Multimedie- och kommunikationssystem, lektion 4

1
Multimedie- och kommunikationssystem, lektion 4

• Forts. Kap 2 Signaler och Kvalitetsmått
• Kap 3-4 Ljud- och videokompression

2
Sampling och DA-omvandling
2500 Hz 2,5kHz.
10000 sampels/sek 10kHz
.
Kvantisering (avrundning) till 8 värden.
Digitalisering ger 3 bit per värde 101 000 010
110 000.
3
PCM Pulse Code Modulation Digitalisering av
analoga signaler och seriell överföring
Sifferexempel från PSTN publika telefonnätet
011011010001...
1
0
Högtalare
Mikrofon
8000 sampels per sek
300-3400Hz bandpass-filter. Spärrarallt över
4000Hz.
4
Exempel
En 6 sekunder lång ljudinspelning digitaliseras.
Hur stor är inspelningens informationsmängd? a)
22000 sampels/sekund, 256 kvantiseringsnivåer. b
) 22000 sampels/sekund, 16 kvantiseringsnivåer.
c) 5500 sampels/sekund, 256 kvantiseringsnivåer.
22000sampels 6 s 8 bit 1056000bit.
22000sampels 6 s 4 bit 528000bit.
5500sampels 6 s 8 bit 264000bit.
5
Vikningsdistorsion (aliasing)
Inträffar om man inte filtrerar bort frekvenser
som är högre än halva samplingsfrekvensen. Exempe
l En sinuston på 4kHz som samplas med
samplingsfrekvens 4 kilosampels/s viks ned till
en ton på ton på 2kHz.
6
Example
What sampling rate is needed for a signal with a
bandwidth of 10,000 Hz (1000 to 11,000 Hz)?
Solution
The sampling rate must be twice the highest
frequency in the signal
Sampling rate 2 x (11,000) 22,000
samples/s
7
Samplingsteoremet

• f lt fs/2
• Den högsta frekvens som kan samplas är halva
  samplingsfrekvensen.
• Om man samplar högre frekvens än fs/2 så byter
  signalen frekvens, dvs det uppstår
  vikningsdistorsion (aliasing).
• För att undvika vikningsdistorsion så har man ett
  anti-vikningsfilter innan samplingen, som tar
  bort frekvenser över halva samplingsfrekvensen.
• Interpolationsfiltret används vid rekonstruktion
  av den digitala signalen för att gissa värden
  mellan samplen.
• Ett ideal interpolationsfilter skulle kunna
  återskapa den samplade signalen perfekt om den
  uppfyller samplingsteoremet. I verkligheten finns
  inga ideala filter.
• Följdregel Nyqvists sats säger att max
  datahastighet 2B2log M, där M är antal nivåer,
  och B är signalens bandbredd, oftast lika med
  signalens övre gränsfrekvens.

8
Example 2.1
9
(No Transcript)
10
Example 2.4 PCM coding of speach and music
11
Example 2.7Uncompressed video
12
Kvantiseringsdistorsion
13

14
Signal-to-quantization ratio (SQR)
15
Example 2.2 Quantization distorsion
16
Kvantiseringsdistorsion (kvantiseringsbrus)

• Avrundningsfelet låter ofta som ett brus.
• Svaga ljud avrundas bort, eller dränks i
  kvantiseringsbruset.
• Varje extra bit upplösning ger dubbelt så många
  spänningsnivåer, vilket ger en halvering av
  kvantiseringsdistorsionens spänningsnivå, dvs en
  fjärdedels effekt, dvs en minskning med 6 dB.
• N bit upplösning ger ett signal-till-kvantiserings
  brus-förhållande (SQRSignal to quantization
  noise ratio) på i storleksordning N6 dB (det kan
  skilja några dB beroende på hur man definierar
  max signalnivå.)

17
Kompressionsalgoritmer

• Kapitel 3-4

18
Shannons entropi-formel

• Entropi informationsmängd per kodord, dvs
  minsta möjliga antal bit per kodord efter
  datakompression.

19
Språkets entropi.

• Exempel Om det engelska alfabetets 26 bokstäver
  vore lika vanliga blir entropin per bokstav
• Men, den verkliga entropin i det engelska
  språket är 2.62 bit/bokstav. Det går alltså att
  komprimera till den nivån, med hjälp av en
  variabel-längd-kod, dvs en kod som har olika
  antal bit för olika tecken, t.ex. s.k.
  Huffmankodning.

20
Example 3.1
21
(No Transcript)
22
(No Transcript)
23
Huffman decoding example
24
Figure 3.4 Huffman encoding example (a)
codewordgeneration (b) Huffman code tree.
25
Figure 3.3 Huffman code tree construction (a)
final tree with codes (b) tree derivation.
26
Example 3.2 A series of messages
27
(No Transcript)
28
(No Transcript)
29
(No Transcript)
30
Differentiell PCM-kodning av ljud
Det som överförs är skillnaden mellan nuvarande
sampel och och föregående mottagen sampel (inkl
kvantiseringsfel). DPCM möjliggör färre bitar
per sampel än vidvanlig PCM. Vid tillräckligt
högsamplingsfrekvens kanman använda
s.k.enbitsteknik, dvs en bit per sampel.
31
Linear predictive coding (LPC) signal encoder
anddecoder schematic.
Användsvid kodning av mänskligt
tal. Exempel GSMs talkodningkomprimerar
PCMs ursprungliga 64 000 bps till 13 000 bps.
32
Delbandskodning (Sub-band coding)
En CD-spelare kräver 16 bit per sampel x 44100
sampels per sekund x 2 kanaler 1,4Mbps
(miljoner bit per sekund). I MPEG layer 2
(används vid DVD, DVB och digitalradio)
komprimeras datamängden till mellan 32Kbps och
384kbps (tusen bit per sekund) per ljudkanal.
Man utnyttjar då örats maskeringseffekt, som
gör att starka ljud dränker svaga ljud på
närliggande frekvenser. En filterbank delar upp
signalen i delfrekvensband. Varje delband
kvantiseras för sig. I delband där ljudet är
starkt kan man ha högt kvantiseringsbrus (högt
Vmax och därmed högt q) utan att det hörs.
Spektrum
Hörs ej
Frekvens
33
Figure 3.14 JPEG JointPhotographic Experts
Group
34
DCT Discrete Cosine Transform 2D computation
35
Figure 3.17 Example of DCT quantization.
36
Figure 3.18 Vectoring using a zig-zag scan (a)
principle(b) vector for example shown in Figure
3.17.
37
Video compression standards

• H.261, H.263, MPEG1 and MPEG2 are all based on
  the following techniques
• Each frame is divided into blocks.
• Transform coding of each block. (DCT coding, with
  quantization, zig-zag scanning and run-length
  coding.)
• Differential coding of the motion.
• Motion prediction.

38
Figure 4.11 Example frame sequences with (a)
I- and P-framesonly (b) I-, P- and B-frames
(c) PB-frames.
I intracoded frame P predicted/intercoded
frame B bidirectional interpolated frame
39
Figure 4.20 MPEG-1 example frame structure
I intracoded frame P predicted/intercoded
frame B bidirectional interpolated frame
40
Example 4.1 MPEG-1
41
(No Transcript)
42
Example 4.2
43
(No Transcript)
44
(No Transcript)