate, ABR)
чаще всего измеряют в килобитах (мегабитах) в секунду (kilobit per second, kbps; Mbit/s, Mbps)

Компрессия изображений
Снижение глубины цвета
Метод главных компонент
Фрактальное сжатие
Сжатие на основе предсказателей
JPEG-LS
ДИКМ
Иерархическая сеточная интерполяция
CALIC
JPEG
Вэйвлетная компрессия
JPEG 2000
DjVu

Алгоритмы
Дискретное вейвлет-преобразование

JPEG
изображение преобразуется из цветового пространства RGB в YCbCr
«прореживание» (subsampling)
дискретное косинусное преобразование

Пример сжатия JPEG с разными коэффициентами

Предиктивное сжатие

Блок 3
Особенности кодирования и сжатия видеоданных

YUV
3 компоненты — яркость (Y) и две цветоразностных (U и V)
YPbPr
YСbСr

Стандарты телевещания

Стандарты телевещания
NTSC
525 строк
59,94 полей в секунду
в Америке и Японии
PAL/SECAM
625 строк
50 полей в секунду
в Европе (PAL)
во Франции, России, Китае и некоторых странах Ближнего Востока (SECAM)
HDTV
720 строк / 50 полей, 60 полей / 30 кадров, 25 кадров, 24 кадра
Full HD
1080 строк / 50 полей, 60 полей / 30 кадров, 25 кадров, 24 кадра

Разрешение видео

Компенсация движения
Motion Compensation

Компенсация движения

Компенсация движения

Компенсация движения

Компенсация движения

Компенсация движения

Компенсация движения

Механическая развёртка
Диск Нипкова

Прогрессивная развёртка
Отсутствие визуальных искажений.
Нет необходимости применять сглаживание.
Видеоизображение можно масштабировать до большего разрешения быстрее и качественнее.
Кадр может быть сохранен как отдельная фотография.

Деинтерлейсинг
Deinterlacing
— устранение
чересстрочности

Варианты устранения