Vztah zpracování signálu a multimédií

Multimediální systém je takový, který pro vylepšení komunikace s člověkem používá dva a více kanálů (obraz, zvuk, video. …). K tomu se používají speciální periferie: zvuková karta, grafická karta s 3D akcelerací, DVD, kamery, brýle pro virtuální realitu, atd.

Protože ve většině případů jsou multimediální data obraz a zvuk které mají v reálném světě podobu signálů (uvažujeme jako funkce času) a je potřeba je zpracovávat pro další použití.

V multimediální komunikaci se nejčastěji používá obraz, zvuk a videosekence. Typické aplikace jsou:

• Syntéza obrazu (výroba) – počítačová grafika
• Reprodukce a úprava obrazu – visualizing photographs, replaying video sequences
• Analýza obrazu (rozbor) – (people, gestures, face expression, etc.) for human, computer communication
• Syntéza zvuku (hudby) a řeči
• Analýza řeči

Zpracování zvukových a video signálů spočívá v převodu mezi analogovou a digitální reprezentací dat s využitím A/D převodníků, filtrů a DSP.

1. Low-pass filter (antialiasingový filtr, dolní propust)
   • Strmá charakteristika, vzorkovací teorém, je to dolní propusť
   • Nemusí být povinný, nebo může být implicitně schován
   • Na začátku projde signál dolní propustí čímž se odstraní nežádoucí vysoké frekcence nesplňující vzorkovací teorém (fₘₐₓ ≤ fᵥ/2)
   • Tento filtr musí mít velmi ostrou (obdélníkovou) odezvu, proto je velmi drahý. Používá se jednoduchý filtr a přesná filtrace následuje až po A/D převodu.
2. Analog-to-digital converter – převod vzorkovaním signálu na digitální data
   • levný, nic se nenastavuje
   • typické hodnoty vzorkování: 8bit pro video, 16bit pro audio
3. Digital signal processor – Digital Signal Processor
   • Z funkce zpracování nejdůležitější
   • Zpracování signálu ma na starosti specializovaný DSP, který je centrem celého systému. Chování tohoto procesoru je programovatelné.efinované
4. Digital-to-analog converter – konverze digitálních dát zpět na analog
   • 1 bitový D/A převodník – je rychlý a je to vlastně spínač (100 MHz)
   • Možnost realizace i pomocí šířkové modulace
   • AD/DA časti mohou být integrované do jedného CODEC čipu, který sa stará o kódování i dekódování signálu
5. Low-pass filter
   • Nemusí být tak dokonalý jako vstupní
   • Opět ostranění vyšších frekvencí (vzniklých D/A převodem)
   • Výstupní signál se filtruje dolní propustí na odstranění parazitních frekvencí (vzniklé D/A převodem, které opět nesplňají vzorkovací teorém). Na rozdíl od vstupního, tento filtr je poměrně jednoduchý (výstupní signál z D/A se dá nastavit tak, aby parazitní frekvencie byly velmi vysoké a lehko odstranitelné).

Digital signal processor

DSP procesory jsou konstruovány pro zpracování signálu.

• Von Neumanova architektura
• Dají se programovat v jazyce C (nebo assembleru)
• Instrukční soubor umožňuje provádět libovolné algoritmy
• Little endian (někdy možné nastavit na big endian)

• Nepoužívají virtualizaci paměti, nemají přístup k souborovému systému
• Nejsou zpětně kompatibilní (není potřeba)
• Neobsahují speciální jednotky pro rozšířené matematické operace (sin, cos, …), protože standardní goniometrické funkce jsou obsaženy ve standardních C knihovnách a proto se používají tyto knihovny a neimplementují se do procesoru
• Vždy mají rychlé sčítání a násobení (málokdy dělení a odmocninu)

• Valná většina aplikací v reálných podmínkách používá jen operace násobení a sčítání (multiply-and-accumulate ⇒ MAC) a proto jsou DSP optimalizována na na tyto operace
• Výkonnost je dána počtem vypočítaných MAC/sekundu (+ šířka dat)
• Specializovaný střadač Acc, který má délku 48 bitů (pro implementaci MAC operací)
• Několik paměťových sběrnic (sdílí stejnou paměť) a tím dovolují paralelní přístup na různá místa v paměti
• Několik bloků vnitřní paměti, ty jsou přístupné jen odděleně, vnitřní paměť je konfigurovatelná
• Mají hodně periferních zařízení (ext. kamera, mikrofon, I/O, brány, …)

Základním dělením DSP je dělení podle použité aritmetiky. Existují DSP pracující:

• V celočíselné aritmetice
• V aritmetice s pevnou řádovou čárkou
• V aritmetice s plovoucí řádovou čárkou

Z-transform – Základní metodou popisu systémů s číslicovým zpracováním signálu je přenos. Většinou se používá popis v Z-formě (nebo-li po Z-transformaci). Ta používá pseudo proměnnou z, která vyjadřuje zpoždění signálu v čase.

Finite impulse response

• Filtr s konečnou odezvou na jednotkový impuls v čase
• Nemůže mít delší odezvu na jednotkový impulz, než je N zpoždění ⇒ konečná odezva
• Koeficienty filtru se dají vypočítat jako IFT očekávané frekvenční charakteristiky
  <m>y(n) = \sum{i=0}{N-1}{b_i x(n-i)}</m>
• Tvar přenosové funkce pro FIR:
  <m>H(z) = b_0 + b_1 z^{-1} + b_2 z^{-2} + \cdots + b_N z^{-N} = \sum{i=0}{N-1}{ b_i z^{-i}}</m>

Infinite impulse response

• Nemá konečnou odezvu na jednotkový impulz
• Stále se používají
• Má zpětnou vazbu
• Neexistuje obecná metoda jak navrhnou IIR filtr
• Tvar diferenční rovnice pro IIR:
  <m>y(n) = \sum{i=0}{N}{b_i x(n-i)} - \sum{j=1}{M}{a_j y(n-j)}</m>
• Tvar přenosové funkce pro IIR:
  <m>H(z) = {Y(z)}/{X(z)} = {\sum{i=0}{N}{b_i z^{-i}}}/{1 + \sum{j=1}{M}{a_j z^{-j}}}</m>

• Související otázky ze státnic:
  • Proč je a₀ u filtrů vždy 1? Aktuálně počítanou hodnotu nemůžeme použít.
  • Jak získáme frekvenční charakteristiku filtru? Dosadit do přenosové funkce za z toto: e^jΩ neboli e^j2πf. Jiný způsob je FT na impulzní odezvu.

Sériové a paralelní kombinace základních struktur.