multimedia-technik

prof. dr. peter kneisel

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inhalt

Grundlagen Was ist Multimedia Datenkompression Speichermedien Transfersysteme

Anwendungen -> Dr. Haas

Praktische Anwendungen Audio/Video Graphik/Bild Text/Internet

überblick kapitel 1 was ist multimedia

kurze erläuterung involvierte branchen der medienbegriff klassifikation eigenschaften daten

überblick kapitel 2 datenkompression

bedarfsanalyse quellen-, entropie- kodierung grundlegende verfahren

LauflängenkodierungNullunterdrückungVektorquantisierungPattern SubstitutionHuffmann ....

angewandte verfahren Überblick Audiokompression

näheres in Kapitel Audiotechnik Überblick Videokompression

näheres in Kapitel Videotechnik

übersicht

überblick kapitel 3 speichermedien

...

überblick kapitel 4 transfersysteme

Entwicklung der Telekommunikation Dienste Netze Vermittlungsknoten Kommunikationsmodelle Signalisierung Breitbandkommunikation Netzmanagement

kapitel 1 was ist multimedia

was, warum, wer der medienbegriff definition multimedia anforderungen multimedia charakteristik kontinuierliche Medien zusammenfassung kapitel 1 übung

1.1 was, warum und wer

was • kurze erläuterung warum • pädagogisches wer • involvierte branchen zusammenfassung w3

1.1.1 was • kurze erläuterung

MultiMedia bedeutet aus Benutzersicht:

Zur Darstellung von Information wird nicht nur

Text oder Graphik oder Tonsondern

Text und Graphik und Toneingesetzt

Genauere Definition ... ... später

1.1.2 warum • pädagogisches

Durch multimediale Darstellung lassen sich Informationen natürlicher und einprägsamer darstellen

Der Mensch behält von dem,was er liest 10%was er hört 20%was er sieht 30%was er liest, hört und sieht 70%was er sagt 80%was er sagt und tut 90%

1.1.3 wer • involvierte branchen

Telekommunikation Breitbandkommunikation IP-Telephonie

Unterhaltungsbranche "braune Ware": Videorekorder, CD-Player, DVD Computer/Consolen-Spiele

Studiotechnik Fernseh- und Rundfunkanstalten professionelle Audio- und Videotechnik

Verlage Elektronischen Publizieren enge Beziehungen zu Filmgesellschaften

1.1.4 zusammenfassung w3

Zur Darstellung von Information wird Text, Bild und Ton verwendet

Dies erhöht en Aufmerksamkeits- und Merkbarkeitsgrad entscheident

Involviert in die Entwicklungen sind vor allem Telekommunikations- und Unterhaltungsbranche, die Studiotechnik und Verlage.

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1.2 der medienbegriff

perzeptionsmedium repräsentationsmedium präsentationsmedium speichermedium übertragungsmedium informationsaustauschmedium zusammenfassung schlussfolgerung kleine übung

1.2.1 perzeptionsmedium

Abgeleitet von den menschlichen Sinnen:Wie nimmt der Mensch Informationen auf ?

Hören - auditive Medien: Musik Geräusch (Sound) Sprache

Sehen - visuelle Medien Einzelbild

Bild (Photo) Graphik

Bewegtbild Video Animation

Text

Fühlen (Braille Schrift), Schmecken, Riechen

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1.2.2 repräsentationsmedium

Abgeleitet von der rechnerinternen Darstellung:Wie wird die Information im Rechner kodiert ?

Beispiele: Text ASCII, EBCDIC, UNICODE Audio PCM-linear 16bit, .wav, .voc, .raw, ... Graphik: Videotext (CEPT), GKS, PICT,

Postscript, ... Einzelbild Fax Gruppe 3, JPEG, GIF, TIFF, ... Video PAL, SECAM, NTSC, CCIR-601, MPEG, ..

1.2.3 präsentationsmedium

Abgeleitet vom Hilfsmittel/Gerät zur Ein- und Ausgabe der Information:Worauf/Womit wird die Information ein- bzw. ausgegeben ?

Eingabe: Tastatur Kamera Miktofon DataGlove

Ausgabe Papier Bildschirm Lautsprecher Dual Shock Paddle

1.2.4 speichermedium

Abgeleitet vom verwendeten DatenträgerWorauf/Womit werden Informationen gespeichert ?

Nichtelektronische Speichermedien Papier Mikrofilm ...

Elektronische Speichermedien Magnetband Diskette Festplatte CD-ROM ...

1.2.5 übertragungsmedium

Abgeleitet vom Träger der Information kontinuierlich übertragen kann.Worüber wird Information übertragen ?

Kabelgebundene Übertragung Koaxialkabel Hohlwellenleiter Twisted Pair Glasfaser ...

Funkübertragung Luft Gas Luftleerer Raum

1.2.6 informationsaustauschmedium

Abgeleitet von den Datenträgern, die zur Übertragung von information verwendet werden.Welcher Informationsträger wird zum Austausch von Information zwischen Orten verwendet ?

Indirekte Übertragung mit Hilfe von (Zwischen)-Speichermedien :Papier, Mikrofilm, Diskette, ...

Direkte Übertragung über eine Übertragungsmedium

Koaxialkabel, Glasfaser, Luft, ...

1.2.7 zusammenfassung medienbegriff

PerzeptionsmediumWie nimmt der Mensch Informationen auf ?

RepräsentationsmediumWie wird die Information im Rechner kodiert ?

PräsentationsmediumWorauf/Womit wird die Information ein-/ ausgegeben ?

SpeichermediumWorauf/Womit werden Informationen gespeichert ?

ÜbertragungsmediumWorüber wird Information übertragen ?

InformationsaustauschmediumWelcher Informationsträger wird zum Austausch von Information zwischen Orten verwendet ?

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1.2.8 schlussfolgerung

Das Perzeptionsmedium(wie nimmt der Mensch die Information auf)kommt dem Begriff Medium im Kontextder Informationsverarbeitung am nächsten.

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1.2.9 kleine übung

Wo und wie ist das Fernsehen einzuordnen ?

Perzeptionmediumauditiv, visuell: Musik, Sprache, Geräusch, Bild, Graphik, Animation, Video

RepräsentationsmediumVideo/Audio (PAL)

PräsentationsmediumEingabe (Kamera, Mikrofon), Ausgabe (Bildschirm, Lautsprecher)

SpeichermediumMagnetband

ÜbertragungsmediumKoaxialkabel, Glasfaser, Luft, luftleerer Raum

InformationsaustauschmediumSpeichermedium, Übertragungsmedien

1.3 definition multimediasystem

darstellungsmodell darstellungsdimensionen definition: kombination von medien definition: unabhängigkeit definition: kommunikationsfähigkeit definition: rechnergestütze integration zusammenfassung definition

1.3.1 darstellungsmodell

Jedes (Perzeptions-)Medium definiert Darstellungswerte in Darstellungs-räumen, die sich an die fünf Sinne richten

Darstellungsräume Visuelle Darstellungsräume

Papier, Bildschirm, Leinwand Auditive (akustische) Darstellungsräume

Stereophonie, Quadrophonie

Darstellungswerte Text Folge von Buchstaben (Pixelbilder) Sprache Folge von Druckänderungen

1.3.2 darstellungsdimensionen

Darstellungsräume können unterschiedliche Dimensionen haben

Bildschirm 2 Dimensionen Holographie 3 Dimensionen Quadrophonie 4 Dimensionen

Zusätzliche Dimension: diskrete (zeitunabhängige)

Medien kontinuierliche (zeitabhängige)

Medien

Beispiele diskret Text, Graphik kontinuierlich Audio, Video

Zeit

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1.3.3 definition: kombination von medien

Qualitative Definition Ein System, das mehrere bzgl. der Zeitkontinuität

unterschiedliche Medien unterstützt Beispiel

Lern-CDs Kombination aus Text, Video und Audio

Web-Auftritt Kombination aus Text, Video

Quantitativ Definition Ein System, welches mehr als ein Medium unterstützt Beispiel

DTP Kombination von Text und Graphik

Fernsehen Kombination aus Video und Audio

Der Begriff Multimedia ist eher qualitativals quantitativ zu definieren

1.3.5 definition: unabhängigkeit

Die Medien müssen unabhängig voneinander zu verarbeiten sein

Gegenbeispiel: Film (Video) mit Untertitel (Text)

T T T T T T T

TTTTTTTTTTTTTTTTTTTT

1.3.6 definition: kommunikationsfähigkeit

Austausch von Informationen über Rechnergrenzen hinweg

Gegenbeispiel: Offline Lern-CDs

KommunizierendeMultimediasysteme

In einem (kommunizierenden) Multimedia-System werden Informationen

als Daten mit einem kontinuierlichen und diskreten Medium,

digitisiert und in einzelnen Einheiten (Pakete)

übertragen

1.3.4 definition: rechnergestütze integration

Das Multimediasystem muss in der Lage sein, Medien rechnergesteuert zu verarbeiten

Gegenbeispiel: Videorekorder - Bloße Aufnahme/Wiedergabe von unterschiedlichen Medien ohne Möglichkeit der Verarbeitung

Medien integriert zu verarbeiten Gegenbeispiel: Tabellenkalkulation setzt unterschiedliche

Medien Text, Graphik, Tabellen oft nicht in Bezug

Medien gleichartig zu verarbeiten Gegenbeispiel: e-Mail Programm: Video, Audio läßt sich

oft nicht wie Text bearbeiten und/oder übertragen

1.3.5 zusammenfassung definition

Ein Multimediasystem ist durch die rechnergestützte, integrierte Erzeugung, Manipulation, Darstellung, Speicherung und Kommunikation von unabhängigen Informationen gekennzeichnet, die in mindestens einem kontinuierlichen und einem diskreten Medium kodiert sind.

!

1.4 anforderungen multimediasystem

synchronisation datendurchsatz echtzeit zusammenfassung anforderungen

1.4.1 synchronisation

Asynchrone Übertragung Keine zeitliche Restriktion Anwendung: diskrete Medien (z.B. e-mail)

Synchrone Übertragung Maximale Ende-zu-Ende Verzögerung Anwendung: Audioübertragung

Isochrone Übertragung Maximale und Minimale Ende-zu-Ende Verzögerung Anwendung: Videoübertragung

Plesichrone Übertragung Exakte Ende-zu-Ende Verzögerung Anwendung: Breitbandkommunikation

Zw

ischenspeicherbedarf

1.4.2 datendurchsatz

kleine Datendurchsätze (Transferraten) typisch: 2400bit/sec- 56kbit/sec Technik: Modem, Telephonnetz Anwendung: Text

mittlere Datendurchsätze typisch: 64kbit/sec - 128kbit/sec Technik: ISDN, europäisches Telephonnetz, GPRS Anwendung: Text, komprimiertes Audio/Video

Hohe Datendurchsätze typisch: 10Mbit/sec - 100Mbit/sec Technik: LAN, B-ISDN (ATM) Anwendung: Audio, Video

Sehr hohe Datendurchsätze typisch: > 100Mbit/sec Technik: LAN, B-ISDN (ATM) Anwendung: HDTV, HD-Videokonferenzen, VOD

1.4.3 echtzeit

weiche Echtzeit zur Übertragung/Verarbeitung von Informationen, auf die

nicht "so schnell" reagiert werden muss

harte Echtzeit zur Übertragung/Verarbeitung von Informationen, auf die

innerhalb einer "sehr beschränkten Zeit" reagiert werden muss

1.4.4 zusammenfassung anforderungen

Ein Multimediasystem stellt hohe Anforderungen an

Synchronisation zur korrekten Wiedergabe von Informationen ohne

übermäßigen Speicheraufwand der End- und Zwischensysteme

Datendurchsatz zur korrekten Wiedergabe von Informationen über die Zeit

ohne Datenverluste

Echtzeit zur zeitnahen Wiedergabe von informationen

!

1.5 charakteristik kontinuierliche medien

zeitintervall variation zusammenhang zusammenfassung charakteristik kleine übung

1.5.1 zeitintervall

Charakterisierung nach Zeitintervalle zwischen der vollständig abgeschlossenen Übertragung aufeinander-folgender Informationseinheiten (Paketen)

Konstant / streng periodisch PCM-kodierte Sprache

Gruppenweise konstant / schwach periodisch strukturierte Informationseinheiten

Aperiodisch kooperative/dialogorientierte

Anwendungent

!

1.5.2 variation

Charakterisierung nach Variation der Datenmenge aufeinanderfolgender Informationseinheiten

Gleichbleibend / streng gleichmäßig unkomprimiertes Audio/Video

Periodisch variierend / schwach gleichmäßig komprimiertes Video (z.B) MPEG

Erstes Bild vollständig Nächsten Bilder Differenzen Danach wieder vollständig

Variierend / Ungleichmäßig komprimiertes Video

Erstes Bild vollständig danach nur Differenzen

t

!

1.5.3 zusammenhang

Charakterisierung nach Zusammenhang aufeinanderfolgender Pakete

Zusammenhängende Informationen bezieht sich auf Nutz- und Zusatzinformationen optimale Auslastung des Betriebsmittels z.B. 64kbit/s Audio bei ISDN-Gespräch

Unzusammenhängende Informationen oft Bandbreite Übertragungsmedium höher als

Bandbreitenbedarf der information z.B. Audio über Ethernet

t

!

1.5.4 zusammenfassung charakteristik

Charakterisierung nach Zeitintervalle zwischen der vollständig abge-schlossenen Übertragung aufeinander-folgender Informationseinheiten (Paketen)

Charakterisierung nach Variation der Datenmenge aufeinanderfolgender Informationseinheiten

Charakterisierung nach Zusammenhang aufeinanderfolgender Pakete

!

1.5.5 kleine übung

Digitales FernsehenVideosignal, PAL-Verfahren aufgenommen, im Rechner ohne Kompression digitisiert und über die Luft digital übertragen.

Streng periodisch streng gleichmäßig zusammenhängend

Web-FernsehenMPEG kodiertes Videosignal, über 16Mbit/sec Token-Ring übertragen:

schwach periodisch schwach gleichmäßig unzusammenhängend

!

1.6 zusammenfassung kapitel 1

was, warum und wer medienbegriff schlussfolgerung medienbegriff definition anforderungen charakteristik

1.6.1 was, warum und wer

Zur Darstellung von Information wird Text, Bild und Ton verwendet

Dies erhöht en Aufmerksamkeits- und Merkbarkeitsgrad entscheident

Involviert in die Entwicklungen sind vor allem Telekommunikations- und Unterhaltungsbranche, die Studiotechnik und Verlage.

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1.6.2 medienbegriff

PerzeptionsmediumWie nimmt der Mensch Informationen auf ?

RepräsentationsmediumWie wird die Information im Rechner kodiert ?

PräsentationsmediumWorauf/Womit wird die Information ein-/ ausgegeben ?

SpeichermediumWorauf/Womit werden Informationen gespeichert ?

ÜbertragungsmediumWorüber wird Information übertragen ?

InformationsaustauschmediumWelcher Informationsträger wird zum Austausch von Information zwischen Orten verwendet ?

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1.6.3 schlussfolgerung medienbegriff

Das Perzeptionsmedium(wie nimmt der Mensch die Information auf)kommt dem Begriff Medium im Kontextder Informationsverarbeitung am nächsten.

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1.6.4 definition

Ein Multimediasystem ist durch die rechnergestützte, integrierte Erzeugung, Manipulation, Darstellung, Speicherung und Kommunikation von unabhängigen Informationen gekennzeichnet, die in mindestens einem kontinuierlichen und einem diskreten Medium kodiert sind.

!

1.6.5 anforderungen

Ein Multimediasystem stellt hohe Anforderungen an

Synchronisation zur korrekten Wiedergabe von Informationen ohne

übermäßigen Speicheraufwand der End- und Zwischensysteme

Datendurchsatz zur korrekten Wiedergabe von Informationen über die Zeit

ohne Datenverluste

Echtzeit zur zeitnahen Wiedergabe von informationen

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1.6.6 charakteristik

Charakterisierung nach Zeitintervalle zwischen der vollständig abge-schlossenen Übertragung aufeinander-folgender Informationseinheiten (Paketen)

Charakterisierung nach Variation der Datenmenge aufeinanderfolgender Informationseinheiten

Charakterisierung nach Zusammenhang aufeinanderfolgender Pakete

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1.7 übung

Überlegen Sie sich eine "typische" multimediale Anwendung

Versuchen Sie, die Komponenten entsprechend der möglichen Medienklassifikationen einzuordnen.

Begründen Sie, weshalb Ihre Anwendung der Definition eines Multimediasystems entspricht.

Greifen Sie ein kontinuierliches Perzeptionsmedium heraus und charakterisieren Sie es.

!

kapitel 2 datenkompression

einleitung kodierverfahren grundlegende verfahren angewandte verfahren zusammenfassung

2.1 einleitung

motivation speicherbedarf einteilung zusammenfassung einleitung

2.1.1 motivation

Unkomprimierte Graphiken, Audio- und Videodaten fordern eine beträchtliche Speicherplatzkapazität

unkomprimierte Videodaten passen nicht auf CD oder DVD

Der Datentransfer dieser Medien fordert beträchtliche Bandbreiten

unkomprimierter Transfer von Videodaten ist über Primärmultiplex ISDN nicht möglich

Bestimmte Medien müssen für Speicherung und Transfer komprimiert werden

!

2.1.2 speicherbedarf

Text (640 x 480) / (8 x 8) = 4,8 Kbyte/Bildschirmseite

Bild Vektorbild 500 Geraden x 10 Byte/Gerade = 5,0 Kbyte/Bild Pixelbild 1024 x 768 x 24Bit = 2,3

Mbyte/Bildschirmseite

Audio Sprache Telefon: 8 KHz Abtastung x 8 bit/Abtastung = 8

Kbyte/sec CD-Musik: 44,1 KHz Abt. x 16 bit/Abt. x 2 (Stereo) = 172 Kbyte /sec

Video PAL

25 Bilder/sec x 625 x 833 Punkte x 3 Byte/Punkt = 37 Mbyte/sec Digitales Video (CCIR 601)

13,5MHz Lumin. + 2 x 6,75MHz Chromin. x 1 B/Pkt = 25 Mbyte/sec HDTV

CCIR 601 x 5,33 = 133 Mbyte/sec

!

2.1.3 einteilung

Anwendungen im Dialog-Modus Typisch für Bildübertragung und Videokonferenzen Anforderungen

Ende-zu-Ende Verzögerung < 500 ms Kompression, Dekompression < 150 ms (opt. 50 ms)

Anwendungen im Abfragemodus Typisch für audiovisuelle Auskunftsysteme Anforderungen

Schneller Vor- und Rücklauf mit Anzeige Wahlfreier Zugriff auf Einzelbild < 500 ms (ohne Kontextinformation)

Anwendungen in Dialog und Abfragemodus Anforderungen

Format unabhängig vom Darstellungsgerät Adaptierbare Datenraten Hoher Grad an Synchronisation

2.1.4 zusammenfassung einleitung

Übertragung und Speicherung unkomprimierter Medien, insbesondere von Video, ist zu aufwendig

Die Datenmenge unkomprimierter Medien beläuft sich auf bis zu 133 Mbyte/sec (HDTV)

Anforderungen im Abfrage und Dialogmodus erfordern maximale Gesamtlaufzeiten (< 500 ms) und maximale KoDek-Zeiten ( < 150 ms)

!

2.2 kodierungverfahren

überblick grundsätzliche kodierungsarten schritte bei der bildkompression dekodierung zusammenfassung

2.2.1 überblick

Kodierungsart Ausprägung Verfahren

Entropiekodierung Lauflängenkod.

Statistische Kodierung Huffmann-Kod.Arithmetische Kod.

Quellenkodierung Prädiktion DPCMDM

Transformation FFTDCT

Layered koding BitpositionUnterabtastungSubband-Kodierung

Vektorquantisierung

Hybride Kodierung JPEGMPEGH.263...

!

2.2.2 grundsätzliche kodierungsarten

Die Entropiekodierung kodiert ungeachtet der zugrundliegenden Information. betrachtet die zu komprimierten Daten als Bitsequenz. es werden nur Redundanzen eliminiert, es geht keine

Information verloren. unterschiedliche Kompressionsquoten bei unterschied-

lichen zu komprimierenden Daten.

Die Quellenkodierung verwendet die Semantik der zu kodierenden Information. ist oft verlustbehaftet. ist abhängig vom zu kodierenden Medium. Spezifika der Medien können gut genutzt werden. wesentlich bessere Kompressionsraten bei "akzeptabler"

Qualität.

!

2.2.3 schritte bei der bildkompression

Datenkompression durchläuft typischerweise vier Schritte:

1. Datenaufbereitung erzeugt eine geeignete digitale Darstellung der Information Bsp.: Zerlegung eines Bildes in Pixelblöcke

2. Datenverarbeitung erster Schritt der Kompression, z.B. Transformation aus

dem Zeitbereich in den Frequenzbereich

3. Quantisierung Gewichtung der Amplituden und Zuordnung zu

Quantisierungsstufen (nicht notwendigerweise linear)

4. Entropiekodierung verlustfreie Kompression

2.2.4 dekodierung

Die Dekodierung erfolgt invers zur Kodierung zwei Vorgehensweisen

Symetrische Kodierung Der Aufwand zur Komprimierung und Dekomprimierung ist

vergleichbar Eingesetzt bei häufig wechselnden Datenquellen Beispiel.: Life-CAMs

Asymmetrische Kodierung Der Aufwand zur Komprimierung und Dekomprimierung ist

ungleich Meist ist der Aufwand bei der Dekomprimierung wesentlich

einfacher Oft Dekompression in Echtzeit Eingesetzt bei konstanten Datenquellen Bsp.: Audio-Visuelle Lern-CDs

2.2.5 zusammenfassung kodierungsverfahren

Im wesentlichen unterscheidet manzwischen

Entropiekodierung Quellenkodierung hybride Kodierung

Die Kodierung besteht typischerweise aus vier Phasen:

Datenaufbereitung Datenverarbeitung Qualtisierung Entropiekodierung

Die Dekodierung erfolgt invers zur Kodierung und kann symetrischn oder asymetrische Aufwände haben

!

2.3 grundlegende verfahren

lauflängenkodierung huffmann-kodierung prädiktion / relative kodierung transformations-kodierung unterabtastung vektorquantisierung spezialformen

2.3.1 lauflängenkodierung

Voraussetzung Datenfolge besteht aus vielen Unterfolgenden identischen

Inhalts

Kodierung Die Folgen gleichen Inhalts werden mit einem

Markierungszeichen (oft M-Byte) markiert und mit dem Inhalt und der Länge der Folge kodiert

M-Byte als Markierung läßt sich durch Byte- /Bit-Stuffing eindeutig kennzeichnen, z.B.:

jedes Vorkommen des M-Bytes als Datum wird verdoppelt oft Kompression ab 4 identischen Zeichen

Dekodierung beim Dekompromieren wird jedes doppelt vorkommende M-

Byte halbiert Einfache M-Bytes, werden als M-Byte interpretiert und

veranlassen eine Interpretation der folgenden Bytes

Beispiel:ABCCCCCCCCDEFGGGABC!8DEFGGG

!

2.3.2 huffmann-kodierung

Voraussetzung: Es gibt unterschiedliche Häufigkeiten von Bit-Mustern

(Bytes)

Kodierung Die Häufigkeit des Auftretens der Bitmuster (Bytes) wird

bestimmt Die am häufigsten auftretenden Bytes werden mit kurzen

Bitfolgen (Huffmann-kode) kodiert Der Huffmann-code wird zur kodierung der Bitfolge

verwendet

Dekodierung Dekodierer besitzt identischen Huffmann-kode Dekodierer setzt den Huffmann-code in Bytefolge um

!

2.3.2 huffmann-kodierung • beispiel

seiP(A) = 0,16P(B) = 0,51P(C) = 0,09P(D) = 0,13P(E) = 0,11

P(B)=0,51

P(BCEAD)=1,0

1 0

P(CEAD)=0,49

1 0

P(D)=0,13 P(A)=0,16

P(AD)=0,29

1 0

P(C)=0,09 P(E)=0,11

P(CE)=0,2

1 0

Der Baum wird von oben nach unten mit den zwei Buchstaben (oder Buchstabengruppen) mit den jeweils kleinsten Wahrscheinlichkeiten schrittweise aufgebaut

KodierungA = 000B = 1C = 011D = 001E = 010

!

2.3.3 prädiktion / relative kodierung

Voraussetzung Aufeinanderfolgende Zeichen unterscheiden sich nicht stark

Kompression Speicherung nur der Differenzen

Dekompression Rekonstruktion der Zeichen durch Ableitung ab dem ersten

Zeichen

Anwendungen: Bild-kodierung: Kanten bei Bildern liefern große

Unterschiede, Flächen kleine (0). Aufeinanderfolgende Videobilder unterscheiden sich oft nur

in Details Differencial Pulse kodeModulation (DPCM) nur die

Amplitudendifferenzen werden, mit weniger Zeichen, kodiert

!

2.3.4 transformations-kodierung

Kodierung Transformation in einen anderen mathematischen Raum

Dekodierung Rücktransformation

Beispiele: Schnelle Fouriertransformation (FTT) Diskrete Kosinus-Transformation (DCT) Subband-Kodierung

Transformation nur einzelner Anteile des Spektrums sehr gut geeignet für Sprachkodierung

!

2.3.5 unterabtastung

Die Datenquelle wird nicht mit der zur vollständigen Rekonstruktion notwendigen Frequenz abgetastet

Notwendige Frequenz 2 x Grenzfrequenz (Shannonsches Abtasttheorem)

Dabei werden Eigenschaften der menschlichen Physiologie ausgenutzt

Reduktion des Qualitätsverlustes Beispiel Videokompression:

Hohe Abtastfrequenz der Luminanz,niedrige Abtastung der Chrominanz (YUV statt RGB),da der Mensch Helligkeitsunterschiede wesentlich deutlicher wahrnimmt als Farbunterschiede

!

2.3.6 vektorquantisierung

Voraussetzung: Datenfolge besteht aus vielen Unterfolgen ähnlicher (Bit-)

Muster

Kodierung Datenstrom wird in Blöcke zu n Bytes unterteilt Eine Tabelle enthält ein Menge von (Byte-)Mustern Ein Muster in einem Datenstrom-Block wird den Index

eines ähnlichen Musters in der Tabelle indiziert. Die Tabelle kann mehrdimensional sein, damit ist der

Index ein Index-Vektor.

Dekodierung Dekodierer besitzt identische Muster-Tabelle Dekodierer übersetzt Index (-Vektor) in Byte-Muster und

fügt dies zu einer Datenfolge zusammen

!

2.3.7 spezialformen I

Nullunterdrückung Spezialform der Lauflängenkodierung. Zusammenfassung nur der 0-Bytes

Pattern Substitution Spezialform der Vektorquantisierung Ermittlung des exakten Musters aus Tabelle Markierung eines Treffers über Markierungs-Byte (M-Byte) Verwendung auch bei Bild/Video mit Farbtabellen

Diatonic Enkoding Spezialform des Pattern Substitution Muster sind Buchstaben-Paare und ergeben sich aus

semantischen Eigenschaften der zu kodierenden Sprache

2.3.7 spezialformen II

Delta-Modulation Spezial form der Differential Pulse code Modulation

(DPCM) Kodierung der Differenzwerte 1 bit (steigend/fallend)

Adaptiver DPCM Spezial form der Differential Pulse code Modulation

(DPCM) Kennzeichnung leiser und hochfrequenter Stellen und

entsprechende Quantisierung mit den Differenzwerten

Adaptive Huffmann Kodierung Spezialfall der Huffmann kodierung kode-Tabelle wird dynamisch erstellt und geändert

2.3.7 zusammenfassung grundlegende verfahren

Entropiekodierung Lauflängenkodierung huffmann-kodierung

Quellenkodierung prädiktion / relative kodierung transformations-kodierungen unterabtastung vektorquantisierung

Es gibt zu vielen "reinen" Kodierungsverfahren Spezialformen

!

2.4 angewandte verfahren

JPEG H.261 / H.263 MPEG fraktale kompression

2.4.1 JPEG • übersicht

Von der Joint Photographics Expert Group (Joint CCITT and ISO) ab 1982 entwickelt

Anforderungen Unabhängigkeit von der Bild- und Pixelgröße, von der

Farbvielfalt und der statistischen Farbverteilung. Durchführbarkeit der Kodierung/Dekodierung von in

akzeptabler Geschwindigkeit per Software mit Standardprozessor.

Sequenzielle (Zeile um Zeile) und progressive (immer weiter verfeinernd) Dekodierung.

Verlustfreie und hierarchische (unterschiedliche Auflösungen) Kodierung.

1992 als ISO-Norm verabschiedet

!

2.4.1 JPEG • modi und durchführung

Verlustbehaftetet DCT-basierter Modus einziger Modus, der von jedem JPEG-Dekoder unterstützt

werden muß

Erweiterter verlustbehafteter DCT-basierter Modus erweitert den Basis Modus

Verlustfreier Modus wesentlich geringerer Kompressionsfaktor

Hierarchischer Modus beinhaltet Bilder verschiedener Auflösung, die jeweils

entsprechend einem der vorgenannten Modi kodiert wurde.

Bildauf-bereitungBildauf-

bereitung

Bildver-arbeitung

FDCT

Bildver-arbeitung

FDCT

Quanti-sierung

Quanti-sierung

Entropie-kodierungEntropie-kodierung

2.4.1 JPEG • vier schritte (modus 1)

1. Bildung von Ebenen (eventuell unterschiedlicher Auflösung) Beispiel: RGB - 3 Ebenen, YUV - 3 Ebenen, BMP - 1 Ebene

2. Transformation / Inverse Transformation der Bildpunkte mittels Diskreter Kosinus-Transformation (DCT)

3. Quantifizierung der einzelnen Pixel pro Ebene per Tabelle 8/12 bit (verlustbehaftet) 2-12 bit pro Ebene (verlustfrei)

4. Entropiekodierung Lauflängen Huffman Arithmetisch

16

)12(cos

16

)12(cos

7

0

7

04

1 vu

vyuxsccs

x y

yxvu

0 vu,für

2

1, vu cc

1,sonst bzw. vu cc

16

)12(cos

16

)12(cos

7

0

7

04

1 xy

vyuxsccs

x y

vuvu

2.4.2 H.261 / H.263

1990: CCITT Empfehlung H.261: Video kodec for Audiovisual Services at p x 64 Kbit/s

Speziell konzipiert für ISDN (auch Primärmultiplex) Auch als p x 64 bezeichnet max Verzögerung für (De)Kodierung < 150 ms

1996: CCITT Empfehlung H.263: Verfeinerung der Kompressionsalgorithmen von H.261 Konzipiert auch für kleinere Übertragungsraten (z.B. V.34)

Unterschiede von H.263 bzgl H.261 Kleinere Genauigkeit bei Bewegungen Aushandelbare optionale Teile bei H.263 erlauben CoDec-

Optimierung oft Faktor 2 schneller bei gleicher Qualität neben QCIF und CIF 3 zusätzliche Auflösungen: SQCIF,

4CIF, 16CIF (Common Interface Format)

2.4.2 H.261 / H.263 • formate

29,97 Pic/sec komprimiert auf min 15 Pic/sec Pixelkodierung nach CCIR 601

(Luminanz) Y : Cb : Cr (Chrominanz) = 2:1:1 Seitenverhältnis 4:3 Common Interface Format

CIF 352 x 288 (Luminanz) 176 x 144 (Chrominanz) 36,45 Mbit/sec

(Quarter)QCIF 176 x 144 bzw. 88 * 72 9,115 Mbit/sec Kompressionsrate für ISDN-B-Kanal bei 10 Bilder/sec

1:47,5 (was heute gut machbar ist)

2.4.2 H.261 / H.263 • kodierung

Intraframe (jedes Bild wird für sich kodiert) Kodierung nach DCT (wie JPEG)

Interframe (es werden Deltas verwendet) Prädiktionsverfahren, als Mustertabelle wird

vorangegangenes Bild verwendet Muster sind als DPCM-kodierte und anschließend DCT

komprimierte Makroblöcke abgelegt Bewegungsvektor des Musters wird

entropiekodiert (z.B. Lauflängenkodierung)

?Wer istgestorben

Bild n mitDynamic PCMerfasst und mit DCT kodiert, dientals Muster fürBild n+1

Bild n+1unterscheidetsich von Bild ndurch die um dieVektoren verschobenenTeile

!

2.4.3 MPEG

siehe Kapitel: Videotechnik

2.4.4 fraktale kompression

Verfahren:Keine Übertragung von Pixelinformation Übertragung von Transformationsfunktion, die auf ähnliches

Bild iterativ angewandt werden muss Ausnutzung der Selbstähnlichkeit von Bildern

Transformationsfunktion besteht aus Skalierung, Verschiebung, Rotation, Kontrast/Helligkeitsänderung

Eigenschaften Unabhängig von Bildgröße frei skalierbare Qualität (je nach Anzahl Iterationsschritte) Kompressionsfaktor 1:1000 erreichbar

Nachteile sehr Rechenzeitintensiv schlechte Effizienz bei Graphiken

!

2.4.5 zusammenfassung angewandte verfahren

JPEG ist der Standard für die Einzelbildkodierung

bis zu 255 Bildebenen bis zu 65535 x 65535 große Bilder unterschiedliche Qualitätsstufen

0,25 bit/Pixel - 0,5 bit/Pixel: mäßige Qualität 0,5 bit/Pixel - 0,75 bit/Pixel: gute Qualität 0,75 bit/Pixel - 1,5 bit/Pixel: sehr gute Qualität 1,5 bit/Pixel - 2 bit/Pixel: Vom Original nicht zu unterscheiden

H.261 / H.263 Standard Verfahren für Videotelephonie vorangetrieben durch Netzbetreiber zugeschnitten auf ISDN zufriedenstellend ab CIF

2.5 zusammenfassung

einleitung kodierungsverfahren grundlegende verfahren angewandte verfahren

2.5.1 einleitung

Übertragung und Speicherung unkomprimierter Medien, insbesonder von Video, ist zu aufwendig

Die Datenmenge unkomprimierter Medien beläuft sich auf bis zu 133 Mbyte/sec (HDTV)

Anforderungen im Abfrage und Dialogmodus erfordern maximale Gesamtlaufzeiten (< 500 ms) und maximale KoDek-Zeiten ( < 150 ms)

!

2.5.2 kodierungsverfahren

Im wesentlichen unterscheidet man zwischen Entropiekodierung Quellenkodierung hybride Kodierung

Die Kodierung besteht typischerweise aus vier Phasen:

Datenaufbereitung Datenverarbeitung Qualtisierung Entropiekodierung

Die Dekodierung erfolgt invers zur Kodierung und kann symetrischn oder asymetrische Aufwände haben

2.5.3 grundlegende verfahren

Entropiekodierung Lauflängenkodierung huffmann-kodierung

Quellenkodierung prädiktion / relative kodierung transformations-kodierungen unterabtastung vektorquantisierung

Es gibt zu vielen "reinen" Kodierungsverfahren Spezialformen

2.5.4 angewandte verfahren

JPEG ist der Standard für die Einzelbildkodierung

bis zu 255 Bildebenen bis zu 65535 x 65535 große Bilder unterschiedliche Qualitätsstufen

0,25 bit/Pixel - 0,5 bit/Pixel: mäßige Qualität 0,5 bit/Pixel - 0,75 bit/Pixel: gute Qualität 0,75 bit/Pixel - 1,5 bit/Pixel: sehr gute Qualität 1,5 bit/Pixel - 2 bit/Pixel: Vom Original nicht zu unterscheiden

H.261 / H.263 Standard Verfahren für Videotelephonie vorangetrieben durch Netzbetreiber zugeschnitten auf ISDN zufriedenstellend ab CIF

kapitel 3 speichermedien

überblick basistechnologien (read only) CD-DA CD-ROM CD-ROM/XA CD-I weitere Formate (read only) CD-R/WO CD-MO/RW DVD logische Formate

3.1 überblick

anforderungen historie • bis zur CD-ROM historie • erweiterungen historie • beschreibbare CD zusammenfassung überblick

3.1.1 anforderungen

Anforderungen M

ultimedia

hohe Speicherkapazität

w

ahlfreier Zugriff

Transportabilität

geringe Kosten

schneller Lese-/Schreibzugriff

Verfügbarkeit Lesegeräte

H

andhabung

Speichermedien Magnetische

Diskette Festplatte Magnetbänder (TK50, DAT, ...)

Optische Compact Disc (CD, DVD)

!

3.1.2 historie • bis zur CD-ROM

1973 Video Long Play (VLP) Bildplatte analoge (wertdiskret, zeitkontinuierlich) Technik wenig Erfolg

1982 Compact Disc Digital Audio (CD-DA) digitale Technik. Spezifiziert von Philips/Sony (Red Book) 30 Mio CD-DA-Player, 450 Mio CDs in ersten 5 Jahren

1985 CD read only Memory (CD-ROM) spezifiziert von Philips/Sony (Yellow Book) 1988 Spezifikation der physikalischen Struktur (ECMA-119) Konsortium High-Sierra Proposal: Spezifikation der logischen

Struktur (ISO 9660,)

3.1.3 historie • erweiterungen

1986 CD interactive (CD-I) spezifiziert von Philips/Sony (Green Book)

1987 Digital Video Interactive (DVI) spezifiziert von Philips/Sony (De-)Kompression von Video-/Audiodaten auf CD-ROM

1989 CD-ROM extended Architecture (CD-ROM/XA)

spezifiziert von Philips/Sony Spezifikation für mehrere Medien auf optischen

Datenträgern

3.1.4 historie • beschreibbare CD

1991 CD write once (CD-WO / CD-R) Spezifiziert im Orange Book einmal beschreibbar

1991 CD magneto optical (CD-MO) Spezifiziert im Orange Book mehrmals beschreibbar

1995 CD read write (CD-RW) Spezifiziert (1991) im Orange Book löschbare und mehrmals beschreibbare CD

1997 Digital Video Disc (DVD) Spezifikation vom DVD-Konsortium

3.1.5 zusammenfassung überblick

Die Anforderungen von Multimediasystemen an eine Speichermedium sind z.Z. nur mit optischen Speichermedien realisierbar

Die Entwicklung vollzog sich bislang in drei Etappen

Bis zur CD-ROM Erweiterung, insbesondere der logischen Struktur auf CD-

ROM Erweiterung der physikalischen Fähigkeit um die

Beschreibbarkeit

Die "Krone" der aktuellen Entwicklung stellt die DVD dar

Die Entwicklung wird weiter rasant verlaufen

!

3.2 basistechnologie (read only)

aufbau ausprägungen digitale informationsdarstellung problem: zugriffsgeschwindigkeit zusammenfassung basistechnologie

3.2.1 aufbau

Abtastung durch Laserstrahl ca. 780 nm, 1 m Fokus in 1 mm Abstand

Eine Spur (nicht wie bei HD), von innen nach außen 1,66 bit / m, 1 Mio bit/mm2

Keine Verschleiß, keine magnetischen Effekte

Schutzschicht

Reflexionsschicht

Substratschicht(Polykarbonat)

1,2 m

0,6 mland

pit

1,6 m

!

3.2.2 ausprägungen

analoge aufzeichnung wertdiskret (0, 1) zeitkontinuierlich

Übergang zwischen 0 / 1 / 0 kann zu jedem Zeitpunkt erfolgen

Bsp.Video Long Play (VLP)

Digitale Aufzeichnung wert- und zeitdiskret

3.2.3 digitale informationsdarstellung

Kodierung pits und lands kodieren logische Nullen Flanken zwischen pit/land bzw. land/pit kodiereb logische

Einsen

Zwei aufeinander folgende Einsen sind nicht darstellbar

Einfügen von Füllbits zwischen die bits eines Bytes und zwischen Bytes (sog. Verbindungsbits)

Synchronisation Synchronisation der CD in der Zeit über Synchronisations-

Bitmuster

Fehlererkennung Redundante Bits zur Fehlererkennung und -korrektur

!

3.2.4 problem: zugriffsgeschwindigkeit

Zugriffszeiten von ca. 400 bis ca. 100 msec akzeptabel für Audio, für Daten im Vergleich zur HD (6 ms) schlecht.

Gründe: Synchronisationszeiten

Einstellung der internen Taktfrequenz auf CD-Signalmehrere ms

Rotationsverzögerungbei 1 x Geschwindigkeit ca. 300msbei 40 x Geschwindigkeit ca. 6,3 ms

Seek-ZeitEinstellung des exakten Radiusesca. 100ms

Mögliche Zeiten: unter 100ms

3.2.5 zusammenfassung basistechnologie

Eine Compact Disk besteht aus einem Substrat auf das eine reflektierende Schicht aufgebracht ist. Die Reflexionsschicht wird durch eine transparente

Schutzschicht vor Beschädigung geschützt

Nach den wenig erfolgreichen analogen Aufzeichnungsverfahren wird heute nur noch digital aufgezeichnet.

Die physikalische Informationsdarstellung ist extrem redundant

Die Zugriffsgeschwindigkeit mit nicht viel weniger als 100ms gilt als grundsätzliches Problem

!

3.3 CD-DA

technische daten physikalische grenzen fehlerkorrektur frames aufbau einer CD zusammenfassung CD-DA

3.3.1 technische daten

Durchmesser: 12 cm konstante Bahngeschwindigkeit

Constant linear Velocity, CLV Umdrehungszahl abhängig vom Radius der Bahn Spiralförmige Spur mit ca. 20000 Windungen (LP: 850

Windungen)

Länge der Pits: n x 0,3 m 44,1 KHz Abtastrate (PulseCodeModulation) à

16 bit Stereo (172,3 Kbyte/sec) Dynamik 96dB (LP: 50-60dB) Laufzeit: mindestens 74 min

Nutzdaten (ohne Fehlerkorrektur) 747 Mbyte

3.3.2 physikalische grenzen

Probleme Jeder Wechsel Pit/Land bzw. Land/pit entspricht einer Eins.

Eins-Folgen lassen sich aufgrund der Laserauflösung nicht korrekt lesen.

Der minimale Abstand ist 2 bit (also 1001)

Lange Null-Folgen (Pit-Plateaus oder Land-Täler) erschweren die Synchronisation

Nicht nur innerhalb eines Bytes, sondern auch zwischen benachbarten Bytes können Eins-Folgen entstehen

Eight-to-Fourteen Modulation (EFM) fügt Bits ein Ein Byte wird mit 14 bit kodiert

z.B. 00000000 01001000100000

3 Füllbits verhindern Eins-Folgen zwischen Bytes

!

3.3.3 fehlerkorrektur

Fehler resultieren meist aus Kratzer und Verschmutzung und sind burst-artig

Fehlerbehandlung in zwei Ebenen(Cross Interleaved Reed Solomon)

1. Ebene Verfahren nach Reed-Solomon Aus 24 Audiobytes werden 2 Gruppen von je 4 Korrekturbytes

gebildet Erste Gruppe korrigiert Einzelbytefehler Zweite korrigiert Doppelbytefehler und erkennt weitere Fehler

2. Ebene: Framekonzept hintereinanderliegende Datenbytes auf mehrere Frames (588

Kanalbitblöcke / 24 Audiobytes) verteilt so betrifft ein burst-artiger Fehler nur wenige Bytes

Fehlerrate 10 -8 : Kratzer von 7.7 mm, Löcher von 2mm können erkannt werden

!

3.3.4 frames

Audiodaten Je zwei Gruppen à 12 Audiobytes, Jede Gruppe enthält

Low- bzw. High-Byte des linken und rechten Kanals.

Fehlerkorrektur: wie oben beschrieben Control- und Display Byte

8-bit (sog. P,Q,R,S,T,U,V,W-Subchannels) Die Subchannels von 98 Frames werden zu Blöcken

(Subchannel-frames) zusammengefasstdavon sind 72 bit Nutzinformation

P-Subchannel: Unterscheidung CD-DA / CD mit Daten Q-Subchannel: Inhaltsverzeichnisses, Zeiten

Synchronisationsmuster Kennzeichnung des Framestarts mit 12 Einsen, 12 Nullen

und 3 Füllbits

2 x 4 x 14 + 3

14 + 3

24 + 3

2 x 12 x 14 + 3

EFMFüllbits

588 bits

3.3.5 aufbau einer CD

3 Bereiche Lead-in: Inhaltsverzeichnis mit Beginn aller Tracks Tracks zur Speicherung der Daten Lead-out: Zur Begrenzung der Tracks

Tracks max. 99 Tracks pro CD-DA Jeder Track kann mehrere positionierbare Index-Points

besitzen Meist nur zwei Index-Points:

IP0: Anfang des Tracks

IP1: Anfang der Audiodaten

IP1 - IP0 wird als Track-Pregap bezeichnet (2 - 3 Sec)

Blöcke 98 Frames werden logisch zu Blöcken zusammengefasst In Blöcken sind nur Subchannels von Bedeutung

3.3.6 zusammenfassung CD-DA

CD-DAs speichern Musik in einer, vergleichbar zur LP, herausragenden Qualität.

Aufgrund physikalischer Grenzen müssen Eins-Eins-Sequenzen durch die Eight-Fourteen-Modulation (EFM) und Füllbits vermieden werden.

Die CD-DA besitzt ausgereifte Mechanismen zur Korrektur von burst-artigen Fehlern.

Audiodaten werden in Frames mit Fehlerredundanz-, Informations- und Synchronisationsdaten logisch zusammengefasst.

Eine CD-DA besteht, neben einem ein- und ausführenden Teil, aus bis zu 99 Tracks.

!

3.4 CD-ROM

anforderungen ansatz modi überblick datenhierarchie zusammenfassung

3.4.1 anforderungen

CD-ROM sollen neben Audiodaten auch Rechnerdaten und weitere Medien speichern können.

Die CD-ROM soll den wahlfreien Zugriff auf die Daten ermöglichen

die CD-DA besitzt als Positionspunkte nur die Tracks mit ihren (meist 2) Index-Points

die Auflösung der Positionierung bei CD-ROM soll höher sein

Die CD-ROM soll eine gegenüber der CD-DA verbesserte Fehlerkorrektur besitzen

3.4.2 ansatz

die CD-ROM kennt zwei Typen von Tracks Audio-Tracks

entsprechen der CD-DA

Daten-Tracks

Innerhalb der Tracks darf nur ein Medium gespeichert sein

Eine CD-ROM kann aber unterschiedliche Medien beinhalten

gemischte CD-ROMS werden als Mixed Mode Disc bezeichnet

im Mixed Mode werden zunächst die Datentracks und anschließend die Audio-tracks angeordnet

3.4.3 modi

Mode 0 dient zur Abgrenzung von Speicherblöcken alle Nutzdaten sind auf Null gesetzt

Mode 1 zur Fehleredundanten Speicherung von Daten Aufteilung des Blocks:

Verwaltungsinformation (16 Bytes: Sync, Header) Daten (2048 Bytes) Fehlerredundanz (280 Bytes, damit Fehlerrate < 10-12)

650 Mbyte pro CD-ROM

Mode 2 für weitere Medien Aufteilung der Blöcke

Verwaltungsinformation (16 Bytes: Sync, Header) Daten (2336 Bytes)

741,85 Mbyte pro CD

!

2352 Nutzbytes / 7203 Kanalbytes, 2352 Nutzbytes / 7203 Kanalbytes, Block

330000 Blöcke330000 BlöckeCD

3.4.4 überblick datenhierarchie

Mode 0 1212 44 2336 Nullen 2336 Nullen

Mode 1 1212 44 2048 Daten2048 Daten 4 CRC4 CRC 88 276 CRC276 CRC

Mode 2 1212 44 2336 Daten 2336 Daten

Vier Arten von Blöcken

Audio 73,5 (frame)73,5 (frame) 73,5 (frame)73,5 (frame) 73,5 (frame)73,5 (frame)... 98 x ...

3.4.5 zusammenfassung CD-ROM

Die CD-ROM soll wahlfrei und fehlerunanfällig multimediale Daten zugänglich machen

Neben Audio-Blöcken gibt es Modi für Rechnerdaten und sonstige Medien

Die Datenhierarchie unterteilt eine CD-ROM in Blöcke (entweder Audio, Daten oder sonstiges Medium) die wiederum entsprechend ihres Verwendungszweckes unterstrukturiert sind

!

3.5 CD-ROM/XA

ansatz forms daten innerhalb der forms zusammenfassung CD-ROM/XA

3.5.1 ansatz

Gleichzeitige Wiedergabe von Medien soll ermöglicht werden

die ist bei CD-ROM nicht vorgesehen "historische" Vorgänger: CD-I, DVI

Ansatz Erweiterung der CD-ROM Spezifikation Verwendung von Mode-2 Blöcken die Verzahnung unterschiedlicher Medien innerhalb eines

Tracks ist möglich Definition von zwei Untermodi, sog. Forms

3.5.2 forms

Form 1 verbesserte Fehlererkennung und -korrektur Definition eines Sub-Headers

Form 2 auf Kosten der Fehlerbehandlung eine um 13% höhere

Datenausnutzung

Sync12

Sync12

Head4

Head4

SubHead8

SubHead8

Data2048

Data2048

EDC4

EDC4

ECC276

ECC276

Sync12

Sync12

Head4

Head4

SubHead8

SubHead8

Data2324

Data2324

EDC4

EDC4

3.5.3 daten innerhalb der forms

Audiodaten mit ADPCM (adaptive Difference Pulse Modulation) komprimiert

Differenz wird jeweil mit 4 bit kodiert 19 Stunden Musik theoretisch möglich dadurch Kombination mit anderen Medien möglich

4 Audio-Qualitätssstufen Level B Stereo

Abtastfrequenz 37,8 KHz (CD-DA 41,1 KHz) Kompressionsrate zu CD-DA 4:1 (4 Stunden, 48 min Musik)

Level B Mono Kompressionsrate 8:1 (8 Stunden, 36 min Musik)

Level C Stereo Abtastfrequenz 18,9 KHz Kompressionsrate 8:1

Level C Mono 19 Stunden, 12 min Musik

3.5.4 zusammenfassung CD-ROM/XA

Gleichzeitige Wiedergabe verschiedener Medien möglich

Nutzt Mode-2 der CD-ROM Spezifikation für Erweiterungen

form 1: sehr fehlerredundante Daten form 2: 13% mehr Daten

Für das Audio-Format sind 4 Qualitätsstufen bis zum Kompressionsfaktor 1:16 (bzgl. CD-DA) spezifiziert.

MPEG verwendet kein adPCM und ist zu CD-ROM/XA nicht komatibel

!

3.6 CD-I

ansatz medien zusammenfassung CD-I

3.6.1 ansatz

CD-I soll(te) multimediale Anwendungen in der Unterhaltungselektronik verfügbar machen

CD-I ist nicht nur ein Speichermedium sondern ein System, bestehend aus

optisches Speichermedium Abspielgerät

basierend auf MC-68K Prozessor-Familie

Betriebssystem RTOS basierend auf OS/9

In-/Output Geräte Joystick, Maus RGB-Monitor, Fernseher

Kompatibel zu CD-DA

3.6.2 medien

Audio Level A: 37,8 KHz Abtastung, 8 bit ADPCM, 2,4 Stunden

Stereo Level B: 37,8 KHz Abtastung, 4 bit ADPCM, 4,8 Stunden

Stereo Level C: 18,9 KHz Abtastung, 4 bit ADPCM, 9,6 Stunden

Stereo

Bild YUV-Modus

360 x 240 Pixel bei 18 bit = 194 Kbyte

Color Look Up Table (CLUT - ähnlich GIF) 720 x 240 Pixel bei 4 bit/Pixel (3,7 oder 8) = 86 KByte

RGB-Modus 360 x 240 Pixel bei 15+1 bit/Pixel = 172 Kbyte

Video Lauflängenkodierung (20000 Byte/Bild)

3.6.3 zusammenfassung CD-I

CD-I ist eine Systembeschreibung, konzipiert für multimediale Anwendungen in der Unterhaltungselektronik

Speziell: Verknüpfung Audio-Daten mit weiteren Medien

CD-i verknüpft Audio mit Standbildern und Bewegtbildern

z.B. Bilder der Interpreten Cover Video-Clips

CD-I ist seit 1997 vom Markt verschwunden

!

3.7 weitere formate (read only)

CD-I ready format CD bridge disc photo CD digital video interactive (DVI) zusammenfassung weitere formate

3.7.1 CD-I ready format

CD-I Speichermedien, d.h. die Audioteile, sollen auch auf CD-DA Abspielgeräten abspielbar sein.

Ablage der zusätzlichen (nicht Video-) Information in Track-Pregap

zwischen IP0 und IP1

Erweiterung des Pregaps von 2-3 Sekunden auf 182 Sekunden

Abspielen einer CD-I Ready Format Mit CD-DA: Ignorieren des Pregaps Abspielen mit CD-I: Auslesen und Interpretieren des Pregaps Mixed Mode Abspielen auf CD-I: Gleichzeitiges Interpretieren

des Pregaps und Abspielen der zugehörigen Audiodaten.

3.7.2 CD bridge disc

Ansatz wie CD-I Ready Format:Schaffung der Abwärtskompatibilität

Allerdings hier: Schaffung der Kompatibilität zu CD-ROM/XA und CD-I statt CD-DA

Beziehungen:

CD-XACD-ICD-DA

CDBridgeDisc

CD-IReadyDisc

3.7.3 photo CD

Entwickelt von Eastman Kodak und Philips Basiert auf CD-WO-Technik

ein Teil ist schon beschrieben ein zweiter Teil einmal beschreibbar

Anwendung einer CD Bridge Disc alos kompatibel zu CD-I und CD-ROM/XA

Zur Speicherung von Bildern Speicherung erfolgt durch entwickelndes Photolabor

Qualitäten Luminanz und 2 x Chrominanz mit je 8 bit 6 Auflösungen

128x192, 256x384, 512x768, 1024x1536, 2048x3072,4096x6144

Kompression mit JPEG

3.7.4 digital video interactive (DVI)

Beschreibt, wie DV-I, ein System Kompressions- und Dekompressionsalgorithmen für

Bewegtbilder in Echtzeit Benutzerschnittstelle (Audiovisual Kernel, AVK) Datenformate

DVI ist weniger Speiche-r, als vielmehr Kompressionstechnologie

verwendet CD-ROM Mode 1 zur Speicherung ähnliche Entwicklungen auch bei Commodore:

Commodore Dynamic Total Vision - CDTV)

3.7.5 zusammenfassung weitere formate

CD-I ready format versucht, wahrscheinlich aus Marketing-Gründen, die Abwärtskompatibilität zu CD-DA herzustellen

CD bridge disc versucht dassselbe mit CD-I und CD-XA

Kodaks Photo-CD ist eine Anwendung der CD Bridge Disc Technologie und hat im Nischensektor einigen Erfolg

DVI ist eine (De-)Kompressionstechnologie und wird wahrscheinlich von den MPEG-Entwicklungen überrollt.

!

3.8 CD recordable (CD-R / CD-WO)

physikalischer aufbau CD-R logischer aufbau CD-R zusammenfassung CD-R

3.8.1 physikalischer aufbau CD-R

Zusätzliche Absorptionschicht zwischen Reflexionsschicht und Substratschicht

Vorab eingravierte Spur Irreversible Änderung der Reflexionseigenschaften

Durch Erhitzung auf 2500C durch Laser

CD-Rs sind in "normalem" Gerät lesbar CD-R werden manchmal auch als CD-WO (Write

Once) bezeichnet

Schutzschicht

Reflexionsschicht

Substratschicht(Polykarbonat)Absorptionschicht

!

3.8.2 logischer aufbau CD-R

Abspeichern des Inhaltsverzeichnisses im Lead-IN

Vor 1992 konnten Geräte nur einen Lead-In (eine Session) erkennen regular CD-R

Nach 1992 waren multi-session-fähige Geräte auf dem Markt hybrid CD-R

Lead InLead In DataData Lead OutLead Out

Regular CD-R

LeadIn

LeadIn

DataDataLeadOut

LeadOut

LeadIn

LeadIn

DataDataLeadOut

LeadOut

LeadIn

LeadIn

DataDataLeadOut

LeadOut

...

Hybrid CD-R

3.8.3 zusammenfassung CD-R

Die CD-R ist ein WORM (Write Once, Read Multiple)

Die Information wird durch Erhitzen mit einem Laser in speziellen CD-Schreibgeräten gebrannt

der Brennvorgang ist kontinuierlich, bedarf also einer konstanten Zuführung von Daten durch den Rechner

Neuere CD-R Geräte sind multi-session-fähig Die CD-R könnte die CD-DA ablösen ist in der

Produktion allerdings teurer

!

3.9 CD magneto-optical (CD-MO/CD-RW)

ansatz struktur CD read-write (CD-RW) zusammenfassung

3.9.1 ansatz

Spezifiziert im Orange book (erster Teil) 1991 Ermöglicht mehrmaliges Schreiben der CD Physikalischer Ansatz

Bei hohen Temperaturen lassen sich in bestimmten Materialien Dipole durch ein Magnetfeld ausrichten

Bei der CD-MO erhitzt ein Laser die Oberfläche auf 1500C. In einem Magnetfeld von 10facher Erdmagnetfeldstärke werden Dipole nach unten oder oben ausgerichtet. Diese Ausrichtung ändert die Lichtreflexion.

Beim Löschen wird ein konstanten Magnetfeld angelegt Das Verfahren ist also ein magnetisches

Aufzeichnungsverfahren kombiniert mit einem optischen Abtastverfahren

3.9.2 struktur

Die CD-MO ist (optional) zweigeteilt Premastered Area (optional)

Nur lesbarer Bereich, der initial auf die CD-MO aufgebracht wurde.

Rocordable Area

Die Technik ist inkompatibel: CD-MO (oder CD-RW) ist nicht mit CD-DA, CD-ROM, CD-ROM/XA oder CD-WO Gerät lesbar.

CD-DACD-DA

RecordableArea

RecordableArea

PremasteredArea

PremasteredArea

CD-MOCD-MO

3.9.3 CD read-write (CD-RW)

Die CD-RW ist eine Weiterentwicklung der CD-MO

Physikalisches Prinzip wie bei der CD-MO Erhitzung durch impulsartige Energiezufuhr

durch den Laser CD-RW können auf alten CD-ROM

Lesegeräten oft nicht gelesen werden. Der Reflexionsgrad liegt bei 15-20%

Zum Vergleich Reflexionsgrad CD-DA: 70% Reflexionsgrad CD-R/WO: 65 %

Neuere Geräte besitzen eine Signalverstärkungsanpassung und können CD-RW lesen

3.9.4 zusammenfassung CD-MO/RW

Die CD-MO/RW ermöglicht das mehrmalige Beschreiben von CDs

Die CD-MO/RW ist strukturell optional zweigeteilt

Die CD-RW ist eine technische Fortentwicklung der CD-MO

Die CD-MO kann auf keinem CD-ROM Lesegerät gelesen werden.Die CD-RW kann nur auf neueren Geräten gelesen werden

!

3.10 Digital Versatile Disc (DVD)

standards versionen technik aufbau dekoder vergleich CD DVD zusammenfassung DVD

3.10.1 standards

Die DVD-Standards wurden 1996 vom DVD-Konsortium im "Buch A" bis "Buch E" spezifiziert

Folgende Standards sind in diesen Büchern beschrieben:

DVD-ROM (Buch A: DVD Read Only Specification)Speichermedium hoher Kapazität. Nachfolger der CD-ROM

DVD-Video (Buch B: DVD Video Specification)Speichermdeium für lineare Videodatenströme

DVD-Audio (Buch C: DVD Audio Specifivcation)Speichermedium für lineare Audiodatenströme, Nachfolger der CD-DA

DVD-R (Buch D: DVD Recordable Specification)Einmalig beschreibbare DVD, Nachfolger der CD-R

DVD-RW/RAM (Buch E: DVD Rewritable Specification)Wiederbeschreibbare DVD, Nachfolger der CD-RW

3.10.2 versionen

Bezeichnung Ø Seiten Schichten Kapazität AnmerkungDVD-5 12 SS SL 4,38 GB > 2 Std. VideoDVD-9 12 SS DL 7,95 GB ca. 4 Std. VideoDVD-10 12 DS SL 8,75 GB ca. 4,5 Std VideoDVD-18 12 DS DL 15,9 GB > 8 Std Video

8 SS SL 1,36 GB ca. 0,5 Std Video8 SS DL 2,48 GB ca. 1,3 Std Video8 DS SL 2,72 GB ca. 1,4 Std Video8 DS DL 4,95 GB ca. 2,5 Std Video

DVD-R 12 SS SL 3,68 GBDVD-R 12 DS SL 7,38 GBDVD-R 8 SS SL 1,15 GBDVD-R 8 DS SL 2,3 GBDVD-RAM 12 SS SL 2,4 GBDVD-RAM 12 DS SL 4,8 GB

SS Single SideDS Double SideSL Single LayerDL Double Layer

3.10.3 technik

Die technischen Grundlagen der DVD entsprechen denen der CD

Die Vergrößerung der Speicherkapazität wurde bei der DVD durch folgende Maßnahmen erreicht:

Verkleinerung der Pits (von 0,6 m auf 0,24 m) und damit auch der Abstände zwischen aufeinanderfolgenden und nebeneinanderliegender Pits (von 1,6 m auf 0,74 m).

Vergrößerter Datenbereich Effizientere Bikodierung: (EFM+ - Eight to fourteen+)

8/16 Modulation, dadurch Einsparung der Füllbits. Effizientere Fehlerkorrektur Geringerer Sektor-Overhead Benutzung beider Seiten Verwendung von zwei Fokusierungsebenen

!

3.10.4 aufbau

37856 Bytes 37856 Bytes 37856 Bytes 37856 Bytes...

Blöcke

... 16 x ...2064 Bytes 2064 Bytes 2064 Bytes

Sektoren (16 pro Block + Fehlererkennung)

4832 Bytes

33024 Bytesvon 37856 BytesNutzinformation( 87%)

12 Byte Sektor Header160 Byte Nutzdaten

172 Byte Nutzdaten

172 Byte Nutzdaten

168 Byte Nutzdaten 4 Byte Fehlererkennung

Zeilen (12 pro Sektor)

... 10 x ...

3.10.5 dekoder

Die Dekodierung erfolgt beim Durchlauf von 6 Ebenen Ebene 1: Synchronisation, 8/16 Demodulation, Sektorerkennung

Eingehende Kanalbitrate 26,16 Mbit/s, danach 13 Mbit/s. Ebene 2: Fehlererkennung (EDC) und -beseitigung (ECC)

Nutzdatenrate sinkt auf 11,08 Mbit/s. Ebene 3: Discrambling und Descryption

Entfernung von Permutationen und Verschlüsselungen (als Kopierschutz)

Ebene 4: EDC-PrüfungErneute Fehlererkennung

Ebene 5: Track ZwischenspeicherEventuell Umwandlung der festen Datenrate in variable Datenrate. Nutzdaten hier noch 10,08 Mbit/s

Ebene 6: Datentransfer zum MPEG-DekoderVerteilung der Daten (Demultiplexing) auf Anwendungen (z.B. MPEG-Dekoder)

3.10.6 vergleich CD DVD

CD DVDDurchmesser ca. 120 mm 80mm / 120mmStärke ca. 1,2 mm 1,2 mmLaser-Wellenlänge 780 nm (Infrarot) 650/635 nm (rot)Track-Abstand 1,6 m 0,74 mMin. Pit-Länge 0,83 m 0,4 mDaten-Layer 1 1 / 2Seiten 1 1/2Kapazität ca. 650 MB bis 15,9 GBVideo-Standard MPEG-1 MPEG-3Videokapazität ca. 1 Std bis 8 StdSound-Tracks 2-Kanal MPEG 2-Kanal PCM

(optional 8 Ströme)Untertitel bis zu 32 Sprachen

3.10.7 zusammenfassung DVD

DVD deckt die Funktionalitäten aller CD-Standards ab

Unterschiedlicher Versionen unterscheiden sich im Durchmesser sowie der Anzahl der Seiten und Schichten

Die Speicherkapazität beträgt zwischen 1,3 GB und 15,9 GB haben

Die DVD-Technik optimiert der CD-Technik Die DVD ist in Blöcke, Sektoren und Zeilen

strukturiert Der DVD Dekoder durchläuft 6 Ebenen Die DVD stellt in (fast) allen Bereichen einen

Fortschritt gegenüber der CD dar

!

3.11 logische formate

der ISO 9660 standard die ISO 9660 struktur erweiterungen der ISO 9660 verwendung zusammenfassung logische formate

3.11.1 der ISO 9660 standard

1990 wurde im Del Webb's High Siera Hotel & Casino der High Sierra Proposal erarbeitet. Dieser Proposal war Vorlage für den ISO 9660-Standard

Die ISO 9660 definiert ein File-System, bestehend aus:

Definition eines Directory Baumes Zusätzlich Liste aller Direktories (Path Table) Path Table kann bei erstem Zugriff auf CD lokal gespeichert

werden

Probleme Dateiattribute Lange Filenamen Bootfähigkeit

!

3.11.2 die ISO 9660 struktur

Das File-System wird im ersten Track abgelegt:

Primary Volume DescriptorLänge des DateisystemsLänge und Adresse der Path Table

16 Blöcke (à 2352 Byte, 2048 Byte Nutzinformation)

System AreaherstellerspezifischerBereich

Supplementory Volume Descriptorseventuell weitere Dateisysteme

...

Volume Descriptor Terminatorkennzeichnet das Ende der Dateisysteme

3.11.3 erweiterungen der ISO 9660

Rockbridge Erweiterung Anpassung an UNIX-Filesystem lange Dateinamen Links Zugriffsrechte

Joliet Filesystem Anpassungen an Windows 95 / NT insb. lange Dateinamen

El Torito Erweiterung um boot-Fähigkeit

ISO 13490 Bessere Unterstützung der Multisession-Fähigkeiten

!

3.11.4 verwendung

keine Dateisystem CD/DA CD-ROM/XA

ISO 9660 DVI CD-ROM CD-R/WO CD-RW/MO

Rockbridge, Joliet, El Torito CD-ROM CD-R/WO CD-RW/MO

ISO13490 DVD

3.11.5 zusammenfassung

Dateisysteme können nach der ISO9660 Spezifikation auf einer CD angelegt werden

Nach ISO 9660 sind Informationen über das Dateisystem ab dem 16. Sektor im 1. Track untergebracht

Erweiterungen der ISO 9660 erlauben u.A. längere Dateinamen, Dateiattribute und Links

Die bedeutenden Erweiterungen sind die Rockbridge Erweiterung, das Joliet Filesystem, die El Torino Erweiterung und die ISO 13490

Die meisten CD-Formate unterstützen alle Dateisysteme bis auf die ISO13490. Letztere wird bei der DVD eingesetzt.

!