Analogtechnik und Digitalisierung von Audio und Video

1. Analogtechnik und Digitalisierung von Audio und Video Grundlagen

2. Allgemein • Physikalische Größen • Schall, Helligkeit oder Temperatur • Umwandlung in Spannungswerte die den physikalischen Größen proportional sind (analoge Signale). • Diese analogen Signale müssen dann digitalisiert werden.

3. Audio • Der Begriff Audio stammt von dem lateinischen Wort audire (hören) und dient als Sammelbegriff für akustisch wahrnehmbare Signale.

4. Töne • Es existieren viel mehr Töne, als wir hören können, aber wir nehmen nur ein Teil dieser Töne wirklich wahr. • Was sind Töne und wie werden sie dargestellt und digitalisiert ?

5. Physikalische Grundlagen • Wenn Luft schwingt, entstehen Schallwellen. • Treffen diese Schallwellen auf unser Ohr, neben wir diese als Töne wahr

6. Physikalische Grundlagen • Tonquelle erzeugt Schallwellen • Alle vibrierende Objekte erzeugen Schallwellen. • Durch die Vibration wird das Medium stoßweise verdichtet. • Schallwellen werden durch ein Medium transportiert (Luft, Wasser, Holz). • In Luft ist die Schallgeschwindigkeit: 330m/s = 1188 km/h. • Ohr wandelt diese in Abhängigkeit von Stärke und Häufigkeit in Töne durch das Trommelfell in Reize um. • Der hörbare Bereich eines Menschen liegt zw. 20Hz und 20kHz.

7. Physikalische Grundlagen • Transport von Schallwellen ist im Prinzip bei jedem Medium gleich • Moleküle sind normaler Weise gleichweit voneinander entfernt. • Nachdem verdichten, versuchen sie alten Abstand wieder herzustellen. • Dabei bewegen sie sich vorwärts und rückwärts und verdichten dabei das Gebiet ihrer Nachbarn usw.

8. Physikalische Grundlagen

9. Physikalische Grundlagen • Ein einzelnes Molekül bewegt sich nur ein Stück vorwärts. • Betrachtet man das Gebiet, der Komprimierung, sieht man eine sich fortbewegende Schallwelle.

10. Physikalische Grundlagen • Die einfachste Schwingung ist die Sinuskurve. • Eine periodische Schwingung. • Periodische Schwingungen sind alle Töne, die man als Klänge bezeichnen kann. • Klavier, Glocke • Nicht periodische Schwingungen erzeugen Geräusche • Wasserrauschen

11. Erzeugung von komplexeren Schwingungen • Nur sehr wenige Töne sind periodisch. • Jeder Ton kann aber zerlegt werden in eine Reihe von Sinuskurven und andersherum.

12. Frequenzspektrum • Da jeder Ton zerlegt werden kann, existiert eine Möglichkeit ein Spektrum anzugeben, der einen Ton charakterisiert. • Einfach gesagt bestimmt die stärkste Frequenz die Tonhöhe.

13. Zusammenhänge von Schwingungen und Tönen • Lautstärke und Amplitude • Dass wir Töne in verschiedenen Lautstärken wahrnehmen, liegt daran, dass die Druckwellen unterschiedlich stark auf das Ohr treffen. • Die Stärke der Schwingungen ist erkennbar an ihrer Amplitude. • Damit bestimmt die Amplitude einer Schwingung die Lautstärke eines Tones. • Die Schallintensität wird definiert als Leistung/Fläche. • Als Schallpegel bezeichnet man den 10fachen dekadischen Logarithmus vom Verhältnis zweier Schallintensitäten. Er wird in Dezibel angegeben.

14. Umwandlung • Die Umwandlung von Schallwellen bzw. Druckwellen in elektrische Signale.

15. Umwandeln von Schallwellen in Elektrizität • Beim Auftreffen einer Druckwelle auf das Papier wird Spule je nach Stärke der Druckwelle in Richtung Magnet gedrückt. • Dabei wird ein Impuls induziert. • Je stärker die Druckwelle, desto stärker der Impuls.

16. Umwandeln von Elektrizität in Schallwellen • Andersherum funktioniert es ebenso. • Durch Induzieren eines Stromes in der Spule, erzeugt die Vor- und Zurückbewegung des Blattes Schwingungen. • Mikrophone und Lautsprecher funktionieren nach diesem Prinzip.

17. Digitalisierung • So wie es möglich ist Schallwellen in elektrische Signale umzuwandeln, kann man diese auch in digitale Werte konvertieren: • Zwei Prozesse: • Abtasten (Sampling) • Periodisches Abtasten des kontinuierlichen analogen Signals • Quantisierung • Das Runden der ermittelten unbegrenztgenauen Werte analogen Werten auf einen digitalen Wertebereich.

18. Digitalisierung

19. Umwandlung von elektrischen Signalen in digitale Signale • Dabei entstehen zwei Hauptprobleme, die für Informationsverlust sorgen: • Die aufeinander folgenden digitalen Werte entsprechen einem bestimmten Intervall. Dieses Intervall hat eine bestimmte Breite. • Digitale Werte sind diskrete, dass heißt, sie können nur einen bestimmten Wert annehmen.

20. Umwandlung von elektrischen Signalen in digitale Signale

21. Umwandlung von elektrischen Signalen in digitale Signale • Diese beiden Probleme bestimmen den Hauptfehler digitaler Töne. Er kann kontrolliert werden durch die Änderung der Signalrepräsentation. Man kann den Fehler durch immer kleinere Intervalle verkleinern, aber niemals vollständig eliminieren. • Faktoren wie Speicherplatz und Prozessorgeschwindigkeit setzen Grenzen. Daher ist es wichtig zu entscheiden, welche Fehler man tolerieren kann und welche Fehler verringert werden müssen - auf Kosten anderer Probleme.

22. Digitalisierung (technisch) • Möglichkeiten ein Tonsignal abzutasten • Pulsamplitudenmodulation ( PAM ) • Pulsbreitenmodulation (PWM) • Pulscodemodulation (PCM)

23. PAM • Die analoge Signale werden übermittelt durch einen Serie von Impulsen, deren Amplitude die Soundstärke repräsentieren.

24. PAM • Vorteil: • Es ist einfach ein analoges Signal in ein PAM - Signal zu umzuwandeln und anderes herum. • Folge: • Die meisten ADCs und DACs benutzen PAM als ein Zwischenformat.

25. PWM • Die analoge Signale werden übermittelt durch einen Serie von Impulsen, deren Länge die Soundstärke repräsentieren.

26. PWM • Vorteil: • In der Praxis werden die Amplituden der Signale oft zerstört. Die Umwandlung eines analogen Signals vor dem Transport durch Kabel oder Radioverbindungen in PWM, vermindert die Schwächung des Signals.

27. PCM • Die analoge Signale werden übermittelt durch einen Serie von Impulsen, die den binären Daten des Samples entsprechen.

28. Sampling-Effekte • Digitalisierte Daten werden charakterisiert durch die Abtastrate (Sampling-Rate ) • Sampling-Rate • Anzahl der Abtastungen/Messungen des analogen Signals / pro Sekunde • Beispiele • Audio – CDs : 44100 mal / pro Sekunde • Telefonsysteme : 8000 mal / pro Sekunde

29. Sampling-Effekte • Wichtige Entdeckung • Harry Nyquist (1889 – 1976) • Ein analoges Signal kann exakt reproduziert werden, wenn die Abtastrate doppelt so hoch ist, wie die höchste Frequenz des analogen Signals. • Claude E. Shannon • 1948/49 mathematischer Beweis, dass es wirklich so ist • Die selben Entdeckungen ? • Nyquist-Limit, Abtasttheorem, Shannon-Theorem

30. Sampling-Effekte • Ist die Abtastrate nicht doppelt so hoch, wie die höchste Frequenz – kann es zu Nebeneffekten kommen: • Frequenz - Überlappungen (Aliasing) • Quantisierungsrauschen • Verzerrungen (Clipping)

31. Aliasing • Beispiel: • Aufnahme mit einer Abtastrate von 8 kHz • Das Nyquist-Limit liegt damit bei 4 kHz • Versucht man nun ein Signal mit 5 kHz aufzunehmen, erhält man beim Abspielen nur ein Signal von 3 kHz. • Dies führt zu einem der wichtigsten Probleme in der Arbeit mit digitalem Sound.

32. Aliasing • Das Problem: • Ein digitales Sample kann durch mehrere Sinuswellen repräsentiert werden. • Beim Abspielen kann es passieren, dass der DAC nicht das Signal auswählt, dass man gerne möchte. • Er wählt immer nur Signale unterhalb der Nyquest-Limits.

33. Quantisierungsrauschen • Quantisierung ist der Vorgang des Rundens von genauen analogen zu weniger genauen digitalen Werten. • Digitale Daten werden repräsentiert durch diskrete Werte ( 8 Bit Integer oder auch 16 Bit Integer ) • Originale analoge Werte sind aber keine Integer-Werte. • Als Quantisierungsrauschen bezeichnet man den Fehler der beim Runden entsteht. • Der entstehende Fehler ist zufällig und wird als eine Art des Rauschens wahrgenommen.

34. Quantisierungsrauschen • Wie laut ist dieses Rauschen? • Die Amplitude des Rauschens wird als „noise floor“ bezeichnet. • Je kleiner sie ist, desto leiser ist das Rauschen. • Bei einem 8 Bit-Sample haben wir Werte zwischen +127 bis -128 und der Fehler ist max. 0,5 ! • Bei einem 16 Bit-Sample sind die Schritte wesentlich kleiner, dadurch wird das Rauschen leiser.

35. Quantisierungsrauschen • Noch wichtiger ist die Frage, wie laut ist das Rauchschen im Verhältnis zum eigentlichen Ton. • Das Verhältnis bezeichnet man als „signal-to-noise ratio“ ( SNR ) • Je größer dieses Verhältnis ist, desto besser.

36. Beheben von Verzerrungen (Dithering) • Das menschliche Ohr nimmt Verzerrung eher als Rauschen. • Deshalb wird versucht, verschiedene Arten von Verzerrung in Hochfrequenzrauschen umzuwandeln. • Diesen Prozess nennt man Dithering. • Idee: „error – diffusion“ • Wird beim Konvertieren von höher-auflösenden in niedriger-auflösende Signal angewandt. • Man merkt sich den auftretenden Fehler und vermischt ihn mit den nachfolgenden Werten.

37. Clipping • Eine Art der Verzerrung • Die Spitzen der Sinuskurven werden abgeschnitten. • Tritt auf, wenn Verstärkerschaltkreise gesättigt sind. • In der Digitaltechnik, wenn es zu Variablenüberläufen kommt.

38. Video • Der Begriff Video stammt von dem lateinischen Begriff videre (sehen) und bezeichnet Sequenzen von bewegten Bildern, die zur Bildschirmausgabe geeignet sind.

39. Physikalische Grundlagen • Wie sieht der Mensch? • Die 3-dimensionalen Welt wird auf die Netzhaut des Auges als ein 2-dimensionales Bild projeziert. • Fotorezeptoren registrieren Lichtwellen zwischen 400 nm und 700 nm. • Wie speichert eine Kamera ein Bild? • Der Film besteht aus einer dünnen Schicht kleinster Teilchen, die eine chemische reagiere, je nach dem mit welcher Lichtintensität sie bestrahlt werden. • Je dichter die Teilchen angeordnet sind, desto besser kann das Original reproduziert werden.

40. Allgemeines Digitalisieren • Ein Bild aus der physikalischen Welt, wird in zwei Schritten digitalisiert. • Sampling • 2-dimensionaler Raum wird in kleine diskrete Regionen (Pixel oder auch Pel) unterteilt. • Auch hier gilt Nyquist-Theorem – die Abtastrate sollte mindestens doppelt so groß sein, wie die höchste räumliche Frequenzkomponente. • Quantisierung • Jeder Region wird ein diskreter Wert zugewiesen, der der Amplitude des Signals ( z.B. der Helligkeit und/oder dem Farbwert ) entspricht.

41. Was wird abgetastet? • Zweifarbtonbild (z.B.: Text in einem Buch): • Es reicht ein Bit pro Pixel. • Helligkeit und Farbe werden nicht verändert. • Schwarzweißbild: • Es wird nur der Luminanzwert zu jedem Pixel gespeichert. • Die Farbe ist für das ganze Bild konstant, nur der Helligkeitswert wird abgespeicher. • Farbbilder: • Zu jedem Pixel werden 3 Komponenten gespeichert.

42. Farbschemata • Licht ist die Mischung elektromagnetischer Wellen verschiedener Wellenlängen. • Theoretisch ist es möglich, jede beliebige Farbe unter Verwendung von drei Grundkomponenten darzustellen. • Praktisch gibt es einige Einschränkungen, der Farbquellen. • Gängige Farbschemata: • RGB ( Rot, Grün, Blau ) • CMY ( Cyan, Magenta, Gelb ) • YUV ( Luminanz, U und V sind Chrominanz-Komponenten ) • YIQ ( ähnlich zu YUV ) • HSV ( Hue (Farbton), Saturation (Sättigung), Value (Wert) )

43. Definitionen • Chroma Chrominanz, C, Cr, Cb, U, V • Farbanteil des Videosignals. • Komponentensignale enthalten ein Signal für die Differenz weiss-rot (Cr oder U) und weiss-blau (Cb oder V). • Luma Luminanz, Y • Helligkeitsanteil des Videosignals. • Aus den drei Signalen RGB der Kamera wird ein gewichtetes Mittel berechnet, welches die Eigenschaften des menschlichen Auges berücksichtigt • Grün 59%, Rot 30%, Blau 11%.

44. Sampling • Wie wird abgetastet? • Videobilder werden horizontal, vertikal und temporal abgetastet. • Ein Bild besteht aus einer bestimmten Anzahl von Zeilen. • Fernsehbilder (PAL – Standard für Europa) bestehen z.B. aus 625 Zeilen, von denen aber nur ca. 580 sichtbar sind. • Die restlichen Zeilen sind scanning-overhead. Er wird genutzt für Blanking-Intervalle und zur Synchronisierung des Signals.

45. Analoges Video • Es gibt unterschiedliche Fernsehformate, die sich unter anderem in der Frequenz der Bildwiederholungen und der Anzahl der Zeilen eines Bildes unterscheiden. • Die bekanntesten sind: • Pal / Secam • Europa • NTSC • USA

46. PAL / SECAM • 1966/67 Einführung in Deutschland • 25 Voll- bzw. 50 Halbbilder / Sekunde • PAL: QAM (Quadratur-Amplituden-Modulation) • SECAM: FM (Frequenzmodulation) • Verwendet zusätzl. Synchronisation für Farbtreue • Dimension: • 625 Zeilen(580 sichtbar) • Seitenverhältnis 4:3 • Bandbreite ist: 6.5 MHz • Abtastrate liegt bei: 13.5 MHz

47. NTSC • 1954 Einführung in den USA (Kanada, Japan) • 30 Voll- bzw. 60 Halbbilder / Sekunde • QAM ( Quadratur-Amplituden-Modulation) • „Nether the same color“ – Farbverfälschung durch unkorrigierte Übertragungsfehler z. B. Hautfarbe als Olivgrün oder Knallrosa. • NTSC-Fernsehgeräte haben einen Regler, um entsprechende Korrekturen vorzunehmen • Dimension: • 525 Zeilen(480 sichtbar) Seitenverhältnis 4:3 • Bandbreite: 5.5 MHz

48. Digitalisierung • Im Gegensatz zu den Druckwellen eines akustischen Signals kann eine diskrete Folge von Einzelbildern als kontinuierliche Sequenz wahrgenommen werden. • Die Grenzfrequenz liegt bei etwa 16 Hz. Allerdings entsteht bis etwa 50 Hz ein Flimmereffekt durch die unvollkommene Speicherwirkung des Auges für optische Reize. • Bei Fernsehgeräten wird ein Vollbild in zwei zeilenweise ineinandergeschachtelte Halbbilder geteilt. Es wird jeweils ein Halbbild nach dem anderen im Zeilensprungverfahren übertragen (Interlace-Verfahren). • Zuerst werden alle ungeraden Zeilen übertragen, dann die geraden. • Jedes Halbbild wird 25mal pro Sekunde dargestellt, also beträgt die Vertikalfrequenz eines Vollbildes 50 Hz, die Zeit zwischen zwei Halbbildern 20 msec.

49. Abtastmethoden • Verschiedene Abtastmethoden • 4:1:1 • das Farbsignal wird nur bei jedem vierten Pixel, dafür aber in beiden Halbbildern horizontal verschoben abgetastet. • 4:2:0 • das Farbsignal wird nur bei jedem zweiten Halbbild und nur in halber Auflösung abgetastet • 4:2:2 • für professionelles digitales Video • Jedes Pixel wird nach Luminanz (Y) und jedes zweite nach den Rot- und Blaudifferenzen (Cr und Cb) abgetastet. • Dabei wird die Tatsache ausgenützt, dass das Auge weniger empfindlich auf die Farbe ist als auf die Helligkeit. • 4:4:4 • Hochqualitatives digitales Format • Jedes Pixel, sowohl in Luminanz wie in den Blau- und Rotdifferenzen wird abgetastet • Wird nur in Effektgeräten verwendet

50. Quantisierung • Auch in der Videodigitalisierung werden kontinuierliche Signale in diskrete Werte umgewandelt. • Für ein einpoliges Signal wie Luminanz, wird Quantisierung genutzt. • Für ein zweipoliges Signal wie zum Beispiel die Farbdifferenz (Cb, Cr) wird mid-tread Quantisierung angewandt. Das sichert, dass der Nullwert nicht von Fehlern betroffen wird.