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Inhaltsverzeichnis

Multimedia
- Lernziele
- Einleitung
- Wahrnehmung
  - Hören
  - Sehen
- Analoge Fernsehtechnik
- Digitalisierung
- Datenkompression
- Links
- ToDo
- Klausur
- Begriffe
- ToRead

Multimedia

Lernziele

die physiognomischen Eigenheiten von Hören und Sehen kennen
den Aufbau analoger Fernsehübertragungstechnik kennen
das analoge Fernsehsignal in seinen Grundzügen nachvollziehen
die Motivation der digitalen Signalverarbeitung nachvollziehen
Methoden und Begriffe der Digitalisierung analoger Signale kennen
wichtige Begriffe der Datenkompression und Datencodierung kennen
verlustfreie und verlustbehaftete Kompressionsmethoden kennen

Einleitung

Kommunikation ist die zielgerichtete, kanalgebundene Übertragung von Informationen von einem Sender zu einem oder mehreren Empfängern.
Kommunikationskanäle zwischen Menschen
- textuell (Wort und Schrift)
- visuell (Licht und Farbe)
- auditiv (Ton, Klang, Sprache)
- taktil (Fühlen von Kräften, Texturen, Temperaturen)
- olfaktorisch (Riechen und Schmecken)
```
* Wahrnehmung von Bewegung und Beschleunigung
```
  * im Zentrum von Multimedia stehen Menschen und ihre Wege, mit anderen Menschen und ihrer Umwelt zu kommunizieren
Multimedia ist der Trend, die Kanäle, über die Menschen mit ihrer Umwelt kommunizieren, mit Mitteln der Informationswissenschaft über alle Quellen zu integrieren und als Gesamtheit für die Kommunikation zu nutzen.
Multimedia-Kanäle: Text, Bild, Film/Video, Internet, Virtual Reality, Audio

Wahrnehmung

Hören

akustische Phänomene, die das Gehör wahrnimmt, sind Kompressionen und Verdünnungen der Luftmoleküle
die Druckwellen treffen auf das Trommelfell und werden über die Ohrknöchelchen an die Cochlea übermittelt
feine Flimmerhärchen in der mit Lymphflüssigkeit gefüllten Cochlea schwingen und geben elektrische Impulse ans Gehirn weiter
das menschliche Gehör kann Schallereignisse im Bereich von 18 Hz bis 20.000 Hz wahrnehmen
Töne tiefer Frequenz benötigen einen höheren Schalldruck, um wahrgenommen zu werden → Hörschwelle
Schmerzschwelle: Schalldruck, ab dem die Rezeption zu Schmerzempfinden führt
Hörfeld: Bereich zwischen Hörschwelle und Schmerzschwelle
Einheiten
- physikalisch: Dezibel als (logarithmische) Einheit für den Schalldruck → menschliche Wahrnehmung ist nicht linear zur Frequenz
- phsychoakustisch: Phon als Einheit für die Lautstärke (Lautstärkeempfinden von Frequenzen im Bezug auf den 1kHz-Sinuston) → kein quantitativer Vergleich von Lautstärken möglich, da Lautstärkeempfinden nicht proportional zu den Phon-Werten ist
- Sone (N) als Einheit für die (subjektive!) Lautheit (qualitativer Vergleich von Klangereignissen), 1 sone = 40 Phon
```
* Umrechnung: N = 2<sup>(L<sub>N</sub> - 40) / 10</sup>
* {{:se:dBPhonSone.jpg|}}
```
  * Psychoakustik: Teilgebiet der Psychophysik, das versucht, die Zusammenhänge zwischen physikalischen Eigenschaften von Schallsignalen und dem menschlichen Hörempfinden zu beschreiben
psychoakustische Phänomene
- tonale Maskierung: schmalbandiger Schall einer bestimmten Intensität löscht Frequenzen geringerer Lautstärke in seinem Frequenzumfeld aus (Mithörschwelle: Grenze, ab der der Ton wahrgenommen wird), Effekt ist abhängig von Frequenz und Schallpegel des Maskierers
- temporale Maskierung (Vor- und Nachverdeckung): Maskierung vor (20ms) und nach (200ms) Auftreten des Maskierers
- Schwebung und Rauhigkeit: zwei Töne ähnlicher Frequenz werden als ein Ton bestimmter Tonhöhe wahrgenommen, wobei der Schall durch die Phasenverschiebung eine Schwebung erfährt
  - je größer die Frequenzdifferenz, umso rauher klingt der Ton, bishin zur Wahrnehmung zweier unterschiedlicher Töne
```
* Residuum: Töne von Instrumenten setzen sich aus Grundton und Obertönen (Harmonische, Frequenzen sind ganzzahlige Vielfache des Grundtons) zusammen, filtert man den Grundton heraus, vervollständigt das menschliche Gehör die fehlende(n) Grundschwingung(en) zum ursprünglichen Klangbild
```
    * kritische Bänder: Schallereignisse werden in Frequenzgruppen wahrgenommen, deren Gruppenbreite mit steigender Frequenz zunimmt

Sehen

Licht fällt durch die Hornhaus, Iris und Linse auf die Netzhaut (Retina)

Rezeptoren auf der Retina wandeln die Lichtinformationen in elektrische Impulse

* Zapfen: farb-/helligkeitsempfindlich, 3 Typen: A grün, B gelb-rot, C violett, arbeiten bei Tageslicht optimal, Anzahl 6 Millionen
* Stäbchen: nur helligkeitsempfindlich, empfindlicher als Zapfen, Anzahl 120 Millionen

* fovea centralis: Punkt größter Sehschärfe, hier sind nur Zapfen vorhanden

wahrnehmbares Licht: 780nm (rot) - 390nm (violett)
blinder Fleck: hier bündeln sich die Nervenbahnen des Auges zum Sehnerv
Gehirn verarbeitet Informationen und erzeugt ein Bild, blinder Fleck wird interpoliert, Farbinformationen werden gemischt, unterschiedliche Bilder der zwei Augen ermöglichen räumliches Sehen
*
das Auflösungsvermögen des Auges ist biologisch begrenzt
- bestimmte Detailtiefe wird nicht mehr wahrgenommen
- ruhende Objekte werden besser erfasst als sich bewegende
- Helligkeitsunterschiede werden besser erfasst als Farbunterschiede
  - maximale Farbempfindlichkeit bei gelb-grün
- 20 Bilder pro Sekunde werden bereits als kontinuierliche Bildfolge wahrgenommen

Analoge Fernsehtechnik

Elektronen werden durch Magnetspulen abgelenkt und bringen auf einer Mattscheibe ein fluoreszierendes Material zum Leuchten
Elektronenstrahl läuft zeilenweise über das Bild, Nachleuchten der Fluoreszenzschicht vermittelt Eindruck eines Bildes
inverse Funktionsweise kann für Kameras verwendet werden
Erkenntnisse über das Auflösungsvermögen des Auges führten zu einer Zahl von mindestens 600 Zeilen pro Bild
* alle Zeilen nacheinander abzuarbeiten (progressive, 25 Vollbilder) führt zu Flimmern → interlaced mode (50 Halbbilder)

Parameter von PAL

625 Zeilen, 576 sichtbar

Vertikalfrequenz: 50Hz, Bilddauer 20ms

* Horizontalfrequenz: 50 * 312,5 = 15625Hz, Zeilendauer 64 Mikrosekunden
* YUV Farbmodell

* Signalübertragung

Bild-Austastung-Synchronisation (BAS)

* {{:se:BAS.jpg|}}
* Bildsignal: analoge Grauwertübertragung einer Bildzeile, Signalbereich 0,7 Volt    
* Austastungssignal: Signal beim Strahlenrücklauf (horizontal vs. vertikal), Pegel unter Schwarzbereich, in Austastlücke werden Metainformationen übertragen (VPS, Videotext, Prüfsignale)
* Synchronisationssignal: dient der Synchronisation jeder Bildzeile/Halbbild, Übertragung in der Austastlücke

* Farbsysteme

additiv: selbstleuchtende Farben (z.B. Fernseh-/Computerbildschirme), RGB, alle Farben zusammen ergeben weiß
subtraktiv: beleuchtete Träger (z.B. Offsetdruck), CMYK, alle Farben zusammen ergeben schwarz

Farbfernsehen: PAL → YUV-Modell (Y = Helligkeit/Luminanz, UV = Farbdifferenz/Chrominanz)
- Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B
- U = (B - Y) * 0,493
- V = (R - Y) * 0,877
- gelb-grün-Anteil trägt wesentlich zum Helligkeitsempfinden bei
- Kameras enthalten Rot-, Grün- und Blaufilter
- Farbmonitore enthalten drei Elektronenquellen
- BAS → FBAS (F = Farbe): Übertragung der Fardifferenzen in der Austastlücke
  * Fernsehstandards
- NTSC (National Television Systems Committee): 720x485x30, YiQ Farbmodell
- PAL (Phase Alternating Line): 720x576x25, YUV Farbmodell
- SECAM (sequentiel couleur a memoire): Abwandlung von PAL, YiQ Farbmodell

Digitalisierung

bis in die 90er Jahre wurden mediale Inhalte hautpsächlich analog produziert und rezipiert (Schallplatten, Musikkassette, VHS)

Unterschiede analog/digital

kontinuierliche, analoge Signale <> diskontinuierliche, diskrete Signale
Generationsverlust <> kein Generationsverlust
Störanfälligkeit im Übertragungskanal <> binäre Übertragung
* Vorteile der Digitalisierung
Computer arbeiten digital
die Bearbeitung und Verarbeitung von Medien in digitaler Form ist einfacher
Datenkompression ist in digitalen Formaten einfacher zu realisieren
Fehlerschutz- und -korrekturmechanismen sind möglich
```
* Kopien sind ohne Generationsverlust durchführbar (entscheidender Punkt!)
```
* Digitalisierung von Audioinhalten
liegen als kontinuierliche, analoge, elektrische Signale vor → unendlich viele Werte beliebiger genauer Auflösung
Abtastung zu bestimmten Zeitpunkten und Überführung in diskreten Wertebereich → Digitalisierung

Abtast-/Samplingrate: Frequenz, mit der Werte im Signal abgetastet werden

Shannon-Nyquist-Theorem: f_a > 2 * f_maxHz

  * wird das SNT missachtet kann das Ausgangssignal nach der Digitalisierung nicht mehr eindeutig rekonstruiert werden
  * menschliches Gehör kann bis zu 20kHz wahrnehmen -> Abtastrate > 40kHz
* **Quantisierung**: Überführung der kontinuierlichen Amplitudenwerte eines Signals in diskrete Werte
  * Auflösung in bit legt die Anzahl der zulässigen Werte fest
  * Quantisierungsfehler wird umso größer, je geringer die Auflösung ist -> bei Audio als Rauschen hörbar
  * Signal to Noise Ratio (SNR): SNR = 20 * log (A<sub>Signal</sub> / A<sub>Rauschen</sub>) dB
  * jedes zusätzliche Bit in der Quantisierungsauflösung resultiert in einer Erhöhung der Klangdynamik um 6dB bei gleichzeitiger Reduzierung des Rauschens um 6dB
  * Pulse Code Modulation (PCM): linear = gleichmäßige Quantisierungsstufen, nicht-linear = logarithmische Quantisierungsstufen -> geringere Auflösung im unteren Wertebereich
	* CD-Audio: Abtastrate 44kHz, Auflösung 16bit

* Digitalisierung von Bildinhalten

Zerlegung des Bildes in Raster bestimmter Auflösung, zeilenweise Abtastung
Auflösung: Anzahl Zeilen und Bildpunkte pro Zeile
Quantisierung: Anzahl der Graustufen pro Pixel

Datenkompression

Ablauf
- ein Signal x wird durch einen Encoder in ein komprimiertes Signal y gewandelt und durch den Übertragungskanal geschickt
- der Empfänger ermittelt mit Hilfe eines Decoders das Ausgangssignal x'
- bei verlustloser Kompression werden redundante Informationen gelöscht (Entropiekodierung) und x' entspricht genau x
```
* bei verlustbehafteter Kompression werden irrelevante Informationen gelöscht und x' ist nicht gleich x
```
  * Anforderungen an Kompressionsverfahren
- minimale Anzahl an bits
- Eindeutigkeit / Rekonstruierbarkeit
- kleinstmöglicher Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangssignal
Kategorien: Entropiecodierung / Quellencodierung
- Reduktion redundanter Daten <> Reduktion irrelevanter Daten
- universell <> an zu komprimierenden Datenstrom angepasst
- verlustfrei <> verlustbehaftet
  * Entropiecodierung: Verfahren, bei denen Auftrittswahrscheinlichkeiten zwischen verschiedenen unabhängigen Symbolen eines Alphabets zur Reduktion der Datenmenge ausgenutzt werden
Informationsgehalt eines Zeichens: I_i = log (1 / p_i) bit
Entropie: mittlerer Informationsgehalt, Summe der Produkte aus Wahrscheinlichkeiten und Informationsgehalten aller Symbole
statistische Codierungsverfahren versuchen, dem Wert H für die Entropie möglichst nahe zu kommen, Symbole mit hoher Wahrscheinlichkeit bekommen kürzere Codewörter zugewiesen
- Problem bei Codewörtern ungleicher Länge: Trennzeichen sind nötig oder Verwendung von Prefix-Codes
- Huffman-Code als Beispiel für Prefix-Codes
Präcodierung: betrachtet die Korrelation von Symbolen in einem zeitdiskreten Signal und versucht, die Intersymbolredundanz zu verringern
- Lauflängencodierung (RLE): nur effektiv wenn Basis des Zahlensystems klein und Anzahl der Wiederholungen (runs) groß ist
- statische Patternsubstitution: bestimmte Symbolfolgen treten häufig auf und bekommen fixe kurze Codeworte zugewiesen (z.B. "sch" in der deutschen Sprache)
  - ein Escape-Zeichen ist nötig
```
* Lempel-Ziv-Welch (LZW): alle Symbole werden in das Ausgangswörterbuch geschrieben, dann wird dieses dynamisch vercollständigt
```
    * Quellencodierung
- Gruppe der Dekorrelation: Prädiktion und Transformationscodierung
- Prädiktion: basiert auf differentieller Codierung, versucht Aussagen über Signalwerte anhand bereits bekannter Signalwerte zu treffen
  - Wert wird einem Prädiktormodul zugeführt, das einen Schätzwert ermittelt, der Unterschied zum tatsächlichen Wert (tatsächlicher Wert - Schätzwert) wird dann übertragen
  - Nachteil: Pufferung der bisherigen Werte notwendig
  - einfachste Form: Differential Pulse Code Modulation (DPCM) bei Audiosignalen, Schätzwert = vorheriger Wert
  - Prädiktion bei Bilddaten: kontextabhängige Prädiktormodi z.B. zum Erkennen einer vertikalen Kante
- Transformationscodierung: Transformierung vom Orts-/Zeitraum in den Frequenzraum (damit kann leichter gearbeitet werden und es bieten sich mehr Möglichkeiten für Kompression)
  - Transformation ist nicht verlustbehaftet und reversibel
  - wichtige Transformationen: Discrete Fourier Transformation (DFT, bei Audiokompression) und Discrete-Cosinus-Transformation (DCT, bei Bild- und Videokompression)

Links

Zusammenhang zwischen sone und phon

ToDo

Unterscheidung BAS / FBAS
LZW und Huffman im Baum durchspielen

Klausur

Gegenüberstellungen
Zusammenhänge
Detailfragen
Flash-Codeausschnitte kommentieren
Hilfsmittel: Taschenrechner
Skype: maddias.r

Begriffe

Determiniertheit
- Ein Algorithmus ist eine eindeutige Abbildung.
Determinismus
- Zu jedem Zeitpunkt ist der nachfolgende Abarbeitungsschritt eines Algorithmus eindeutig festgelegt.
  * Kontinuität (analoge Signale)
- lückenloser Zusammenhang, Stetigkeit, stetige Werte
Diskretheit
- räumliche oder zeitliche Trennung von Objekten oder Ereignissen
  * Periode = Schwingungsdauer T
- Eine Periode ist die kleinste Zeitdauer einer sich wiederholenden physikalischen Erscheinung.
Frequenz f
- Kehrwert der Periode
  * harmonische Schwingung
- Zeitabhängigkeit der veränderlichen Zustandsgrößen ist sinusförmig.
- t und F sind unabhängig von Amplitude.
  * Konvergenz <> Divergenz
- Existenz eines Grenzwertes bei einer Folge
Fraktal
- Gebilde mit hoher Selbstähnlichkeit (Beispiel: Mandelbrot-Menge)
  * Korrelation
- Beziehung zwischen zwei oder mehr statistischen Variablen (nicht zwingend kausal).

ToRead

DIN 33401

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