6. Multimédia rendszerek fejlesztésében az egyik legfontosabb munkafázis a multimédia forrásanyagok (szövegek, képek, hanganyagok, stb.) digitalizálása. Tekintse át a digitalizálásra vonatkozó alapfogalmakat, ismertesse a különböző típusú médiaelemek digitalizálására alkalmas hardver és szoftver eszközeit. Multimédia rendszerek alapfogalmai Analóg és digitális jelek (példák) Az analóg megjelenítő (lejátszó) eszközök Digitális megjelenítő (lejátszó) eszközök Analóg/digitális és digitális/analóg átalakítás jelátalakítók Multimédia elemek (szöveg, kép, hang, videó) digitalizálásának eszközei A jel mindig valamilyen fizikai mennyiség értéke vagy értékváltozása. Aszerint, hogy a jel milyen formában hordozza az információt (vagyis az milyen formában jut el hozzánk), beszélhetünk analóg és digitális jelekről. Analóg és digitális jelek jellemzői Az adat, az információ megjelenési formája. Az adatot mindig valamilyen jel, jelsorozat formájában rögzítjük, illetve továbbítjuk. Az információt hordozó jel lehet analóg, vagy digitális. Analóg: Az analóg jel képe az analóg hullám. Ez lehet tiszta szinusz hullám, vagy szinusz hullámok kombinációja. Jellemzői: 1) Az analóg jelek információ tartalma végtelen. 2) Ha mintavételezéssel, kvantálással digitális jelet állítunk elő belőle, az információ veszteséggel jár. 3) A természetben előforduló dolgokra ez a jellemző. 4) Regenerálása nagyon nehéz, így például másolása során a jel minősége romlik. 5) Hátránya, hogy mindig csak véges sok érték megkülönböztetésére alkalmas, igaz, hogy a pontosság elvileg tetszőlegesen növelhető. A beszéd átvitelének egyszerű módja az analóg technológiával való átvitel. Az első mobiltelefonos hálózatok analógok voltak. Ide tartozik például az AMPS, az NMT és az ETACS. Analóg jelek: Pl. beszéd közben létrejövő levegőrezgések (hullámok). Formájuk hasonlatos (analóg) azzal a hatással, amely létrehozta őket. Végtelen különböző értéket vehetnek fel. A távközlésben az analóg jeleknek három jellemzője kiemelten fontos: az amplitúdó, a frekvencia és a fázis. Az analóg médiák: fénykép(analóg fényképezővel készített), analóg hangfelvétel, analóg videofelvétel. 1
Digitális: A digitális jel képe a négyszögjel. Jellemzői: 6) A feszültség nem folyamatosan, hanem ugrásszerűen változik átmenet nélkül, egyik pillanatról a másikra megy át az alacsony feszültségszinttől a magasba, illetve fordítva. 7) Diszkrét értékeket vehet fel, értékeit diszkrét számértékekkel adjuk meg. Ez bináris jel esetén két érték lehet: a maximum és a minimum érték, vagyis a 0 és 1 bit. 8) A technikai dolgokra jellemző. 9) Könnyen regenerálható a jel, melynek következtében a jel minősége nem romlik. Az analóg jelekkel ellentétben csak meghatározott számú különböző állapotuk létezhet. Egyik legfontosabb típus a bináris jel, ahol csak két állapot létezik. Az életben a bináris jelrendszerek olyannyira elterjedtek, hogy digitális jelek alatt általában bináris jeleket értünk. A digitális (négyszög) jel valójában csak elméleti definíció. A valóságban a digitális jelben is léteznek apró zajok, kiugrások, ez nagyrészt a jelátvivő kábel fizikai jellemzői miatt van, és a környezeti hatásoktól, de maga a jel digitálisnak mondható. Funkció szerint tehát digitális kábelnek mondjuk pl a HDMI kábelt (mert digitális jelet továbbít) de valójában az sem tökéletes tiszta digitális jel mert az csak elméletben létezik. 2
Analóg megjelenítő (lejátszó) eszközök: Szalagos magnó, videó: A szalagos hang és videó magnó a beérkező adatot (villamos jelet) mágneses elven tárolja. Felvétel során a hordozó (mechanikus hajtással) elhalad egy törlő fej előtt, mely a hordozón lévő esetleges korábbi rögzítést váltakozó áramú, demagnetizálással megszünteti. Ezt követően a felvevő fej elé jut, melynek tekercsébe a bemenetre adott, majd felerősített villamos jelet vezetik. A tekercsben a rögzíteni kívánt jelnek megfelelő összetett jelalakú és frekvenciájú, változó erősségű áram folyik, mivel egy zárt áramkört képez. A fej kialakítása olyan, hogy ez a változó jel által létrehozott mágneses tér, mely arányos a bemeneti jellel, egy kisméretű légrésen keresztül záródjon. Ez előtt a rés előtt halad el a hordozó, mely a változó mágneses térnek megfelelően felmágneseződik. A felvétel minősége szempontjából lényeges a hordozónak a fej előtti elhaladásának sebessége, valamint a réstől való távolsága. Lejátszáskor a hordozó szintén elhalad a törlő fej előtt, azonban abban áram nem folyik, így úgy tekinthető, mintha nem is lenne ott. A hordozó tovább haladva a lejátszó fej elé kerül, és a tárolón lévő mágneses térerősség változása a rögzített jelnek megfelelő mértékben a lejátszó fej vasmagját felmágnesezi. A vasban lévő erővonal sűrűség változás hatására az azon elhelyezett tekercsben feszültség indukálódik. Mivel a tekercs egy zárt áramkör része, abban áram folyik. Ez az átfolyó áram arányos a korábban rögzített jellel. Ezt a jelet felerősítve a készülék kimenetére, további feldolgozásra stb. lehet használni. Monitor (CRT) A ma már elavultnak nevezett monitor a CRT, katódsugárcsöves monitor. Az első monitorok monokróm működésűek voltak: fekete-fehér vagy fekete-sárga, esetleg zöld színnel jelentették meg a szövegeket. A képcsőben helyet foglal egy elektronágyú, ami elektronokat (pozitív és negatív töltéseket) bocsát ki, az elektronok olyan gyorsan követik egymást, hogy helyesebb elektronsugárról beszélni. Az elektronsugarakat erős mágnes téríti el vízszintes és függőleges irányba. A képernyőbelső, lapos felületét homogén foszforral vonják be, mikor az elektronágyú eltalálja a foszforpontot az felvillan, a fényének erősségét pedig a feszültségi szint szabályozza. A gyártás során nem tudtak elég jó minőségű 3
6. Tétel foszfort felhasználni, ezért a képpontok hamarabb kialudtak, mint ahogy a teljes kép kirajzolódott. Erre a problémára született megoldás az interlace képalkotás, amikor nem az egymás utáni sorokat rajzolja ki az elektronágyú, hanem elsőnek a páratlan sorszámúakat, azután a párosokat. Ma már nem alkalmazzák, mert túl nagy a vibrálása és nagyon fárasztja a szemet. Katódsugárcsöves monitor (Forrás: Farkas Szilárd Bevezetés a számítógépes világba) A színes monitor esetén az elv azonos, csak nem egy, hanem három: piros, zöld és kék (RGB) elektronágyú bombázza a foszforpontokat, és a színhármasok alkotnak egy pixelt. Ha az elektronágyú nem pontos, homályos lesz a kép. Ezért alkalmaznak egy árnyékmaszkot, ami egy lyukas fémlemez az elektronágyú és a foszforréteg között, feladata, hogy kiszűrje a pontatlan elektronsugarakat. Két azonos színű foszforpont távolsága adja meg a képpontok távolságát, s ez minél kisebb, annál jobb, szebb lesz a kép. Két külön dolog maga a megjelenítő technológiája és az adattovábbító kábel technológiája. A CRT esetében mindkettő analóg. A kábelben is analóg jel megy, és maga CRT (elektronágyú) is analóg jelet vár. A további technológiák már változóak lehetnek, egy LCD monitor belül már csak digitális jellel tud dolgozni de a kábel amin bemegy a jel az lehet analóg is, (ekkor persze szükség van analóg-digitál átalakítóra, lásd lentebb ) Digitális megjelenítők (lejátszók): LCD (Liquid Christal Display) monitor Az LCD monitor már digitális jellel dolgozik (a jelet átvivő kábel még lehet analóg). A folyadékkristály önmagában folyékony és szilárd halmazállapot között lévő anyag, melyben a részecskék a hőmérséklet hatására lehetnek rendezettek vagy rendezetlenek. 4
Az LCD monitorban ilyen folyadékkristály található, ezzel szabályozható belül az egyes pixelek fényereje. A kristály szerkezetének megváltozását vagy úgy érik el hogy a kristályba feszültséget vezetnek (STN) vagy egy tranzisztorral vezérlik (TFT) nem közvetlenül a folyadékba vezetik az áramot. Hogy minden egyes pixelt külön tudjanak vezérelni ezért a folyadékkristály nem egyben van két lap közé beszorítva hanem egy rácsban helyezkedik el, minden egyes cellába más feszültség vezethető így a pixel fényereje külön-külön változtatható. A dolog még annyival van bonyolítva hogy a pixel fel van bontva további három subpixel-re( piros,zöld,kék ), amiknek a fényereje külön-külön állítható, így keverhető ki az adott pixel tényleges színe. Pixel Subpixel A háttérvilágítás folyamatosan be van kapcsolva, a folyadékkristály csak eltakarja az adott helyen a pixelt, ezért tűnik feketének. (valójában a fekete is világít az LCD-n ha nagyon sötétben nézzük) LCD működése: http://www.youtube.com/watch?v=k7xgqkpqaww A polarizáció: A fény alapvetően olyan hullám ami minden irányba terjed, a polarizált fény viszont csak egy irányba. A szemünk nem tud különbséget tenni a polarizált és polarizálatlan fény között, ugyanannak látjuk mindkettőt. Az LCD monitoroknál polarizált fény érkezik a szemünkbe, és erre azért van szükség, 5
LED kijelző: A LED kijelzők működési elve teljes mértékben megegyezik az LCD kijelzőkével, annyi a különbség hogy a háttérvilágítást apró fehér LED-ek adják. más LCD kijelzőnél a világítás csövekkel van megoldva ami jóval több áramot fogyaszt mint a LED. Kijelző típusok családfája: Analóg/digitális és digitális/analóg átalakítás A/D átalakító (ADC = Analóg Digital Converter): Az analóg jelet digitálissá (általában binárissá) átalakító áramkör. Két fontos paramétert kell tisztázni a digitalizálás során: Mintavételezés sűrűsége (khz): milyen sűrűn vegyünk mintát az adott jelből A vett minta pontossága (bit): egy darab mintát ha levettünk azt hány biten ábrázoljuk, azaz mennyire legyen pontos a mért érték (10 vagy 10,82345 nembiztos hogy mindegy) D/A átalakító (DAC = Digital Analog Converter): Digitális (többnyire bináris) információt alakít analóg jellé. Többféle működési elvűt ismerünk, pl. az integráló DAC-t. Fontos jellemzője a max. órajel (a feldolgozható max. mintavételi frekvencia) és a bitszám, azaz a felbontás. Ha a ADC nemlineáris kvantálású volt, akkor a visszaalakításnál használt DAC karakterisztikája tükörképe kell legyen az ADC karakterisztikájának (pl. logaritmusos - exponenciális). 6
Multimédia elemek (szöveg, kép, hang, videó) digitalizálásának eszközei Scanner, Fényképező, Videókamera, mikrofon (1.es tétel) Videó digitalizálása A videó jel valamilyen eszközről érkezik a számítógépbe, de közvetlenül a számítógépen nincsenek szabványos videó bemenetek, ehez külön digitalizáló kártya szükséges, ami lehet külső (USB-s) vagy belső. Ezek az eszközök már rendelkeznek olyan bemenettel amik szükségesek hogy a VHS lejátszóval, kamerával, egyéb lejátszó eszközzel összekössük a számítógépet. A lejátszó eszköz lehet pl.: egy kamera, egy VHS lejátszó, vagy akár élő egyenes TV adás is (ekkor a TV antennát közvetlenül a digitalizáló eszközbe dugjuk) a lényeg hogy a digitalizáló eszköz megvásárlásakor ügyeljünk rá hogy a lehető legtöbb bemenettel rendelkezzen (vagy legalábbis azzal amelyikre szükségünk van). Az RCA kábelnél jobb minőséget ad az S-VIDEO, de a legjobb minőséget Fire-Wire kábelen keresztül tudjuk átvinni. Célszerű mindig a legjobbat választani ha a lejátszó is rendelkezik ilyen kimenettel, és azon csatlakoztatni az eszközt a számítógépre. A számítógép oldaláról már csak egy digitalizáló szoftver szükséges (windows movie maker, quick time, virtualdub, avidemux) ahol egy capture video, new movie recording vagy hasonló menüpontot kiválasztva egyből láthatjuk is a lejátszóból érkező képet. Ezután a felvétel elkészítés következik. A kész felvételt még valószínűleg vágni/tömöríteni kell, erre a rendelkezésre álló szoftverek többnyire mind alkalmasak. Interlace-Deinterlace: Ha régi analóg TV szabványú videót (PAL, NTSC, stb ) rögzítünk számítógépen akkor felmerül az interlace probléma. Ez azt jelenti, hogy a régi technológiával nem tudták megoldani azt hogy 25 teljes képet egy másodpercben jelenítsenek meg a TV képernyőjén, ezért azt találták ki hogy a tv nem 25kép/másodperc hanem 50félkép/másodpercnyi képet jelenített meg (először az egyik kép páros majd a másik kép páratlan sorait rajzolta csak ki) Ez az interlace technika. A mai kijelzők azonban már mind képesek a progresszív (25 teljes kép/másodperc) megjelenítésre, de egy interlace-elt videót progresszív kijelzőn megjelenítve nagyon rossz minőségű eredményt kapunk: 7
A kép bal oldalán látható hogy a két félképkockát egy képkockára rajzolja az eszköz, ez okozza ezt a csíkos kinézetet. Ha ezt a jelenséget akarjuk megszüntetni akkor kell bekapcsolnunk a rögzítő/konvertáló szoftverben a deinterlace funkciót. A deinterlace persze fölösleges, ha a megjelenítő továbbra is TV, de ha a cél a videó anyag digitális archiválása, dvd-re írása, egyéb számítógépes videóformátumban való lementése (avi, mpeg, stb.) akkor mindenképpen használni kell. Az analóg és digitális jelek összehasonlítása (alkalmazási példák) Példák 1. matematikából Az y=x 2 függyvény grafikonjának megrajzolásakor a digitális elvet alkalmazzuk egy analóg kép előállítása céljából. A függvény képének megrajzolásához először ki kell számolni a görbe végtelen számú pontjai közül néhánynak a koordinátáit (diszkrét értékeket kellett megkeresnünk). A kapott pontokat szabadkézzel összekötve (a pontok koordinátái a függvény diszkrét értékei) könnyen megrajzolhattuk a folyamatos vonalú görbét. Minél több "segédpontot" számolunk ki, annál pontosabb lesz a görbe. A példában az analóg jel a folytonos görbevonal, a diszkrét megfelelője pedig az értéktáblázatban koordinátákkal megadott ponthalmaz. 2. hőmérő 3. légnyomásmérő Példák analóg rendszerekre az autó gázpedálja termosztát (hőmérsékletszabályzó) fényerőszabályzós villanykapcsoló, hangerőszabályzó szélmalom, vizimalom Digitális vezérlésre: villanykapcsoló (on,off) automata mosógép programkapcsolója 8