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multimedia- technik prof. dr. peter kneisel ! inhalt Grundlagen Was ist Multimedia Datenkompression Speichermedien Transfersysteme Anwendungen -> Dr.

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Präsentation zum Thema: "multimedia- technik prof. dr. peter kneisel ! inhalt Grundlagen Was ist Multimedia Datenkompression Speichermedien Transfersysteme Anwendungen -> Dr."—  Präsentation transkript:

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2 multimedia- technik prof. dr. peter kneisel !

3 inhalt Grundlagen Was ist Multimedia Datenkompression Speichermedien Transfersysteme Anwendungen -> Dr. Haas Praktische Anwendungen Audio/Video Graphik/Bild Text/Internet

4 überblick kapitel 1was ist multimedia kurze erläuterung involvierte branchen der medienbegriff klassifikation eigenschaften daten

5 überblick kapitel 2datenkompression bedarfsanalyse quellen-, entropie- kodierung grundlegende verfahren Lauflängenkodierung Nullunterdrückung Vektorquantisierung Pattern Substitution Huffmann.... angewandte verfahren Überblick Audiokompression näheres in Kapitel Audiotechnik Überblick Videokompression näheres in Kapitel Videotechnik übersicht

6 überblick kapitel 3speichermedien...

7 überblick kapitel 4transfersysteme Entwicklung der Telekommunikation Dienste Netze Vermittlungsknoten Kommunikationsmodelle Signalisierung Breitbandkommunikation Netzmanagement

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

9 1.1was, warum und wer waskurze erläuterung warumpädagogisches werinvolvierte branchen zusammenfassung w 3

10 1.1.1was kurze erläuterung MultiMedia bedeutet aus Benutzersicht: Zur Darstellung von Information wird nicht nur Text oder Graphik oder Ton sondern Text und Graphik und Ton eingesetzt Genauere Definition später

11 1.1.2warum pädagogisches Durch multimediale Darstellung lassen sich Informationen natürlicher und einprägsamer darstellen Der Mensch behält von dem, was er liest10% was er hört20% was er sieht30% was er liest, hört und sieht70% was er sagt80% was er sagt und tut90%

12 1.1.3wer 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

13 1.1.4zusammenfassung w 3 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. !

14 1.2der medienbegriff perzeptionsmedium repräsentationsmedium präsentationsmedium speichermedium übertragungsmedium informationsaustauschmedium zusammenfassung schlussfolgerung kleine übung

15 1.2.1perzeptionsmedium 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 !

16 1.2.2repräsentationsmedium Abgeleitet von der rechnerinternen Darstellung: Wie wird die Information im Rechner kodiert ? Beispiele: TextASCII, EBCDIC, UNICODE AudioPCM-linear 16bit,.wav,.voc,.raw,... Graphik:Videotext (CEPT), GKS, PICT, Postscript,... EinzelbildFax Gruppe 3, JPEG, GIF, TIFF,... VideoPAL, SECAM, NTSC, CCIR-601, MPEG,..

17 1.2.3präsentationsmedium 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

18 1.2.4speichermedium Abgeleitet vom verwendeten Datenträger Worauf/Womit werden Informationen gespeichert ? Nichtelektronische Speichermedien Papier Mikrofilm... Elektronische Speichermedien Magnetband Diskette Festplatte CD-ROM...

19 1.2.5übertragungsmedium Abgeleitet vom Träger der Information kontinuierlich übertragen kann. Worüber wird Information übertragen ? Kabelgebundene Übertragung Koaxialkabel Hohlwellenleiter Twisted Pair Glasfaser... Funkübertragung Luft Gas Luftleerer Raum

20 1.2.6informationsaustauschmedium 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,...

21 1.2.7zusammenfassung medienbegriff Perzeptionsmedium Wie nimmt der Mensch Informationen auf ? Repräsentationsmedium Wie wird die Information im Rechner kodiert ? Präsentationsmedium Worauf/Womit wird die Information ein-/ ausgegeben ? Speichermedium Worauf/Womit werden Informationen gespeichert ? Übertragungsmedium Worüber wird Information übertragen ? Informationsaustauschmedium Welcher Informationsträger wird zum Austausch von Information zwischen Orten verwendet ? !

22 1.2.8schlussfolgerung Das Perzeptionsmedium (wie nimmt der Mensch die Information auf) kommt dem Begriff Medium im Kontext der Informationsverarbeitung am nächsten. !

23 1.2.9kleine übung W o und wie ist das Fernsehen einzuordnen ? Perzeptionmedium auditiv, visuell: Musik, Sprache, Geräusch, Bild, Graphik, Animation, Video Repräsentationsmedium Video/Audio (PAL) Präsentationsmedium Eingabe (Kamera, Mikrofon), Ausgabe (Bildschirm, Lautsprecher) Speichermedium Magnetband Übertragungsmedium Koaxialkabel, Glasfaser, Luft, luftleerer Raum Informationsaustauschmedium Speichermedium, Übertragungsmedien

24 1.3definition multimediasystem darstellungsmodell darstellungsdimensionen definition: kombination von medien definition: unabhängigkeit definition: kommunikationsfähigkeit definition: rechnergestütze integration zusammenfassung definition

25 1.3.1darstellungsmodell 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

26 1.3.2darstellungsdimensionen 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 !

27 1.3.3definition: 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 qualitativ als quantitativ zu definieren

28 1.3.5definition: unabhängigkeit Die Medien müssen unabhängig voneinander zu verarbeiten sein Gegenbeispiel: Film (Video) mit Untertitel (Text) TTTTTTT TTTTTTTTTTTTTTTTTTTT

29 1.3.6definition: kommunikationsfähigkeit Austausch von Informationen über Rechnergrenzen hinweg Gegenbeispiel: Offline Lern-CDs Kommunizierende Multimediasysteme In einem (kommunizierenden) Multimedia- System werden Informationen als Daten mit einem kontinuierlichen und diskreten Medium, digitisiert und in einzelnen Einheiten (Pakete) übertragen

30 1.3.4definition: 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: Programm: Video, Audio läßt sich oft nicht wie Text bearbeiten und/oder übertragen

31 1.3.5zusammenfassung 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. !

32 1.4anforderungen multimediasystem synchronisation datendurchsatz echtzeit zusammenfassung anforderungen

33 1.4.1synchronisation Asynchrone Übertragung Keine zeitliche Restriktion Anwendung: diskrete Medien (z.B. ) 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 Zwischenspeicherbedarf

34 1.4.2datendurchsatz 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

35 1.4.3echtzeit 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

36 1.4.4zusammenfassung 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 !

37 1.5charakteristik kontinuierliche medien zeitintervall variation zusammenhang zusammenfassung charakteristik kleine übung

38 1.5.1zeitintervall 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 Anwendungen t !

39 1.5.2variation 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 !

40 1.5.3zusammenhang 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 !

41 1.5.4zusammenfassung 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 !

42 1.5.5kleine übung Digitales Fernsehen Videosignal, PAL-Verfahren aufgenommen, im Rechner ohne Kompression digitisiert und über die Luft digital übertragen. Streng periodisch streng gleichmäßig zusammenhängend Web-Fernsehen MPEG kodiertes Videosignal, über 16Mbit/sec Token-Ring übertragen: schwach periodisch schwach gleichmäßig unzusammenhängend !

43 1.6zusammenfassung kapitel 1 was, warum und wer medienbegriff schlussfolgerung medienbegriff definition anforderungen charakteristik

44 1.6.1was, 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. !

45 1.6.2medienbegriff Perzeptionsmedium Wie nimmt der Mensch Informationen auf ? Repräsentationsmedium Wie wird die Information im Rechner kodiert ? Präsentationsmedium Worauf/Womit wird die Information ein-/ ausgegeben ? Speichermedium Worauf/Womit werden Informationen gespeichert ? Übertragungsmedium Worüber wird Information übertragen ? Informationsaustauschmedium Welcher Informationsträger wird zum Austausch von Information zwischen Orten verwendet ? !

46 1.6.3schlussfolgerung medienbegriff Das Perzeptionsmedium (wie nimmt der Mensch die Information auf) kommt dem Begriff Medium im Kontext der Informationsverarbeitung am nächsten. !

47 1.6.4definition 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. !

48 1.6.5anforderungen 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 !

49 1.6.6charakteristik 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 !

50 1.7übung 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. !

51 kapitel 2datenkompression einleitung kodierverfahren grundlegende verfahren angewandte verfahren zusammenfassung

52 2.1einleitung motivation speicherbedarf einteilung zusammenfassung einleitung

53 2.1.1motivation 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 !

54 2.1.2speicherbedarf Text (640 x 480) / (8 x 8)= 4,8 Kbyte/Bildschirmseite Bild Vektorbild500 Geraden x 10 Byte/Gerade= 5,0 Kbyte/Bild Pixelbild1024 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 !

55 2.1.3einteilung 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

56 2.1.4zusammenfassung 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) !

57 2.2kodierungverfahren überblick grundsätzliche kodierungsarten schritte bei der bildkompression dekodierung zusammenfassung

58 2.2.1überblick KodierungsartAusprägungVerfahren Entropiekodierung Lauflängenkod. Statistische KodierungHuffmann-Kod. Arithmetische Kod. QuellenkodierungPrädiktionDPCM DM TransformationFFT DCT Layered kodingBitposition Unterabtastung Subband-Kodierung Vektorquantisierung Hybride KodierungJPEG MPEG H !

59 2.2.2grundsätzliche 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. !

60 2.2.3schritte 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

61 2.2.4dekodierung 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

62 2.2.5zusammenfassung 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 !

63 2.3grundlegende verfahren lauflängenkodierung huffmann-kodierung prädiktion / relative kodierung transformations-kodierung unterabtastung vektorquantisierung spezialformen

64 2.3.1lauflängenkodierung 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: ABCCCCCCCCDEFGGG ABC!8DEFGGG !

65 2.3.2huffmann-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 !

66 2.3.2huffmann-kodierung beispiel sei P(A) = 0,16 P(B) = 0,51 P(C) = 0,09 P(D) = 0,13 P(E) = 0,11 P(B)=0,51 P(BCEAD)=1,0 10 P(CEAD)=0,49 10 P(D)=0,13P(A)=0,16 P(AD)=0,29 10 P(C)=0,09P(E)=0,11 P(CE)=0,2 10 Der Baum wird von oben nach unten mit den zwei Buchstaben (oder Buchstabengruppen) mit den jeweils kleinsten Wahrscheinlichkeiten schrittweise aufgebaut Kodierung A = 000 B = 1 C = 011 D = 001 E = 010 !

67 2.3.3prädiktion / 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 !

68 2.3.4transformations-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 !

69 2.3.5unterabtastung 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 !

70 2.3.6vektorquantisierung 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 !

71 2.3.7spezialformen 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

72 2.3.7spezialformen 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

73 2.3.7zusammenfassung grundlegende verfahren Entropiekodierung Lauflängenkodierung huffmann-kodierung Quellenkodierung prädiktion / relative kodierung transformations-kodierungen unterabtastung vektorquantisierung Es gibt zu vielen "reinen" Kodierungsverfahren Spezialformen !

74 2.4angewandte verfahren JPEG H.261 / H.263 MPEG fraktale kompression

75 2.4.1JPEG 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 als ISO-Norm verabschiedet !

76 2.4.1JPEG 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- bereitung Bildver- arbeitung FDCT Bildver- arbeitung FDCT Quanti- sierung Entropie- kodierung

77 2.4.1JPEG 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

78 2.4.2H.261 / H : 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)

79 2.4.2H.261 / H.263 formate 29,97 Pic/sec komprimiert auf min 15 Pic/sec Pixelkodierung nach CCIR 601 (Luminanz) Y : C b : C r (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)

80 2.4.2H.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 ist gestorben Bild n mit Dynamic PCM erfasst und mit DCT kodiert, dient als Muster für Bild n+1 unterscheidet sich von Bild n durch die um die Vektoren verschobenen Teile !

81 2.4.3MPEG siehe Kapitel: Videotechnik

82 2.4.4fraktale 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 !

83 2.4.5zusammenfassung angewandte verfahren JPEG ist der Standard für die Einzelbildkodierung bis zu 255 Bildebenen bis zu x 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

84 2.5zusammenfassung einleitung kodierungsverfahren grundlegende verfahren angewandte verfahren

85 2.5.1einleitung 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) !

86 2.5.2kodierungsverfahren 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

87 2.5.3grundlegende verfahren Entropiekodierung Lauflängenkodierung huffmann-kodierung Quellenkodierung prädiktion / relative kodierung transformations-kodierungen unterabtastung vektorquantisierung Es gibt zu vielen "reinen" Kodierungsverfahren Spezialformen

88 2.5.4angewandte verfahren JPEG ist der Standard für die Einzelbildkodierung bis zu 255 Bildebenen bis zu x 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

89 kapitel 3speichermedien 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

90 3.1überblick anforderungen historie bis zur CD-ROM historie erweiterungen historie beschreibbare CD zusammenfassung überblick

91 3.1.1anforderungen Anforderungen Multimedia hohe Speicherkapazität wahlfreier Zugriff Transportabilität geringe Kosten schneller Lese-/Schreibzugriff Verfügbarkeit Lesegeräte Handhabung Speichermedien Magnetische Diskette Festplatte Magnetbänder (TK50, DAT,...) Optische Compact Disc (CD, DVD) !

92 3.1.2historie bis zur CD-ROM 1973Video Long Play (VLP) Bildplatte analoge (wertdiskret, zeitkontinuierlich) Technik wenig Erfolg 1982Compact 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 1985CD 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,)

93 3.1.3historie erweiterungen 1986CD interactive (CD-I) spezifiziert von Philips/Sony (Green Book) 1987Digital Video Interactive (DVI) spezifiziert von Philips/Sony (De-)Kompression von Video-/Audiodaten auf CD-ROM 1989CD-ROM extended Architecture (CD- ROM/XA) spezifiziert von Philips/Sony Spezifikation für mehrere Medien auf optischen Datenträgern

94 3.1.4historie beschreibbare CD 1991CD write once (CD-WO / CD-R) Spezifiziert im Orange Book einmal beschreibbar 1991CD magneto optical (CD-MO) Spezifiziert im Orange Book mehrmals beschreibbar 1995CD read write (CD-RW) Spezifiziert (1991) im Orange Book löschbare und mehrmals beschreibbare CD 1997Digital Video Disc (DVD) Spezifikation vom DVD-Konsortium

95 3.1.5zusammenfassung 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 !

96 3.2basistechnologie (read only) aufbau ausprägungen digitale informationsdarstellung problem: zugriffsgeschwindigkeit zusammenfassung basistechnologie

97 3.2.1aufbau 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/mm 2 Keine Verschleiß, keine magnetischen Effekte Schutzschicht Reflexionsschicht Substratschicht (Polykarbonat) 1,2 m 0,6 m land pit 1,6 m !

98 3.2.2ausprägungen 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

99 3.2.3digitale 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 !

100 3.2.4problem: 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-Signal mehrere ms Rotationsverzögerung bei 1 x Geschwindigkeit ca. 300ms bei 40 x Geschwindigkeit ca. 6,3 ms Seek-Zeit Einstellung des exakten Radiuses ca. 100ms Mögliche Zeiten: unter 100ms

101 3.2.5zusammenfassung 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 !

102 3.3CD-DA technische daten physikalische grenzen fehlerkorrektur frames aufbau einer CD zusammenfassung CD-DA

103 3.3.1technische daten Durchmesser: 12 cm konstante Bahngeschwindigkeit Constant linear Velocity, CLV Umdrehungszahl abhängig vom Radius der Bahn Spiralförmige Spur mit ca 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

104 3.3.2physikalische 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 Füllbits verhindern Eins-Folgen zwischen Bytes !

105 3.3.3fehlerkorrektur 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 : Kratzer von 7.7 mm, Löcher von 2mm können erkannt werden !

106 3.3.4frames 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) zusammengefasst davon 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 x 12 x EFM Füllbits 588 bits

107 3.3.5aufbau 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: IP 0 : Anfang des Tracks IP 1 : Anfang der Audiodaten IP 1 - IP 0 wird als Track-Pregap bezeichnet (2 - 3 Sec) Blöcke 98 Frames werden logisch zu Blöcken zusammengefasst In Blöcken sind nur Subchannels von Bedeutung

108 3.3.6zusammenfassung 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. !

109 3.4CD-ROM anforderungen ansatz modi überblick datenhierarchie zusammenfassung

110 3.4.1anforderungen 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

111 3.4.2ansatz 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

112 3.4.3modi 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 < ) 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 !

113 2352 Nutzbytes / 7203 Kanalbytes, Block Blöcke CD 3.4.4überblick datenhierarchie Mode Nullen Mode Daten 4 CRC CRC Mode Daten Vier Arten von Blöcken Audio 73,5 (frame) x...

114 3.4.5zusammenfassung 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 !

115 3.5CD-ROM/XA ansatz forms daten innerhalb der forms zusammenfassung CD-ROM/XA

116 3.5.1ansatz 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

117 3.5.2forms Form 1 verbesserte Fehlererkennung und -korrektur Definition eines Sub-Headers Form 2 auf Kosten der Fehlerbehandlung eine um 13% höhere Datenausnutzung Sync 12 Head 4 SubHead 8 Data 2048 EDC 4 ECC 276 Sync 12 Head 4 SubHead 8 Data 2324 EDC 4

118 3.5.3daten 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

119 3.5.4zusammenfassung 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 !

120 3.6CD-I ansatz medien zusammenfassung CD-I

121 3.6.1ansatz 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

122 3.6.2medien 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)

123 3.6.3zusammenfassung 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 !

124 3.7weitere formate (read only) CD-I ready format CD bridge disc photo CD digital video interactive (DVI) zusammenfassung weitere formate

125 3.7.1CD-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 IP 0 und IP 1 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.

126 3.7.2CD 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 CD Bridge Disc CD-I Ready Disc

127 3.7.3photo 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

128 3.7.4digital 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)

129 3.7.5zusammenfassung 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. !

130 3.8 CD recordable (CD-R / CD-WO) physikalischer aufbau CD-R logischer aufbau CD-R zusammenfassung CD-R

131 3.8.1physikalischer aufbau CD-R Zusätzliche Absorptionschicht zwischen Reflexionsschicht und Substratschicht Vorab eingravierte Spur Irreversible Änderung der Reflexionseigenschaften Durch Erhitzung auf C 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 !

132 3.8.2logischer 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 In Data Lead Out Regular CD-R Lead In Data Lead Out Lead In Data Lead Out Lead In Data Lead Out... Hybrid CD-R

133 3.8.3zusammenfassung 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 !

134 3.9CD magneto-optical (CD-MO/CD-RW) ansatz struktur CD read-write (CD-RW) zusammenfassung

135 3.9.1ansatz 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 C. 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

136 3.9.2struktur 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-DA Recordable Area Recordable Area Premastered Area Premastered Area CD-MO

137 3.9.3CD 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

138 3.9.4zusammenfassung 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 !

139 3.10Digital Versatile Disc (DVD) standards versionen technik aufbau dekoder vergleich CD DVD zusammenfassung DVD

140 3.10.1standards 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

141 3.10.2versionen BezeichnungØSeitenSchichtenKapazitätAnmerkung DVD-512SSSL4,38 GB> 2 Std. Video DVD-912SSDL7,95 GBca. 4 Std. Video DVD-1012DSSL8,75 GBca. 4,5 Std Video DVD-1812DSDL15,9 GB> 8 Std Video 8SSSL1,36 GBca. 0,5 Std Video 8SSDL2,48 GBca. 1,3 Std Video 8DSSL2,72 GBca. 1,4 Std Video 8DSDL4,95 GBca. 2,5 Std Video DVD-R12SSSL3,68 GB DVD-R12DSSL7,38 GB DVD-R8SSSL1,15 GB DVD-R8DSSL2,3 GB DVD-RAM12SSSL2,4 GB DVD-RAM12DSSL4,8 GB SSSingle Side DSDouble Side SLSingle Layer DLDouble Layer

142 3.10.3technik 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 !

143 3.10.4aufbau Bytes... Blöcke x Bytes Sektoren (16 pro Block + Fehlererkennung) 4832 Bytes Bytes von Bytes Nutzinformation ( 87%) 12 ByteSektor Header 160 ByteNutzdaten 172 ByteNutzdaten 168 ByteNutzdaten 4 ByteFehlererkennung Zeilen (12 pro Sektor) x...

144 3.10.5dekoder 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-Prüfung Erneute Fehlererkennung Ebene 5: Track Zwischenspeicher Eventuell Umwandlung der festen Datenrate in variable Datenrate. Nutzdaten hier noch 10,08 Mbit/s Ebene 6: Datentransfer zum MPEG-Dekoder Verteilung der Daten (Demultiplexing) auf Anwendungen (z.B. MPEG-Dekoder)

145 3.10.6vergleich CD DVD CDDVD Durchmesserca. 120 mm80mm / 120mm Stärkeca. 1,2 mm1,2 mm Laser-Wellenlänge780 nm (Infrarot)650/635 nm (rot) Track-Abstand1,6 m 0,74 m Min. Pit-Länge 0,83 m 0,4 m Daten-Layer11 / 2 Seiten11/2 Kapazitätca. 650 MBbis 15,9 GB Video-StandardMPEG-1MPEG-3 Videokapazitätca. 1 Stdbis 8 Std Sound-Tracks2-Kanal MPEG2-Kanal PCM (optional 8 Ströme) Untertitelbis zu 32 Sprachen

146 3.10.7zusammenfassung 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 !

147 3.11logische formate der ISO 9660 standard die ISO 9660 struktur erweiterungen der ISO 9660 verwendung zusammenfassung logische formate

148 3.11.1der 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 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 !

149 3.11.2die ISO 9660 struktur Das File-System wird im ersten Track abgelegt: Primary Volume Descriptor Länge des Dateisystems Länge und Adresse der Path Table 16 Blöcke (à 2352 Byte, 2048 Byte Nutzinformation) System Area herstellerspezifischer Bereich Supplementory Volume Descriptors eventuell weitere Dateisysteme... Volume Descriptor Terminator kennzeichnet das Ende der Dateisysteme

150 3.11.3erweiterungen 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 Bessere Unterstützung der Multisession-Fähigkeiten !

151 3.11.4verwendung 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

152 3.11.5zusammenfassung 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 Die meisten CD-Formate unterstützen alle Dateisysteme bis auf die ISO Letztere wird bei der DVD eingesetzt. !


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