Informatikai eszközök fizikai alapjai. Romanenko Alekszej

Informatikai eszközök fizikai alapjai Romanenko Alekszej

1

Tömörítés Fájlból kisebb méretű, de azonos információt tartalmazó fájl jön létre.

 Adattárolás  Átvitel sebessége

2

Információ elmélet alapjai Redundanica – „felesleges” információ 𝑅𝐷 = 1 − 1 𝐶 C – tömörítés, kompresszíó Ha C = 10 (tizedére csökkentettük pl. a fájlt) -> R D =0.9

3

Tömörítéssel a redundanciát megszűntetjük: Példa: Eredeti adatsor: 3,7,6,6,6,6,6,6,6,9,3,5,1,1,1,1,8 ( 17 db szám) Tömörített: 3,7,0,7,6,9,3,5,0,4,1,8 (12 db szám, 0 az ismétlődések jelölésére)

4

Képfájlok esetében lévő redundancia  Kódolási redundancia (Lookup Table)

 Inter – pixel redundancia  Pszicho – vizuális redundancia

5

Színes képek

𝑋 =𝑥 𝑋+𝑌+𝑍

𝑥+𝑦+𝑧 =1 6

(1931 – CIE)RGB – koordináta ren [0:1], használatos [0:255]

Példák: 0,0,0 - fekete 255,255,255 - fehér 255,0,0 - piros 255,255,0 - sárga Háromszög: színkorlátnak vagy gamutnak. A környező színezeteket nem lehet RGB-ben megjeleníteni A háromszögön kívül nem is a valós színeket láthatjuk. 7

Koordinátarendszerek

 





𝐶 1 𝑅 CMY: 𝑀 = 1 − 𝐺 𝑌 1 𝐵 YIQ: I és Q kromacitás, Y az intezitás komponens 𝑌 0.294 0.587 0.114 𝑅 𝐼 = 0.591 −0.25 −0.32 𝐺 𝑄 0.214 0.524 0.311 𝐵 HSI: H és S kromacitás, I az intezitás komponens 𝐼 = (R+G+B) 3 H és S bonyolult transzormáció Lab:  egészséges látású ember érzékez  eszköz független 8

Veszteségmentes tömörítés A tömörített fájlból teljes mértékben visszanyerhető az eredeti fájl minden egyes bit-je.  nincs változás

 nincs adatvesztés  tipikus 15%–50% méretcsökkenés

9

 PCX  80 –as években  inter-pixel r.  RLE algoritmus

 GIF (Graphics Interchange Format)  8 bites színmélység -> 256 szín  inter-pixel r., kódolási r.  LZW algoritmus  animálható

10

 PNG (Portable Network Graphics)  mindhárom redundanicát tudja kezelni  jobb tömörítés  alfa csatorna  gamma korrekció -> kép fényességét függetleníti

megjelenítéstől (a színek ugyanúgy néznek ki nyomtatásban, és különböző kijelzőkön)  deflation algoritmus (LZ77 változata) {letárolják az n db utolsó byte -ot, és amikor egy olyan byte-csoportot találnak, mely szerepel ebben a pufferben, akkor a byte-csoport helyett annak a pufferben lévő helyét és hosszát tárolják le}

11

Veszteséges tömörítés  nem nyerhető vissza az összes információ  felhasználó számára nem észrevehető veszteség

megengedhető  emberi érzékszervek érzékenysége határozza meg Példák:  videó - 1  hang - 1  kép - 1

300

10 10

38.9 KB

1.2 KB 97%-kal kevesebb 12

Képek tömörítési elve Diszkrét koszinusz transzformáció - DCT  előny a Fourier t.-vel szemben, hogy valós kimenet  általában 8x8 képpont tartományokra bontás  DCT  magas frekvenciákat le lehet vágni  szürkeárnyalatos képek esetén 1 60

N a blokk mérete, q(m,n) a világosságkód az (m,n) blokk-relatív koordinátájú képpontban

13

Wavelet tömörítés  felbontása wavelet együtthatók sorozatára  küszöbérték meghatározása -> küszöb alatti együtthatók nullázása  Huffman kódolás  JPEG2000 formátum Fraktál tömörítés  hasonló részeket keres  időigényes  kevésbé elterjedt  1 100 14

JPEG (Joint Photographic Experts Group)  1986

 RGB → YUV színtér konverzió (YIQ –hoz hasonló)

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = - 0.147R - 0.289G + 0.436B = 0.492(B - Y) V = 0.615R – 0.515G - 0.1B = 0.877(R – Y)  Diszkrét koszinusz transzformáció

15

Hangtömörítés  nem adattömörítés, hanem lényegtelen adatok

mellőzése  ne legyen hallgató minőségváltozás  pszichoakusztika  nem minden létező hangot hallunk  nem mineden hangmagasságra egyformán érzékeny

 a kevésbé és nem halható részeket beolvasztják vagy elhagyják

16

Eljárások  AMR (GSM cellákban használják) – beszéd  Speex – beszéd  AAC – mp4 (Apple favoritja)  ATRAC – Sony fejlesztés - MiniDisc  WMA – Microsoft fejlesztése  ADPCM - egymást követő minták különbsége

tárolódik  MP2  MP3  Ogg Vorbis – jobb minőség, nyílt fejlesztésű 17

MP3  zenék tárolására fejlesztették  MPEG-1 és MPEG-2 Audio Layer III  szabványok nem definiálják a tömörítő

algoritmust  kitömörítőt és a fájl formátumát definiálja a szabvány  a digitális jelet feldarabolták frekvenciasávokra (MPEG Layer III - 22 sávra), a darabokban a leghangosabb jeleket meghagyják, a többit eldobják  különböző frekvenciákat különböző pontossággal tárolják (2 kHz - 5 kHz) 18

Bitráták  4 kbit/s – szükséges minimum a beszédfelismeréshez  8 kbit/s – telefon minőség  96 kbit/s – FM minőség  128 kbit/s – "elfogadott" zenei minőség  256–320 kbit/s – közel audió CD minőség

19

MP3  Állandó bitráta (Constant bitrate CBR)  eredeti tömörítési mód  128 bit/s már jó, 196 Kbit/s már kiváló minőséget  kiszámítható előre a létrejövő mp3 fájl hossza  minden lejátszó le is tudja játszani  Változó bitráta (Variable bitrate VBR)  bonyolult részeket kevésbé, egyszerű részeket jobban  kisebb fájlméret ugyanolyan minőség mellett  nem számítható ki előre a hossz  nem minden lejátszó tudja lejátszani 20

 Átlagos bitráta (Average bitrate – ABR)  megadható az átlagos bitráta (pl.: 128 Kbps)  valójában a tartalomtól függően változik a tömörítés

mértéke

21

Csatornák  mono - egy hangcsatorna  egyesített sztereó (Joint Stereo) - tömörítéskor a két

csatorna hasonlósága miatt, ami megegyező azt csak egyszer tömöríti, de azért sztereo fájl  sztereó (Stereo) - két független hangcsatorna (teljes bitráta nem fele-fele alapon osztozik a csatornák között)  kettős sztereó (Dual Stereo) - két kompletten elszeparált csatorna (mindegyik csatorna a teljes bitráta felét fogja tartalmazni) 22

Mozgóképtömörítés  cél – tárolhatóság

(CD, DVD)  képkockák közötti változást tároljuk el  eljárásbeli különbségek  milyen módon

igyekeznek megtalálni hasonlóságokat és eltéréseket  eredeti képet vagy a változást tárolják el 23

MPEG MPEG (Moving Picture Experts Group) 1988 –ban 300 tagot számlált  MPEG-1 szabvány  CD –re optimalizált  sztereó hangot  kétfajta felbontású képméretet  maximum 30 frame/s (1.5 Mbit/s)

24

 MPEG-2 szabvány  1994  DVD megjelenése  nagyobb felbontás  nagyobb színtér  sok csatornás hang  MPEG-4 szabvány  1998  nagyobb felbontás  digital rights menegmant  AAC – (advanced audio code)  3D is lehetővé tesz 25

I frame kivételének hatásai:

26

Források  http://forum.glitchet.com/t/tutorial-make-video-glitch-

art-how-to-datamosh-in-plain-english/36  https://hu.wikipedia.org/wiki/Moving_Picture_Experts_Gr

oup  http://szft.elte.hu/~danka/IEFA/2016/mp3/TarcaiNVesztes_tomor.pdf  http://szft.elte.hu/~danka/IEFA/2016/mp3/Vesztes%C3%A 9ges%20t%C3%B6m%C3%B6r%C3%ADt%C3%A9s%202.p df 27

28