GFMT FH Köln

Grundlagen der audiovisuellen Medientechnik

Grundlagen der audiovisuellen Medientechnik


N. N.
Diese Karteikarten bieten eine grundlegende Einführung in die Techniken der Videobearbeitung und -übertragung. Sie behandeln Themen wie Farbsignale, digitale Signalverarbeitung, Bildkompression und die menschliche Wahrnehmung von Farben und Bildern. Besonders relevant sind die Konzepte von Bandbreite, Datenmenge und Farbdifferenzsignalen, die für die Optimierung der Videoübertragung entscheidend sind. Diese Karteikarten sind ideal für Studierende und Fachleute, die ihr Verständnis der technischen Aspekte der Videoverarbeitung vertiefen möchten.
Karten
61
Lernende
9
Sprache
Deutsch
Kategorie
Technik
Stufe
Grundschule
Erstellt / Aktualisiert
18.07.2013 / 07.03.2016

Lernkarten

Redundanz

Überschüssige Informationen, die durch die Gleichheit oder Ähnlichkeit von Werten entstehen.

Signal

Physikalischer Repräsentant einer Nachricht.

Information

Das "Neue" in einer Nachricht.

Schalldruckpegel

Logarithmisches Maß zur Beschreibung der Stärke eines Schallereignisses.

Lautstärkepegel

Ein psychoakustisches Vergleichsmaß, das beschreibt, welchen Schalldruckpegel ein Sinuston mit einer Frequenz von 1000 Hz haben müsste, damit dieser Ton genauso laut empfunden wird, wie das betrachtete Hörereignis.

Hörfläche/Hörfeld/Hörbereich

Bereich in dem in Abhängigkeit von Frequenz und Schalldruckpegel ein Schallereignis ein Hörereignis auslöst.

Äußere Farbgleichung

-(F)s=(R1-R2)(R)+(G1-G2)(G)+(B1-B2)(B)

Graßmannsche Gesetze

  1. Für das Ergebnis einer additiven Mischung ist nur das Aussehen, nicht aber die spektrale Zusammensetzung der Komponenten maßgebend.
  2. Alle Farbmischungen verlaufen stetig.
  3. Zur Festlegung einer Farbe sind 3 Bestimmungsgrößen notwendig und hinreichend.

Wiedergabesysteme Direktsicht/Projektor

Direktsicht

  • Aktiv: CRT, Plasma
  • Passiv: LCD

Projektor:

  • Aktiv: Laser
  • Passiv: LCD Projektor, DMD [Digital Micromirror Device]

Aktiv: selbstleuchtend

Passiv: benötigt zusätzliche Lichtquelle

Unterschiede PAL und NTSC

PAL:

  • Zeilenweise Phasenwechsel
  • U und V
  • Phasenfehler führen nicht zur Fartonänderung sondern zu Sättigungsänderung

NTSC

  • I und Q
  • Quadraturamplitudenmodulation mit unterdrückten Trägern
  • Helligkeitsinfo benötigt mehr Bandbreite als Farbsignal

a) Audiosignal wird mit 10Bit und 96kHz codiert. Welche Datenmenge nach 6:40min?

b) Welche Datenmenge, wenn Signal als MP3 codiert wird? Auf jedem Kanal mit 64kBit/s.

a) Datenmenge D = Quantisierung * kHz * Zeit (s)

10Bit * 96kHz * 400s = 384000000Bit = 48000000Byte = 46875kByte = 45,78MByte

b) Datenmenge D = 64 * 103 Bit / s * 400s * 2 (Stereo) = 51200000Bit = 6400000Byte = 6250kByte = 6,1Mbyte

a) Spektrale Effizienz bei 16QAM, 64QAM und 256QAM berechnen. H mit B=8Mhz berechnen.

b) HNutz berechnen bei BNutz = 7MHz und R1 = 0,9

a) Spektrale Effizienz ε = ld m [Bit/s*Hz]

  • ε16QAM = ld(16) = 4 Bit/s*Hz
  • ε64QAM = ld(64) = 6 Bit/s*Hz
  • ε256QAM = ld(256) = 8 Bit/s*Hz

Htheor. = ε * B (B: Bandbreite)

  • H16 = 4Bit/s*Hz * 8 MHz = 32Mbit/s
  • H64 = 6Bit/s*Hz * 8 MHz = 48Mbit/s
  • H256 = 8Bit/s*Hz * 8 MHz = 64Mbit/s

b) HNutz = ε * BNutz * R1 = 4Bit/s*Hz * 7MHz * 0,9 = 25,2MBit/s

Berechne die Entropie des gegebenen Bildauschschittes mit 6x4 Bildpunkten und 2Bit Amplitudenquantisuerung.

6x4 = 24 Bildpunkte

2Bit Amplitudenquantisierung

  • 5 Bildpunkte schwarz p0 = 5/24
  • 6 Bildpunkte dunkelgrau p1 = 6/24
  • 8 Bildpunkte hellgrau p2 = 8/24
  • 5 Bildpunkte weiß p3 = 5/24

H = Σ [k, i = 1] pi * ld (1/pi) = 5/24 * ld (24/5) + 6/24 * ld (24/6) + 8/24 * ld (24/8) + 5/24 * ld (24/5) = 1,97Bit/Zeichen

Linearität

Ein System wird als Linear bezeichnet, wenn jede beliebige Linearkombination der Eingangssignale s1(t), s2(t) zu der entsprechenden Linearkombination der Ausgangsignale g1(t), g2(t) führt.

a1 * s1(t) + a2 * s2(t) → a1 * g1(t) + a2 * g2(t)

Zeitinvarianz

Ein System wird als Zeitinvariant bezeichnet, wenn die Form des Ausgangsignals g(t) von einer Beliebigen zeitlichen Verschiebung t0 des Eingangssignals unabhängig ist.

g(t) = f[s(t)] → g(t-t0) = f[s(t-t0)

Erklären Sie chromatisch und sphärische Abberation.

Chromatische Abberation: Unschärfe bei Achsfernen Strahlen, abhängig von Wellenlänge des Lichts.

Sphärische Abberation: Unscharfe Abbildung bei Achsfernen Strahlen auf Netzhaut, da Bündelung der ?? Strahlen vor oder hinter der Netzhaut.

Erklären Sie, warum Rauschstörungen besonders gut in dunklen Bildbereichen wahrgenommen werden.

Dunkle Bildanteile → niedr. Signalpegel

Helle Bildanteile → hoher Signalpegel

⇒ Signalrauschabstand bei niedrigen Signalen kleiner → Rauschen besser wahrnehmbar

Konvergenzfehler

Wenn die Farbauszüge nicht deckungsgleich sind, hat das Fernsehbild Farbsäume (die Farbränder liegen deutlich nebeneinander).

Welche analogen VIdeo-Signalformate kennen Sie?

a) Beschreiben Sie diese kurz

b) Ordnen Sie diese hinsichtlich ihrer Bildqualität

Beste Qualität:

  1. RGB-Übertragung: 3 getrennte Signalleitungen + gegebenenfalls Synchrosignal
  2. YUV/Komponentensignal: Gemeinsames Luminanz und Synchrosignal, Farbdifferenzsignal getrennt, eingeschränkte Bandbreite.
  3. Y/C-Signal (S-Video): gemeinsames Luminanz und Synchrosignal. Beide Farbdifferenzsignale sind auf einem Farbträger moduliert.

Geringste Qualität

Erklären Sie den Versuch von Weber und das Webersche Gesetz zur Helligkeitswahrnehmung.

Die Helligkeit eines Gegenstands hängt nicht von dessen Leuchtdichte ab, sondern vom Adaptionszustand und der Umfeldleuchtdichte. Daher können Flächen gleicher Leuchtdichte durchaus ungleich hell erscheinen.

Versuch: Personen sollen die Leuchtdichte L2 der Fläche A2 so einstellen, dass die Helligkeitsunterschiede ΔH12 = H2 - H1 und ΔH23 = H3 - H2 gleich groß empfunden werden.

Webersches Gesetz: L1/L2 = L2/L3

Isophone

Linien gleicher Lautstärkewahrnehmung in der Hörfläche. 

Anpassung und Verdeckung im Zusammenhang mit auditiver Wahrnehmung

Anpassung: Gehör ist in der Lage, seine Empfindlichkeit an den gerade herrschenden mittleren Schallpegel anzupassen.

Verdeckung: Ein auf das Gehör einwirkender Reiz seitzt gleichzeitig die Empfindlichkeit für andere Reize herab.

Farbwerte des Farbbalkentestbild

      R(c)   G(m)   B(y)

weiß          1          1          1                      

gelb           1          1          0                      

magenta   1          0          1                      

rot              1          0          0                      

cyan          0          1          1                      

grün          0          1          0                     

blau           0          0          1                      

schwarz   0          0          0                      

 

Farbe und Farbreizfunktion ϕ(λ) in der Farbmetrik

Die Farbreizfunktion ist die physikalische Ursache für die durch das visuelle System erzeugte subjektive Empfindung Farbe

Allgemeine Aussage über Zusammenhang zwischen Farbempfindung und Farbreizfunktion ϕ(λ)

Gleiche Farbreizfunktionen können zu verschiedenen Farbempfindungen führen.

Unterschiedliche Farbreizfunktionen können die gleiche Farbempfindung verursachen.

Nennen Sie die einzelnen Schritte bei der Digitalisierung eines Videosignals

Abtastung → Quantisierung → Codierung

Welche Prinzipiellen Signaldefekte werden durch die Digitalisierung eingeführt? Wie können diese reduziert werden?

Alias bzw. Schwebungsstörungen: können durch Vorfilterung reduziert/vermieden werden.

Quatisierungsfehler: Quatisierungsstufen erhöhen.

Welche beiden Möglichkeiten kennen Sie, um ein Schnittschaltwerk zu realisieren?

Malteserkreuz-Antrieb

Elektronischer Schaltrollenantrieb

Worin zeigt sich Bildschärfe und örtliche Auflösung?

Bildschärfe: zeigt sich besoders an den Konturen/Kanten eines Bildes

örtliche Auflösung: zeigt sich insbesondere in feinen Bilddetails

Was versteht man beim visuellen System des Menschen unter Akkumodation?

Automatische Scharfeinstellung des Aufes auf die Enfernung des Gegenstandes.

Warum werden Umlaufblenden benutzt?

Der Film darf nur belichtet werden, wenn er still steht.

Anamorphot

Optik, die bei einem 35mm Film eingesetzt wird, um eine Breitbilddarstellung zu ermöglichen. Kompression der Aufnahme muss exakt der Expansion der Wiedergabe entsprechen. Verhältnis 1:2.

Stroboeffekt

Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rades ein ganzzahliges Vielfaches der Abtast/Bildfrequenz ist, entsteht der Eindruck, dass das Rad still steht.

Spektrale Effizienz

Verhältnis zwischen Datenübertragungsrate und Bandbreite.

Erklären Sie die prinzipiellen Unterschiede zwischen der Farbdarstellung im RGB-Farbraum und der Farbartebene (Farbtafel).

Farbartebene:

(R), (G), (B) bilden die Ecken des Farbdreiecks. 

  • Punkt in der Ebene enspricht der Farbart (Sättigung + Ton) Farbort (F)
  • Farbtonanteile r, g, b legen Abstände des Farbortes (F) von den Dreiecksseiten fest
  • Keine Info/Aussage über Helligkeit möglich

RGB-Farbraum:

(R), (G), (B) bilden die Ecken das Koordinatensystem

  • Punkt im Raum enspricht der Farbvalenz F
  • Farbwerte R, G, B sind die Koordinaten (Komponenten) der Farbvalenz F
  • Farbvalenz definiert auch Helligkeit

a) Ein Komponentensignal wird nach dem digitalen Studiostandart (fAY = 13,5MHz, 4:2:2 Abtaststruktur) mit einer Auflösung von 8Bit digitalisiert. Welche Datenmenge ergibt sich für eine Video Sequenz von 15min Länge?

b) Welche Datenmenge ergibt sich für die gleiche Videosequenz, wenn diese im HDTV Format mit 1920 Bildpunkten und 1080 Zeilen (50Hz interlaced) ebenfalls mit 4:2:2 Abtaststruktur, jedoch mit 10Bit Quantisierung digitalisiert wird (Nur aktives Bild berücksichtigen)?

H: Datenrate

D: Datenmenge

a) H = fAY * 8Bit + 2 * fA(R-Y)(B-Y) * 8Bit = 13,5MHz * 8Bit + 2 * 6,25MHz * 8 Bit = 216MBit/s

D = H * t = 216MBit/s * 15min = 27MByte/s * 15 * 60s = 24300MByte = 23,73GByte

b) 1920 * 1080 = 2073600 Bildpunkte/Bild

H = 25Hz * 2073600BP * 10Bit * 2 (2 weil 4:2:2. Bei 4:1:1 oder 4:2:1 sind es 1,5) = 1036800000Bit/s 

D = H * t = 1036800000Bit/s  * 15 * 60s = 9,3312 * 1011Bit = 108,63Gbyte 

Ein RGB-Signal wird mit einer Auflösung von 10Bit digitalisiert. (fA = 13,5MHz, Abtaststruktur 4:4:4)

a) Welche Datenmenge ergibt sich für eine Videosequenz von 20min Länge?

b) Welche Datemenge ergibt sich für die Videosequenz, wenn das Signal mit einem DV-Encoder (4:2:0) mit einer konstanten Bildrate von 25MBit/s codiert wird?

a) Datenrate H = 3 * 13,5MHz * 10Bit = 405MBit/s

(3: 3 Komponenten, RGB)

Datenmenge D = 105MBit/s * 20 * 60s = 486000MBit = 59,33GByte

b) Datenmenge D = 25MBit/s * 20 * 60s = 30000MBit = 3,66GByte

Ein Analoges Videosignal (Komponenten Signal) soll digitalisiert werden.

a) Wie hoch ist die Abtastfrequenz des Luminanzsignals fAY mindestens zu wählen, wenn das Signal zuvor auf 5,5MHz bandbegrenzt wurde?

b) Das Signal wir mit 12Bit quantisiert. Berechnen Sie den Quantisierungsrauschabstand SNRQeff für die Luminanz Komponente.

c) Als Systemreserve bei der Quantisierung mit 12Bit wird ein "Headroom" und ein "Footroom" von jeweils 246 Stufen vorgesehen. Wie groß ist nun der unnutzbare Quantisierungsabstand? (Hilfe: ld3584 = 11,8

a) fAY > 2 fgr ⇒ fAY > 11MHz

b) SNRQeff = b * 6dB + 10,8dB = 12Bit * 6dB + 10,8dB = 82,8dB

c) 212 = 4096 Quantisirungsstufen

- 512 Headroom/Footroom

⇒ 3584 Quantisierungsstufen nutzbar

2b = 3584 ⇒ b = ld3584 = 11,8Bit

SNRQeff = 11,8Bit * 6dB + 10,8dB = 81,6dB

a) Was versteht man bei der Filmprojektion unter Bildstandfehler?

b) Wovon hängt die Sichbarkeit von Bildstandsfehlern ab?

a) Verschiebung des Films von der Solllage bei der Projektion

  • in richtung der Optischen Achse (Durchbiegung)
  • in Laufrichtungdes Films (Höhenbildstandsfehler)
  • Quer zur Laufrichtung (Seitenbildstandsfehler)

Bildstandsfehler äußern sich durch Unschärfe

b) Betrachtungsabstand und Vergrößerung

a) Bei der analogen Farbübertragung wird anstelle der Farbwiedergabesignale R, G, B eine Farbcodierung mit einem Luminanzsignal Y und zwei Farbdifferenzsignalen (R-Y) und (B-Y) verwendet. Warum macht man das? Was beschreiben die Farbdifferenzsignale?

b) Wie lautet die Gleichung für das Luminanzsignal? Zeigen Sie, dass bei unbunten Bildvorlagen die Farbdifferenzsignale zu Null werden.

a) Kompabilität zum SW-Fernseher

Bandbreite der Farbdifferenzsignale kann eingeschränkt werden

Die Farbdifferenzsignale beschreiben nur die Farbart.

b) Y = 0,3 R + 0,59 G + 0,11 B

unbunt: R = G = B

z.B. weiß: R = G = B = 1

Y = 0,3 + 0,59 + 0,11 = 1

B - Y = 1 - 1 = 0

R - Y = 1 - 1 = 0

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