камальдинова. Мультимедиа технологии
 Скачать 6.03 Mb.
|
|
MPEG7 Последняя, выпущенная в конце минувшего года разработка – новый стандарт MPEG7 – вовсе не является непосредственным продолжением линейки MPEG-предшественников, хотя по предмету стандартизации частично перекликается с ними. MPEG7 должен обеспечивать формализацию и стандартизацию описания различных типов мультимедийной информации (а не ее кодирования), чтобы гарантировать эффективный и быстрый ее поиск. Официально новый стандарт называют Multimedia Content Description Interface – интерфейс описания мультимедийных данных. В нем определен стандартный набор дескрипторов («описывателей») для различных типов мультимедиа-информации. Здесь также стандартизируется способ определения своих дескрипторов и их взаимосвязи (Description Schemes). Для этих целей в MPEG7 вводится специализированный язык DDL (Description Definition Language – язык описания определений). Основная цель применения нового стандарта – эффективный поиск мультимедийной информации (естественно, специализированными поисковыми машинами) аналогично тому, как сейчас мы можем найти текст по каким-нибудь ключевым словам или фразе. Поясним на примерах. Музыка: Сыграв несколько нот на клавиатуре, можно получить список музыкальных произведений, которые содержат такую последовательность звуков. Графика: Нарисовав эскиз на экране, получим набор рисунков, содержащих подобный фрагмент. Картины: Определив объект (задав его форму и текстуру), получим перечень картин, содержащий таковой. Видео: 167 Задав соответствующий объект и его движение, получим набор видео или анимационных роликов. Голос: Задав фрагмент голоса певца, получим набор песен и видеоклипов, в которых он поет. MHEG Последнее замечание – о стандарте, который обозначается похожей на MPEG аббревиатурой MHEG. Он также имеет некоторое отношение к рассматриваемой нами теме, но, подчеркиваем, лишь некоторое, поскольку его применение планируется для передачи мультимедийной информации по различным коммуникационным сетям. MHEG разрабатывается другой группой специалистов, принадлежащей, впрочем, к все той же международной организации по стандартизации ISO. Называется группа соответственно Multimedia&Hypermedia Expert Group (экспертная группа по мультимедиа и гипермедиа). Разрабатываемый ею стандарт определяет правила обмена мультимедийной информацией (видео, звук, текст и любые другие данные) между произвольными мультимедийными приложениями. Стандартом MHEG также определяются нормы передачи информации любыми способами – через локальные сети, сети телекоммуникаций или вещания – с использованием так называемой объективной классификации (MHEG Object Classes). При этом сами объекты могут включать в себя любую систему кодирования (в частности, MPEG), которая определяется конкретным базовым приложением. Стандартные MHEG-объекты должны создаваться мультимедийными приложениями с использованием специализированного языка – Multimedia Scripting Language. Стандарт MHEG уже признан советом по цифровому видео и звуку (DAVIC, Digital Audio-Visual Council). Разработчики утверждают, что MHEG – это будущий международный стандарт для интерактивного телевидения, так как он работает на любых платформах, а документация по нему распространяется совершенно свободно. Звук в MPEG Кодирование звука и музыки осуществляется отдельным аудиокодером. По мере развития стандарта MPEG звуковые кодеры также 168 совершенствовались, становясь все эффективнее. В основе повышения эффективности – та же идея: сократить объем «второстепенной» для слушателя аудиоинформации. В результате в составе стандарта MPEG1 было создано семейство из трех звуковых кодеров, названных «слоями»: Layer I, Layer II, Layer III. Все они, подобно видеокодерам, построены на несовершенстве «человеческого фактора»: психоакустическая модель здесь эксплуатирует несовершенства слухового аппарата человека. По мнению ученых, в несжатом звуке передается много избыточной информации. Избыточной в том смысле, что человеческое ухо ее все равно не воспринимает. Большой эффект для сжатия дает, например, явление маскирования некоторых звуков. В частности, если сначала подать громкий звук на частоте 1000 Гц, то более тихий звук на частоте 1100 Гц уже не будет фиксироваться слухом. В модели используется и явление ослабления чувствительности человеческого уха на период в 5 мс – до и 100 мс – после возникновения сильного звука. Существуют похожие временные эффекты маскирования; известны и более сложные взаимодействия, когда временный эффект может выделить конкретную частоту или, наоборот, подавить. Психоакустическая модель – как свод правил – разбивает весь спектр на блоки, в которых уровень звука считается близким. Затем удаляет звуки, формально не воспринимаемые человеком в соответствии с описанными выше эффектами. Потом следует процедура «упаковки» методами, напоминающими по принципу компьютерные архиваторы (опять же – с устранением избыточности), и, наконец, формируется цифровой информационный поток. Идеология сжатия всех «слоев» сходна, разница – в методах и в математике. Первый «слой» (Layer I) был рассчитан на поток скоростью 192 кбит/с на канал. Алгоритм его в целом похож на систему сжатия звука ATRAC, которая реализована на мини-дисках Sony. Разновидность Layer I используется и в устройствах записи цифровых компакт-кассет DCC. Разновидность Layer II, предназначенная для потоков до 128 кбит/с на канал, была разработана как компромисс между качеством звука, величиной потока 169 и сложностью кодера. В нем были, в первую очередь, усовершенствованы гребенчатые фильтры. Этот «слой» весьма сходен с известным аудиостандартом MUSICAM. Наибольшее применение Layer II нашел в сетях цифрового радиовещания DAB (Digital Audio Broadcasting). И, наконец, Layer III исходно был рассчитан на низкоскоростные сети с потоком до 64 кбит/с на канал. Благодаря усилиям до того малоизвестного немецкого института информационных технологий имени Фраунгофера (IIS Fraunhofer) в 1998 г. был сделан почти революционный прорыв. Усовершенствование математики в части алгоритма преобразования Фурье и механизмов упаковки спектральных коэффициентов позволило сохранить «CD-качество» звука при низкой скорости потока. Естественно, такое достижение потребовало больших вычислительных ресурсов, но производительности современных компьютеров к тому времени уже хватало и на это. В результате появился формат сжатия аудиоинформации МР3 (полное его название – MPEG Audio Layer III), который начал вполне самостоятельную жизнь. Тот же институт Фраунгофера выпустил первый аппаратный кодер, работающий в реальном времени. За этим шагом последовали другие (МР3-Pro). Сегодня миниатюрные МР3-плейеры и диктофоны с флэш-картами разных мастей знакомы многим. Любой пользователь Интернета знает о распространении сжатого звука через сеть, знает о серверах, «набитых» музыкой в формате МР3. Естественно, вслед за удачным решением массовому потребителю уже предложены форматы- конкуренты, в частности, WMA от Microsoft, ААС (как «продвинутый» Dolby Digital АС-3): Здесь уместно упомянуть и технологию Meridian Lossless Packing (MLP), которая, напротив, используется в аудиофильских записях DVD-Audio – но это предмет, достойный отдельного разговора. Краткие итоги лекции 7 MPEG-1 является практически устаревшим стандартом. Однако идеи, опробованные в нем, позволили создать более «продвинутые» стандарты. 170 Стандарт MPEG-2 позволил воплотить в жизнь системы цифрового телевидения и оптические цифровые диски, что позволило серьезно изменить жизнь человеческого общества. Вопросы по лекции 7: 1. Рассказать про части стандарта MPEG 2. Для чего предполагалось использовать данный стандарт? 3. Какие существуют достоинства и недостатки стандарта MPEG ? 4. Дать краткую характеристику стандарту MPEG 5. Из каких основных частей состоит MPEG ? 6. Рассказать про его достоинства и недостатки. 7. Рассказать про области его применения. 8. Дать определение понятию Кодек. 9. Дать определение понятию Контейнер. 10. Привести примеры контейнеров. Дать описание. 11. Описать процесс кодирования видео в MPEG-2. 12. Описать виды сжатия видеоинформации в MPEG-2. 13. Описать программный поток данных стандарта MPEG-2. 14. Описать транспортный поток данных стандарта MPEG-2. 15. Перечислить форматы MPEG следующего поколения (после MPEG- 1 и MPEG-2). Дать краткую характеристику. 171 Лекция 8. Плазменные технологии Краткая аннотация лекции: Рассматривается понятие плазмы и плазменных панелей, структура, история развития плазменных панелей, Конструкция плазменных экранов. Цель лекции: изучить основы плазменных технологий. 8.1 Определение плазменной панели Плазменная панель (газоразрядный экран) – устройство отображения информации, монитор, использующее в своей работе явления электрического разряда в газе и возбуждаемого им свечения люминофора. Плазма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») – в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и неквазинейтральным. Плазма иногда называется четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества. Слово «ионизированный» означает, что от значительной части атомов или молекул отделен по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов) суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает ее заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Рис. 8.1Плазменная лампа 172 Четвертое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году, возможно из-за ассоциации с плазмой крови. Ленгмюр писал: «Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит ионы и электроны практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», чтобы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов». Многие философы античности утверждали, что мир состоит из четырех стихий: земли, воды, воздуха и огня. Это положение с учетом некоторых допущений укладывается в современное научное представление о четырех агрегатных состояниях вещества, причем плазме, очевидно, соответствует огонь. Свойства плазмы изучает физика плазмы. На рисунке 8.1 представлена плазменная лампа, иллюстрирующая некоторые из наиболее сложных плазменных явлений. Свечение плазмы обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией после рекомбинации с ионами. Этот процесс приводит к излучению со спектром, соответствующим возбуждаемому газу. 8.2 История развития плазменных панелей Концепция плазменных панелей родилась еще в июле 1964 в Университете Иллинойса. Первые панели были ни чем иным как световыми точками, созданными в лабораторных экспериментах. Технология была развита и улучшена, и к концу 60-ых стала передовой настолько, чтобы позволить ученым строить геометрические формы. Первые «настоящие» плазменные панели появились в 1989 году. Зачинателем технологии производства таких панелей считается компания Fujitsu. Первые плазменные мониторы, разработанные специалистами компании, были размером в 20 дюймов (51см). Сейчас Fujitsu специализируется на выпуске мониторов размером 40-42 дюйма: известно, что плазменные панели небольшого формата выпускать совершенно 173 невыгодно – сложное производство не окупается. Разумеется, с 1989 года плазменные панели претерпели серьезные изменения. Каждый производитель высокотехнологического оборудования старался добавить свою изюминку, добавить технологию, улучшающую качество изображения. NEC разработала технологию капсулированного цветового фильтра (CCF), специалисты этой фирмы также предложили ввести разделение пикселей черными полосами, что существенно повысило контрастность. Pioneer увеличила площадь пятна люминофора, а также использовала «формулу голубого люминофора», дающую еще более высокую контрастность. Все эти усовершенствования вносились в единую технологию производства плазменных панелей постепенно – шаг за шагом. 8.3 Конструкция плазменных экранов На протяжении почти ста лет основным устройством отображения информации был кинескоп (ЭЛТ – электронно-лучевая трубка; англ. – CRT). Однако в последние десятилетия благодаря успехам микроэлектроники и цифровой схемотехники появилось большое количество экранов, принципиально отличающихся от ЭЛТ. Практически во всех таких устройствах используется аналоговый метод управления яркостью свечения ячейки, когда непрерывно изменяющемуся электрическому сигналу соответствует непрерывное изменение некоторого параметра элемента отображающего устройства. Например, в дисплеях с автоэлектронной эмиссией (FED – field-emission display) изменяется интенсивность эмиссии электронов, в MEMS (micro electromechanical system – микроэлектромеханические системы) матрицах – угол наклона или форма зеркала, в ЖК-дисплеях (TFT LCD – Thin Film Transistor Liquid Crystal Display – дисплей на жидких кристаллах и тонкопленочных транзисторах) – угол разворота жидких кристаллов. Однако в некоторых отображающих устройствах нельзя осуществить управление яркостью свечения аналоговым способом. Одним из таких устройств является плазменная панель (PDP – Plasma Display Panel). 174 Основу конструкции плазменной панели составляют два близкорасположенных стекла, промежуток между которыми заполнен сильно разреженной смесью газов неона и ксенона (рис. 8.2). На внутренних гранях стекол расположены горизонтальные и вертикальные электроды, образующие систему из двух взаимно ортогональных решеток (рис. 8.2). Вертикальные электроды расположены на заднем стекле и называются адресными (adress electrode). Горизонтальные электроды – прозрачные, они сгруппированы по два, расположены на переднем стекле и называются разрядными (display electrode – электроды отображения, также встречается: питающие, сканирующие, инициирующие). В точке пересечения двух разрядных и адресного электродов сформирована элементарная ячейка – субпиксель, которая может иметь красный (R), зеленый (G) или синий (B) цвет. Три субпикселя R, G и B образуют пиксель. При появлении в субпикселе сильного электрического поля происходит газовый разряд. Образовавшаяся при разряде плазма испускает фотоны ультрафиолетового диапазона, которые, бомбардируя люминофор, заставляют его испускать свет уже видимого диапазона. Это излучение распространяется во все стороны. Значительная его часть направлена не к наблюдателю, а вглубь панели, к заднему стеклу. Для использования этой части излучения на адресный электрод нанесено специальное отражающее покрытие. Интенсивность излучения ячейки зависит, в частности, от напряжения на разрядных электродах, и, что важно, может регулироваться лишь в очень небольших пределах. Снизу напряжение на разрядных электродах ограничено напряжением удержания разряда, а сверху – напряжением зажигания, при котором происходит образование плазмы в ячейке при отсутствии поджигающего импульса на адресном электроде. К тому же при большом значении интенсивности разряда происходит выгорание люминофора, что приводит к быстрому старению панели. Таким образом, изменяя интенсивность разряда, нельзя добиться регулировки яркости в широких пределах. Поэтому для этой цели используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ), суть которого 175 заключается в изменении соотношения длительностей включенного («светится») и выключенного («не светится») состояния ячейки. Формирование растра. В результате анализа и обработки скудной информации, приведенной на сайтах фирм-производителей плазменных панелей, складывается следующая картина. Развертка изображения в плазменной панели осуществляется следующим образом. Каждое ТВ поле (20 мс.) разбивается на 8 субполей (SF – Sub Fields) различной длительности (рис. 8.3). Рис.8.2. Устройство ячейки плазменной панели Каждое субполе состоит из двух временных интервалов: ta/td (адресации/отображения – address/display). Интервалы адресации одинаковы во всех субполях, а интервалы отображения соотносятся следующим образом: td SF1: td SF2: td SF3: td SF4: td SF5: td SF6: td SF7: td SF8=1:2:4:8:16:32:64:128. Во время интервала адресации осуществляется процесс адресация всех ячеек панели. Во время интервала отображения на все разрядные электроды подаются импульсы напряжения, количество которых зависит от номера субполя, при этом зажигаются только те ячейки, которые были предварительно проадресованы. Таким образом, адресуя ячейку в различных субполях, можно получить различное число ее вспышек в течении поля – от 0 (не адресована ни в одном поле) до 255 (адресована во всех 8 полях), то есть 176 получить 256 градаций яркости. В случае цветной плазменной панели, количество передаваемых цветов равняется 256´256´256=16,78 млн. цветов. Рис. 8.3. Система электродов панели Рис. 8.4. Формирование растра Важным, основополагающим моментом, без которого невозможно было бы осуществить приведенный выше способ развертки, является процесс адресации. Матричная структура электродов панели позволяет управлять одновременно только одним рядом (строкой или столбцом) ячеек. Для адресации всех ячеек панели одновременно было сделано следующее. Каждая ячейка устроена так, что в месте пересечения адресного и одного из разрядных электродов (инициирующего электрода) образуется небольшая емкость, то есть каждая ячейка представляет собой маленький конденсатор, одним из обязательных параметров которого является малый ток утечки (рис. 8.5). В процессе адресации происходит последовательное сканирование всех ячеек панели – заряд элементарных конденсаторов тех ячеек, которые 177 должны вспыхнуть в данном субполе и разряд тех, которые загораться не должны. Благодаря малому току утечки элементарного конденсатора, его заряд сохраняется в течение всего субполя, вплоть до следующего периода адресации. Контраст формируемого изображения. Сравним процесс формирования максимальной и некоторой средней яркости пиксела в CRT и PDP (плазменные панели) (рис.8.6). Из рисунка видно, что пиксель плазменной панели может иметь гораздо большую яркость, чем пиксель ЭЛТ, благодаря большому числу вспышек (мах – 255). Поэтому PDP должна иметь очень большой контраст. Однако в плазменной панели есть специфический процесс, снижающий контраст формируемого изображения. Дело в том, что для нормальной работы PDP необходима так называемая «пилотная подсветка» – предварительный (инициализирующий) разряд, создающий условия для возникновения основного разряда. Рис.8.5. Процесс адресации ячеек 178 Рис.8.6. Формирование яркости ячейки в ЭЛТ и PDP Такой разряд появляется в каждом субполе непосредственно перед началом интервала отображения, то есть за одно ТВ поле (20 мс) происходит 8 пилотных разрядов. В результате такого предварительного разряда возникает тусклое свечение, являющееся причиной снижения контраста изображения. Для уменьшения влияния паразитной засветки, вызванной пилотным разрядом, применяется несколько способов. Например, переднее стекло плазменной панели покрывается особой задерживающей свет пленкой, которая сильно снижает интенсивность излучения, вызванного пилотной подсветкой, и позволяет сделать черные участки изображения более темными. Но в этом случае снижается и интенсивность полезного излучения. Другой способ заключается в предельно допустимом уменьшении величины и частоты пилотных разрядов. Так, фирмой Pioneer был разработан метод управления CLEAR (high Contrast & Low Energy Address & Reduction of false contour sequence – высококонтрастная система адресации и подавления ложных контуров с низким потреблением энергии), 179 позволяющий снизить количество пилотных импульсов до одного за период телевизионного поля. Другой причиной снижения контраста изображения в PDP является наличие специального хорошо отражающего свет слоя, расположенного непосредственно под люминофорами. Этот слой отражает внешний свет, что снижает контраст. Для борьбы с этим эффектом используются следующие способы. Во-первых, переднее стекло покрывается специальной затемняющей пленкой. В этом случае излученный люминофором свет проходит через пленку только один раз, а внешний свет – два раза, затухая сильнее. Во-вторых, на верхние части ребер, отделяющих ячейки друг от друга, наносится черный светопоглощающий материал, снижающий общую площадь отражающей поверхности панели. Методы увеличения яркости и контраста изображения. Для увеличения яркости и контраста изображения фирмами-производителями разрабатываются и внедряются различные технологии. Значительного увеличения динамического диапазона яркости свечения экрана удалось обиться компании Matsushita Electric Industrial, которая разработала метод обработки сигналов Plasma AI (Adaptable Brightness Intensification System – адаптируемое повышение яркости). Суть метода состоит в следующем. Специальный блок обработки, в зависимости от поступающего на его вход видеосигнала, рассчитывает необходимое количество субполей для достоверной передачи яркости картинки. Это позволяет избавиться от ненужных субполей, что увеличивает общее время отображения за ТВ-поле, так как вместе с субполями пропадают и интервалы адресации, в течение которых ячейки не светятся (рис.8.6). Другой разработкой компании Matsushita Electric Industrial является система управления Inchreal Black Drive System-Inch, позволяющая значительно сократить светоизлучение предварительного разряда. Перечисленные выше нововведения позволили фирме добиться наиболее высокой среди панелей конкурирующих фирм-производителей 180 яркости (650 кд/м2) и контраста, который при отсутствии внешней засветки достигает значения 3000:1. Еще один способ увеличения яркости белых участков изображения разработала фирма Fujitsu General. Метод управления APLC (Advanced Peak Luminance Control – усовершенствованное управление яркостью белого), позволил повысить яркость отображения входного видеосигнала до 560 Кд/м2, а его контрастность – до 580:1. Кардинального увеличения яркости изображения позволяет добиться так называемая технология двойного сканирования (Dual Scan). Экран панели, изготовленной по этой технологии, разбит на две половины, каждая из которых управляется отдельно. Достоинством такого способа управления является повышенная яркость излучения, вследствие уменьшения периода адресации, а недостатком – большая цена, вызванная необходимостью применения двойного набора управляющих схем. Повышение четкости изображения. Для использования PDP в качестве телевизоров высокой четкости (HDTV, 1920х1080) и мониторов стандарта SXGA (1280х1024) необходимо, чтобы они имели высокую разрешаюшую способность. Двукратного увеличения разрешающей способности по вертикали при сохранении высокой яркости позволяет метод ALIS (Alternate Lighting of Surfaces – попеременное свечение поверхностей), положенный в основу работы панелей Fujitsu и позволяющий разложить изображение более чем на 1000 строк без ухудшения его яркости. Используя эту технологию, фирма разработала PDP с поддержкой стандарта телевидения высокой четкости HDTV и яркостью свечения 500 кд/м2. В обычных панелях разрядные электроды строк сгруппированы парами – по два на одну строку. Для исключения влияния пар друг на друга, расстояние между парами выбирается большим, чем расстояние между электродами в паре. Разряд возникает только между электродами одной пары, пространство между парами оказывается неосвещенным. В панелях, изготовленных по технологии ALIS, расстояние между всеми разрядными электродами 181 одинаково. Для формирования изображения используется чересстрочная развертка: в течение первого полукадра разряд происходит только в четных строках развертки (между электродами 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6, ...), а во время второго полукадра – в нечетных (между электродами 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7, ...). Анализ приведенной выше информации позволяет сделать следующие выводы. Благодаря идентичности строения ячеек R, G и B, модуляционные характеристики плазменной панели одинаковы, а значит, баланс белого выполняется при любом значении входного сигнала, что положительно влияет на качество цветопередачи. Формирование растра осуществляется таким образом, что частота мельканий ячеек панели значительно превышает частоту мельканий ячеек ЭЛТ, (самые яркие ячейки зажигаются 255 раз за 20 мс). Это значительно снижает утомляемость глаз. Панель имеет высокую яркость и контраст, большой угол обзора. Одним из важных достоинств является большой размер панели при малой глубине, благодаря чему панель можно вешать на стену. Все вышеперечисленные особенности делают плазменную панель незаменимым помощником при организации различных эстрадных шоу, проведении презентаций и демонстраций. |