ποικίλους κώδικες αναπαράστασης (modes of representation) ποικίλες τροπικότητες (modalities).

Transcript

1 ΠΟΛΥΜΕΣΑ

2 Τι είναι τα Πολυµέσα Πολυµέσο: µια δοµή στην οποία συνυπάρχουν περισσότερα από ένα µέσα Ένα σύστηµα πολυµέσων είναι ένα σύστηµα οργάνωσης, πρόσβασης και παρουσίασης ψηφιακής πληροφορίας όπου η πληροφορία µπορεί να εµφανίζεται µε ποικίλους κώδικες αναπαράστασης (modes of representation) ποικίλες τροπικότητες (modalities). Κείµενο και εικόνα, ήχος και γραφικά, 2 & 3 σχεδιοκίνηση (animation) και video µπορούν να χρησιµοποιηθούν ταυτόχρονα στον πληροφοριακό χώρο του πολυµέσου

3 Τεχνολογία Πολυµέσων Τεχνολογίες και τεχνικές που προσφέρουν σε ψηφιακό περιβάλλον δυνατότητες ψηφιοποίησης, επεξεργασίας, οργάνωσης και παρουσίασης πληροφοριών µε πολλαπλές µορφές κωδικοποίησης.

4 Πολυµέσα & Ψηφιακή τεχνολογία Τα πολυµέσα στη γενικότερη έκφρασή τους δεν σχετίζονται αναγκαστικά µε την ψηφιακή τεχνολογία. Οκινηµατογράφος, η τηλεόραση, ένα εικονογραφηµένο βιβλίο, χρησιµοποιούν περισσότερα από ένα συµβολικά συστήµατα για την παρουσίαση πληροφορίας. Εν τούτοις ο όρος «πολυµέσα» εισήχθη και διαδόθηκε σε στενή σχέση µε την ψηφιακή τεχνολογία και τον κόσµο των υπολογιστών.

5 Χαρακτηριστικά Τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά της σύγχρονης τεχνολογίας των πολυµέσων είναι: η ψηφιακή (digital) φύση της πληροφορίας, ο διαδραστικός (interactive) χαρακτήρας παρουσίασης η συµπίεση (compression) την οποία υφίστανται οι ποικίλες µορφές πολυµέσων Στα ψηφιακά πολυµέσα: Η πληροφορία είναι σε ψηφιακή µορφή Η επιµέλεια και επεξεργασία της πληροφορίας γίνεται από ηλεκτρονικό υπολογιστή Η επικοινωνία της πληροφορίας στο χρήστη ελέγχεται από Η/Υ Στη συνέχεια µε τον όρο πολυµέσα αναφερόµαστε στα ψηφιακά πολυµέσα

6 Αναλογικός Κόσµος Αναλογική πληροφορία Το σήµα που περιγράφει το φυσικό µέγεθος µεταβάλλεται ανάλογα µε τον τρόπο που µεταβάλλεται και το φυσικό µέγεθος, δηλ. αναπαριστά αυτό το µέγεθος και παρακολουθεί τις όποιες µεταβολές του µέσα από µια σχέση αναλογίας. Στη γλώσσα των µαθηµατικών λέµε ότι η συνάρτηση που περιγράφει το καταγραφόµενο µέγεθος είναι συνεχής συνάρτηση του χρόνου

7 Η πληροφορία ως αναλογικό σήµα

8 Από τον Αναλογικό στον Ψηφιακό κόσµο Το πέρασµα από τον αναλογικό στον ψηφιακό κόσµο είναι η διαδικασία της ψηφιοποίησης (digitization). Κατά την ψηφιοποίηση ένα σήµα αναλογικής µορφής µετατρέπεται σε ψηφιακό (συνήθως δυαδικό), Από συνεχή συνάρτηση του χρόνου µετατρέπεται σε µια σειρά διακριτών τιµών µε δύοτιµές: το λογικό «0» και το λογικό «1» Φάσεις Ψηφιοποίησης (A) ειγµατοληψία (sampling), (B) Κβαντοποίηση (quantization) και (Γ)) Κωδικοποίηση (coding).

9 Ψηφιοποίηση αναλογικού σήµατος

10 Αναλογική/Ψηφιακή µετατροπή πολυµέσων

11 (Α) ειγµατοληψία (sampling) & συχνότητα δειγµατοληψίας (sampling frequency) Αρχικό Αναλογικό Σήµα Καταγραφή δειγµάτων, δηλ. στιγµιοτύπων της τιµής του αναλογικού σήµατος σε διακριτές χρονικές στιγµές

12 ειγµατοληψία Το σήµα µετασχηµατίζεται σε µια σειρά δειγµάτων (samples) Συχνότητα δειγµατοληψίας: Ρυθµός καταγραφής δειγµάτων Μετριέται σε Hz & πολλαπλάσια (khz, MHz)

13 Πιστότητα καταγραφής αναλογικού σήµατος Πόσο καλή µπορεί να είναι η προσέγγιση του αρχικού αναλογικού σήµατος; Στην περίπτωση χαµηλής συχνότητας ο υψίσυχνος παλµός δεν ψηφιοποιείται (εικ. 2.7β) και η πληροφορία που µεταφέρει «χάνεται» αφού η διάρκειά του είναι µικρότερη από την περίοδο λήψης δειγµάτων. Το πρόβληµα διορθώνεται αν αυξήσουµε τη συχνότητα δειγµατοληψίας.

14 Απαιτήσεις για τη συχνότητα δειγµατοληψίας Ητιµή της συχνότητας δειγµατοληψίας πρέπει να ικανοποιεί δύο αντικρουόµενες απαιτήσεις: ποιότητα ψηφιοποίησης (υψηλή συχνότητα), µικρό µέγεθος ψηφιακού αρχείου (χαµηλή συχνότητα). Πού βρίσκεται η χρυσή τοµή;

15 Θεώρηµα Nyquist Υπάρχει µια µέγιστη συχνότητα f n πάνω από την οποία η ενέργεια του αναλογικού σήµατος είναι πρακτικά µηδέν. Η f n αναφέρεται συνήθως και ως συχνότητα αποκοπής (cutoff frequency). Το θεώρηµα Nyquist καθορίζει πως η ενδεικνυόµενη συχνότητα δειγµατοληψίας f s ενός αναλογικού σήµατος θα πρέπει να είναι διπλάσια από την συχνότητα αποκοπής f n του σήµατος f s = 2f n Η f s ονοµάζεται συχνότητα Nyquist.

16 ειγµατοληψία & f s ειγµατοληψία µε συχνότητα χαµηλότερη από τη συχνότητα Nyquist παραµορφώνει το σήµα Χάνει τις υψηλότερες συχνότητες που τυχόν δεν καλύπτει η επιλεγµένη f s (το φαινόµενο ονοµάζεται αλίαση aliasing ). Συχνότητα υψηλότερη απότησυχνότηταnyquist αποτελεί σπατάλη αποθηκευτικού χώρου ηµιουργεί πρόσθετα δείγµατα χωρίς αυτά να είναι απαραίτητα. Στην πράξη επιλέγεται πάντα συχνότητα λίγο υψηλότερη από τη συχνότητα Nyquist.

17 Παράδειγµα: ήχος CD Εφόσον το ακουστικό φάσµα που γίνεται αντιληπτό από το ανθρώπινο αυτί έχει συχνότητα αποκοπής f n = khz Εποµένως η συχνότητα Nyquist υπολογίζεται στα: 2 x = 44.1 khz που αποτελεί και τη συχνότητα δειγµατοληψίας του ήχου στα µουσικά CD.

18 (B) Κβαντοποίηση (quantization) & Μέγεθος δείγµατος (sampling size) Κβαντοποίηση ενός σήµατος στο οποίο έχει γίνει δειγµατοληψία είναι η διαδικασία που µετατρέπει τα δείγµατα από το χώρο των συνεχών τιµών (απ όπου προήλθαν) στο χώρο των διακριτών τιµών. Αυτό σηµαίνει πως σε κάθε δείγµα πρέπει να εκχωρηθεί µία τιµή από αυτές που διαθέτει και επιτρέπει η χρησιµοποιούµενη κλίµακα.

19 Εκχώρηση τιµών στα δείγµατα Για να γίνει αυτό υποδιαιρείται το εύρος τιµών του συνεχούς σήµατος σε συγκεκριµένα επίπεδα και σε κάθε τέτοιο επίπεδο εκχωρείται ένας ψηφιακός κωδικός από τους διαθέσιµους της κλίµακας Κάθε δείγµα παίρνει εκείνη την ψηφιακή τιµή πλησιέστερα στην οποία βρίσκεται η αρχική του τιµή, δηλ. στρογγυλοποιείται στον κοντινότερο διαθέσιµο κωδικό.

20 «Μέγεθος δείγµατος» (sampling size). Το πλήθος ψηφίων τουκωδικούπουχρησιµοποιείται για την αναπαράσταση των διαθέσιµων διακριτών τιµών (σταθµών) κβάντωσης Το µέγεθος δείγµατος δείχνει ταυτόχρονα και το ποσό της µνήµης που απαιτείται για την ψηφιακή αποθήκευση του κάθε δείγµατος.

21 Σφάλµα κβαντισµού «Σφάλµα κβαντισµού» (quantization error) : παραµόρφωση λόγω προσέγγισης και είναι τόσο πιο µικρή όσο περισσότερες στάθµες κβαντισµού υπάρχουν Μέγεθος δείγµατος: 1 bit 2 επίπεδα κβάντωσης 2 bit 4 επ. 4 bit 16 επ., κοκ. ν bit 2 ν Χαρακτηριστικές τιµές 8 bit 256 στάθµες κβάντωσης 16 bit στάθµες

22 Απαιτήσεις Η τιµή του µεγέθους δείγµατος πρέπει να ικανοποιεί δύο αντικρουόµενες απαιτήσεις: ποιότητα ψηφιακής πληροφορίας µε µικρό σφάλµα κβαντισµού (µεγάλο µέγεθος) µικρό µέγεθος ψηφιακού αρχείου (µικρό µέγεθος δείγµατος).

23 (Γ) Κωδικοποίηση (coding) Κωδικοποίηση: οι κωδικοί των επιπέδων κβάντωσης της ψηφιακής αναπαράστασης αντιστοιχούνται στα δείγµατα και δηµιουργείται έτσι το τελικό ψηφιακό σήµα σαν µια σειρά bit

24 Αναδηµιουργία (reconstruction) Με τεχνικές παρεµβολής (interpolation) είναι δυνατόν να δηµιουργηθούν περισσότερες ενδιάµεσες τιµές και να αναγεννηθεί το αρχικό αναλογικό σήµα κατά µεγάλη προσέγγιση Η ποιότητα του αναπαραγόµενου σήµατος εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από το µέγεθος δείγµατος και τη συχνότητα δειγµατοληψίας που χρησιµοποιήθηκε κατά τη ψηφιοποίηση.

25 «Ρυθµός µετάδοσης ψηφιακών δεδοµένων» (Bit rate) «Σήµα PCM» (Pulse Code Modulation) ή σήµα παλµοκωδικά διαµορφωµένο) Ένα σήµα στο οποίο έχει γίνει δειγµατοληψία, κβαντοποίηση και κωδικοποίηση Ως «ρυθµός µετάδοσης ψηφιακών δεδοµένων» (bit rate) ορίζεται το γινόµενο F x L Μετριέται σε bps (bits per second ή bits ανά δευτερόλεπτο). F ησυχνότηταδειγµατοληψίας ενός τέτοιου σήµατος (δείγµατα το δευτερόλεπτο) Μ το µέγεθος δείγµατος (bit ανά δείγµα)

26 Παράδειγµα Στις τηλεφωνικές επικοινωνίες ειγµατοληψία: 8000 δείγµατα /sec (8 khz) Κβαντοποίηση: 256 επίπεδα Κωδικοποίηση: 8bits/δείγµα και το bit rate που προκύπτει είναι: 8000 x 8 = bits/sec = 64 kbps DS0 (Digital Service επιπέδου µηδέν) είναι το βασικό bit rate στα περισσότερα συστήµατα ψηφιακής µετάδοσης συνήθως µεταδίδουν πολλαπλάσια του DS0, δηλ. πολλαπλάσια των 64 kbps.

27 Ψηφιακή πληροφορία: πλεονεκτήµατα & µειονεκτήµατα Πλεον- µικρότερη ευαισθησία στο θόρυβο υψηλός βαθµός ολοκλήρωσης (integration) Ο όρος«ολοκλήρωση» αναφέρεται στην τεχνολογική δυνατότητα να διαχειρίζεται µε τον ίδιο τρόπο οποιαδήποτε ψηφιακή πληροφορία ανεξάρτητααπότοτιαυτήπαριστάνει(κείµενα, εικόνες, video, ήχο, κλπ Ο αντίλογος για την ολοκλήρωση: Σε πολλές περιπτώσεις οι δυνατότητες τεχνολογικής ολοκλήρωσης δεν φαίνονται να έχουν ανταπόκριση στο αγοραστικό κοινό, Εύκολη υλοποίηση µεθόδων εντοπισµού και διόρθωσης λαθών, συµπίεσης και κρυπτογράφησης της πληροφορίας Μειον- Πιστότητα καταγραφής της πληροφορίας Η δηµιουργία ψηφιακής πληροφορίας ισορροπεί ανάµεσα στην απαίτηση για υψηλή ποιότητα αλλά και µικρό µέγεθος αρχείων.

28 Συµπίεση εδοµένων

29 Τι είναι η συµπίεση ΣΥΜΠΙΕΣΗ Ηδιαδικασίαπουεπανακωδικοποιεί την πληροφορία µε στόχο να µεταδώσει το ίδιο περιεχόµενο αλλά µε µικρότερη επιβάρυνση του καναλιού Πώς µπορεί η πληροφορία να κωδικοποιηθεί πιο αποδοτικά, δηλ. η ίδια πληροφορία αλλά µε λιγότερα bit ; Αποδοτικότερη αποθήκευση µικρότερος αποθηκευτικός χώρος Αποδοτικότερη µετάδοση µικρότερο bit rate µικρότερο εύρος ζώνης

30 Αλγόριθµος Συµπίεσης & Συµπιεστής ή σχήµα συµπίεσης (compressor) Aλγόριθµος συµπίεσης είναι κάθε αλγόριθµος που έχει σαν στόχο την επίτευξη συµπίεσης των δεδοµένων εισόδου. ηλ. ο αλγόριθµος εφαρµόζει µια απλή και συγκεκριµένη µεθοδολογία επεξεργασίας των δεδοµένων ώστε να προκύψει µια περισσότερο συµπιεσµένη µορφή τους. Πχ. αλγόριθµος Huffman Συµπιεστής (codec): γενικότερο σχήµα συµπίεσης (και αποσυµπίεσης) περιλαµβάνει περισσότερους από έναν αλγόριθµους στη σειρά, δηλ. τα δεδοµένα εξόδου του ενός να αποτελούν δεδοµένα εισόδου του επόµενου. Πχ. JPEG & MPEG

31 Γιατί χρειαζόµαστε τη συµπίεση στα πολυµέσα; Ηυψηλήσυχνότητα δειγµατοληψίας και το µεγάλο µέγεθος δείγµατος θα δηµιουργήσει ένα αρχείο αντίστοιχα µεγάλου µεγέθους (α) πρέπει να βρεθεί κατάλληλος αποθηκευτικός χώρος (β) πρέπει η πληροφορία του ψηφιακού αρχείου να µεταφέρεται αρκετά γρήγορα προς αναπαραγωγή στα αντίστοιχα υποσυστήµατα (υποσύστηµα ήχου, εικόνας, κλπ.) (γ) πρέπει η πληροφορία να µεταφέρεται ικανοποιητικά γρήγορα στα δίκτυα υπολογιστών.

32 Ασυµπίεστα εδοµένα - Παράδειγµα Μια εικόνα ανάλυσης 1024 x 768 εικονοστοιχείων µε βάθοςχρώµατος 24 bit (δηλ. πληροφορία 24 bit για κάθε εικονοστοιχείο) δηµιουργεί αρχείο µεγέθους: 1024x768x24 = bit = 18 Mb = 2,25 ΜΒ Ασυµπίεστο video αυτών των προδιαγραφών µε 24 πλαίσια (εικόνες) ανά δευτερόλεπτο χρειάζεται αποθηκευτικό χώρο 2,25 ΜΒ x 24 = 54 ΜΒ ανά sec και για ένα φιλµ ψηφιακού video διάρκειας µιαςώραςαπαιτείταιχώρος 54 x 3600 = 190 GB περίπου.

33 Συµπίεση πληροφορίας πολυµέσων Ηπληροφορίαπολυµέσων προέρχεται από ψηφιοποίηση αναλογικών σηµάτων του πραγµατικού κόσµου και απευθύνεται στις ανθρώπινες αισθήσεις (όραση, ακοή) Μπορούµε ναεκµεταλλευτούµε τους φυσιολογικούς περιορισµούς των ανθρώπινων αισθητηρίων οργάνων (µάτι, αυτί) και να συµπιέσουµε την πληροφορία χωρίς να µειώσουµε αισθητά την ποιότητά της (ψυχοφυσιολογική συµπίεση)

34 Λόγος συµπίεσης (compression ratio) Εκφράζει την σχέση του χώρου που καταλαµβάνουν τα αρχικά δεδοµένα ως προς τον χώρο που καταλαµβάνουν τα συµπιεσµένα δεδοµένα. Ο λόγος συµπίεσης είναι ένας καθαρός αριθµός και δίνεται από τη σχέση: Λόγος συµπίεσης = αρχικό µέγεθος δεδοµένων / µέγεθος συµπιεσµένων δεδοµένων Για παράδειγµα, λόγος συµπίεσης «3 προς 1» (γράφεται 3:1) σηµαίνει ότι η µετά τη συµπίεση το µέγεθος του αρχείου θα είναι το 1/3 του αρχικού.

35 Ρυθµός συµπίεσης (compression rate) Εκφράζει το ρυθµό µετάδοσης των συµπιεσµένων δεδοµένων και µετριέται συνήθως σε bits per second (bps) ή ακόµη και σε bits per sample, bits per pixels, πχ. 128 kbps

36 Μέθοδοι Συµπίεσης

37 Βασικές Μέθοδοι Συµπίεσης (α) Συµπίεση (κωδικοποίηση) εντροπίας Εκµεταλλεύεται την µειωµένη εντροπία του ψηφιακού αρχείου (δηλ. στατιστική τάξη) Εφαρµογή σε πληροφορία που απευθύνεται σε πληροφοριακά συστήµατα Μη απωλεστική συµπίεση (β) Συµπίεση (κωδικοποίηση) πηγής Εκµεταλλεύονται τα χαρακτηριστικά του σήµατος Πληροφορία που απευθύνεται σε ανθρώπινα αισθητήρια όργανα, πχ. εικόνα, ήχος Απωλεστική συµπίεση

38 Απωλεστική (lossy) & µη απωλεστική (lossless) συµπίεση Μη απωλεστική συµπίεση η πληροφορία µετά την αποσυµπίεση είναι ακριβώς η ίδια µε αυτήν που συµπιέστηκε αρχικά. Απωλεστική συµπίεση η πληροφορία µετά την αποσυµπίεση είναι λιγότερη σε σχέση µε αυτήνπουσυµπιέστηκε αρχικά κάποια πληροφορία έχει χαθεί

39 Μη απωλεστική συµπίεση Η µη απωλεστική συµπίεση εξαλείφει τον πλεονασµό της πληροφορίας χωρίς να «θυσιάζει» κανένα δεδοµένο Κλασσικό παράδειγµα ο γνωστός συµπιεστής WinZip Παράδειγµα : Αν η αρχική πληροφορία είχε τη µορφή ΠΠΠΟΟΟΟΟΟΛΛΥΥΥΥΥΥΥΜΜΕΕΕΕΕΕΕΕΣΣΣΑΑΑΑΑΑΑ αφαιρώντας τον πλεονασµό συµπιέζεται 3Π 6Ο 2Λ 7Υ 2Μ 8Ε 3Σ 7Α Κατά την αποκωδικοποίηση η πληροφορία αναπαράγεται µε την αρχική της µορφή: ΠΠΠΟΟΟΟΟΟΛΛΥΥΥΥΥΥΥΜΜΕΕΕΕΕΕΕΕΣΣΣΑΑΑΑΑΑΑ Ευρέως διαδεδοµένοι µη απωλεστικοί αλγόριθµοι είναι οι: Run Length Encoding (RLE), Huffman, Delta, LZW.

40 Απωλεστική συµπίεση Στην απωλεστική συµπίεση εφαρµόζονται αλγόριθµοι που αφαιρούν µέρος της πληροφορίας µε επιλεκτικό τρόπο Αυτό µπορεί να γίνει γιατί υπάρχουν είδη πληροφορίας που δεν αλλοιώνονται ουσιαστικά από την απώλεια κάποιων bit Παράδειγµα : Αν η αρχική πληροφορία είχε τη µορφή ΠΠΠΟΟΟΟΟΟΛΛΥΥΥΥΥΥΥΜΜΕΕΕΕΕΕΕΕΣΣΣΑΑΑΑΑΑΑ Αφαιρώντας όλο τον πλεονασµό της πληροφορίας τη συµπιέζουµε µε τη µορφή: 3Π 6Ο 2Λ 7Υ 2Μ 8Ε 3Σ 7Α Αν όµως ο αλγόριθµος αγνοεί τις υψηλότερες συχνότητες (πχ. πάνω από το 5) τότε κωδικοποιεί ως εξής: 3Π 5Ο 2Λ 5Υ 2Μ 5Ε 3Σ 5Α και η πληροφορία µετά την αποσυµπίεση έχει τη µορφή: ΠΠΠΟΟΟΟΟΛΛΥΥΥΥΥΜΜΕΕΕΕΕΣΣΣΑΑΑΑΑ

41 Κωδικοποίηση Εντροπίας Entropy encoding

42 Κωδικοποίηση Εντροπίας Αντιµετωπίζουν την πληροφορία απλά σαν µια σειρά από bits και επιχειρούν να τη συµπιέσουν συνήθως εφαρµόζοντας κάποιες στατιστικές µεθόδους. Εκµεταλλεύονται τους κανόνες στην εκποµπή των συµβόλων και προσπαθούν να µειώσουν τον πλεονασµό. Κωδικοποίηση χωρίς απώλειες. ύο βασικές κατηγορίες (1) Περιορισµός των επαναλαµβανόµενων ακολουθιών (Suppression of repetitive sequences) (2) Στατιστική Κωδικοποίηση (Statistical encoding)

43 (1) Κωδικοποίηση RLE Run Length Encoding Βασική Ιδέα: Περιορισµός των επαναλαµβανόµενων ακολουθιών σε πολλές περιπτώσεις µέσα σε µια οµάδα δεδοµένων εµφανίζεται το ίδιο σύµβολο να επαναλαµβάνεται πολλές φορές διαδοχικά. Η ακολουθία πολλαπλών εµφανίσεων του ίδιου συµβόλου αντικαθίσταται από δύο άλλα σύµβολα: (α) το σύµβολο που εµφανίζεται, και (β) το πλήθος των εµφανίσεων

44 Παράδειγµα συµπίεσης RLE εδοµένα πριν & µετά την RLE συµπίεση

45

46 (2) Κωδικοποίηση Huffman Βασική Ιδέα: Στατιστική Κωδικοποίηση Εντοπίζονται οι περισσότερο συχνά εµφανιζόµενες σειρές χαρακτήρων µέσα στο «κείµενο» των συµβόλων και αντιστοιχούνται σε κωδικούς µε λιγότερα bits. Προκύπτει ένα «λεξικό» κωδικών οι πιο συχνές ακολουθίες συµβόλων έχουν µικρότερους κωδικούς, ενώ οι πιο σπάνιες µεγαλύτερους Κατά την αποσυµπίεση της πληροφορίας ο αποκωδικοποιητής χρησιµοποιεί το «λεξικό» ώστε να µετατρέψει και πάλι τους κωδικούς σε ακολουθίες συµβόλων.

47 Παράδειγµα κωδικοποίησης Huffman (1/2)

48 Παράδειγµα κωδικοποίησης Huffman (2/2) Έτσι οι κωδικοί που προκύπτουν για τα 8 σύµβολα είναι:

49 Κωδικοποίηση Huffman / Άσκηση Α 0.7 Β 0.2 Γ

50 Κωδικοποίηση Πηγής Source encoding

51 Κωδικοποίηση Πηγής Προσδιορίζονται τα χαρακτηριστικά εκείνα της πηγής του σήµατος που µπορούν (α) να οδηγήσουν στην αφαίρεση τµηµάτων της πληροφορίας (β) χωρίς µείωση της συνολικής ποιότητας του σήµατος. Πχ. κατά την κωδικοποίηση πολυµέσων (ήχος, εικόνα, video) : λαµβάνεται υπόψη πως υπάρχουν συχνότητες των ακουστικών και οπτικών σηµάτων που δεν γίνονται αντιληπτές από τον άνθρωπο µπορούν να εξαλειφθούν από την αρχική πληροφορία µε αποτέλεσµα ένα σηµαντική συµπίεση ύο βασικές κατηγορίες (1) ιαφορική (ή προβλεπτική) κωδικοποίηση (2) Κωδικοποίηση Μετασχηµατισµού

52 (1) ιαφορική κωδικοποίηση Βασική ιδέα: καταγραφή όχι της ακριβούς τιµής κάθε δείγµατος αλλά της διαφοράς του από το προβλεπόµενο δείγµα. Παράδειγµα: Αρχικά δεδοµένα εδοµένα µετά την κωδικοποίηση

53 ιαφορική κωδικοποίηση

54 Μορφές διαφορικής κωδικοποίησης Απλή διαφορική παλµοκωδική διαµόρφωση (DPCM) Differential Pulse Code Modulation έλτα διαµόρφωση Delta Modulation Προσαρµοστική διαφορική παλµοκωδική διαµόρφωση (ADPCM) Adaptive Pulse Code Modulation

55

56 (2) Μετασχηµατισµός σήµατος στο πεδίο συχνοτήτων Βασική ιδέα: να µετασχηµατιστεί το αρχικό σήµα ώστε να είναι εύκολο να προσδιοριστούν οι συχνότητες του σήµατος που µπορούν να συµπιεσθούν δηλ. δεν γίνονται εύκολα αντιληπτές από τον άνθρωπο και µπορούν να εξαλειφθούν Τεχνική: Το σήµα µετασχηµατίζεται από το πεδίο του χρόνου (time domain) στο πεδίο των συχνοτήτων (frequency domain).

57 Η έννοια του µετασχηµατισµού Ένας µετασχηµατισµός (transform) είναι µια µαθηµατική διαδικασία που µε βάση κάποιον αλγόριθµο αντιστοιχεί µία σειρά από τιµές σε µια άλλη σειρά τιµών. Ο µετασχηµατισµός επεκτείνει την έννοια της συνάρτησης επιτρέποντας στις παραµέτρους εισόδου και εξόδου να µην είναι απλές τιµές αλλά συναρτήσεις, δηλ. σύνολα τιµών.

58 Μετασχηµατισµοί Fourier (1/2) Μετασχηµατίζεται η συνάρτηση f(t) από το πεδίο του χρόνου σε µια συνάρτηση g(λ) στο πεδίο των συχνοτήτων (α) Η αρχική συνάρτηση αναλύεται σε άθροισµα απλούστερων ηµιτονοειδών συχνοτήτων g(λ) (β) Προσδιορίζεται το πλάτος κάθε συχνότητας λ στις οποίες αναλύεται η αρχική f(t).

59 Μετασχηµατισµοί Fourier (2/2) Αρχικό σήµα: είγµατα στο πεδίο του χρόνου Μετασχηµατισµός Οι σχετικές τιµές των πλατών (συντελεστές Fourier) δείχνουν ποιες συχνότητες συνεισφέρουν περισσότερο στη διαµόρφωση του σήµατος.

60

61 «ιακριτός µετασχηµατισµός συνηµιτόνου» (Discrete Cosine Transform, DCT) «ιακριτός µετασχηµατισµός συνηµιτόνου» (Discrete Cosine Transform, DCT). Εφαρµόζεται συνήθως για την συµπίεση σηµάτων εικόνας & ήχου Ο µετασχηµατισµός µετατρέπει το διακριτό σήµα (δηλ. τις τιµές των δειγµάτων) σε µια σειρά από απλές ακέραιες τιµές (τους συντελεστές του µετασχηµατισµού) που αποτελούν τα πλάτη των συχνοτήτων που το συνθέτουν. Στη συνέχεια είναι εύκολο να µηδενίσει κανείς τους µικρότερους συντελεστές και να επιτύχει έτσι σηµαντική συµπίεση. Η τεχνική αυτή αποτελεί τη βάση των λεγόµενων ψυχοφυσιολογικών συµπιεστών (JPEG, MPEG).

62 Κατηγοριοποιήσεις των Πολυµέσων

63 Κατηγοριοποιήσεις των Πολυµέσων Σύνθεση και σύλληψη ιακριτά & Συνεχή Μέσα Τοπικές (off-line) και ικτυακές (on-line) εφαρµογές Πολυµέσων

64 Χαρακτηριστικά Πολυµέσων Έλεγχος από Η/Υ Ένα σύστηµα πολυµέσων αποτελείται από έναν ή περισσότερους υπολογιστές για την παρουσίαση της πληροφορίας και την αλληλεπίδραση µε το χρήστη Ολοκλήρωση διαφορετικών ειδών πληροφοριών σε ένα ενιαίο περιβάλλον Ελαχιστοποίηση των διαφορετικών υπολογιστών, οθονών, αποθηκευτικών µέσων και τηλεπικοινωνιακών διαύλων που απαιτούνται για κάθε µέσο Ψηφιακή αναπαράσταση πληροφορίας Πληροφορία σαν ακολουθία διακριτών τιµών κωδικοποιηµένων στο δυαδικό σύστηµα Αλληλεπιδραστικότητα ( ιαλογικότητα) Η παρουσίαση (σειρά, ταχύτητα, µορφή) της πληροφορίας προσαρµόζεται στις επιθυµίες του χρήστη

65 Κατηγορίες πολυµέσων ανάλογα µε τον τρόπο παρουσίασης Μέσο Βιβλίο Κείµενο Υπερκείµενο Τρόπος παρουσίασης Γραµµικός Μη-γραµµικός Πολυµέσα Εικόνα, ήχος, βίντεο, σχεδιοκίνηση Υπερµέσα ιαλογικά ή διαδραστικά πολυµέσα

66 Κατηγορίες πολυµέσων ανάλογα µε τον τρόπο παρουσίασης & την δυνατότητα αλληλεπίδρασης Γραµµική (linear) ξεκινούν από την αρχή και καταλήγουν στο τέλος όπως µία ταινία Μη γραµµική (Nonlinear) όταν ο χρήστης έχει τον έλεγχο της πλοήγησης Ιεραρχική ικτυωτή ή πλοήγηση γράφου ή υβριδική πλοήγηση

67 Οργανωτική δοµή Γραµµική δοµή πλοήγησης (linear structure) Η ροή της πληροφορίας είναι σειριακή και ακολουθεί µια µοναδική και προκαθορισµένη πορεία. Ο χρήστης δεν έχει τη δυνατότητα να τροποποιήσει την πορεία αυτή ανάλογα µε τηνδικήτουεµπειρία. =>Μειωµένη καθόλου αλληλεπίδραση A B C D E

68 Οργανωτική δοµή Μη γραµµική δοµή πλοήγησης (non-linear structure) Υπάρχουν εναλλακτικοί δρόµοι (ροές) παρουσίασης της πληροφορίας Η ροή της πληροφορίας ελέγχεται από το χρήστη. =>Υπάρχει αλληλεπίδραση A B C D E J I H G F K L M N

69 Οργανωτική δοµή Ιεραρχική δοµή πλοήγησης (hierarchical structure) ή δενδροειδής δοµή πλοήγησης (tree structure) βασικό µενού το οποίο οδηγεί σε περισσότερες από µια ενότητες. κάθε ενότητα µπορεί επίσης να χωριστεί σε υπο-ενότητες κοκ. =>Υπάρχει αλληλεπίδραση A A1 A2 A3 A1.1 A3.1 A3.2 A3.3

70 Οργανωτική δοµή ικτυωτή ή πλοήγηση γράφου ή υβριδική πλοήγηση συνδυασµός όλων των άλλων µέσων πλοήγησης E D A B C

71 Κατηγορίες πολυµέσων: Υπερκείµενο (hypertext) Υπερκείµενο (hypertext) Πληροφορία αποκλειστικά σε µορφή κειµένου Παρέχεται η δυνατότητα στο χρήστη να κάνει τις επιλογές του σχετικά µε τη διαδροµή που θα ακολουθήσει για να φτάσει στην επιζητούµενη πληροφορία Χαρακτηριστικά του υπερκειµένου Τυχαία προσπέλαση Προσβασιµότητα Μεταφερσιµότητα Ποσότητα περιεχόµενης πληροφορίας Φυσική αποθήκευση Κόστος παραγωγής Κόστος διανοµής

72 Κατηγορίες πολυµέσων Υπερκείµενο (hypertext) (2) Πλοήγηση αντί ανάγνωσης Κόµβος (node) Κόµβος (node) backtrack facility Κόµβος (node or frame) Ύπερσύνδεσµος (hyperlink) Υπερσύνδεσµος (hyperlink) Κόµβος (node) Υπερσύνδεσµος (hyperlink) Κόµβος (node) Υπερσύνδεσµος (hyperlink or link) Άγκυρα προορισµού (destination) Υπερσύνδεσµος (hyperlink) Άγκυρα αφετηρίας (anchor)

73 Κατηγορίες πολυµέσων Υπερκείµενο (hypertext) (3) Κόµβος (node) Κόµβος (node) Κόµβος (node or frame) Υπερσύνδεσµος (hyperlink) Υπερσύνδεσµος (hyperlink) Κόµβος (node) Υπερσύνδεσµος (hyperlink) Κόµβος (node) Υπερσύνδεσµος (hyperlink or link) Υπερσύνδεσµος (hyperlink) Μονοπάτι διάσχισης (path)

74 Άλλες κατηγορίες πολυµέσων Υπερµέσα (hypermedia) Ανάλογα των υπερκειµένων, τα οποίο µπορούν να χειριστούν δεδοµένα οποιασδήποτε µορφής ιαλογικά Πολυµέσα (interactive multimedia) Σε αντίθεση µε τααπλάπολυµέσα ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να επέµβει στην εξέλιξη της εφαρµογής Η αρχιτεκτονική δόµησης των εφαρµογών είναι συνήθως δενδροειδής

75 οµή Πολυµέσων

76 Οργανωτική δοµή υπερµέσων Ο Oliveira (1990) κατηγοριοποιεί τα υπερµέσα µε βάσητην οργανωτική δοµή τους η οποία καθορίζεται από το νόηµα µε τον οποίο συνδέονται οι κόµβοι µεταξύ τους, σε: µη δοµηµένα υπερµέσα δοµηµένα Ιεραρχικά δοµηµένα (hierarchical) Σηµασιολογικά (semantic)

77 Οργανωτική δοµή υπερµέσων Μη δοµηµένα υπερµέσα Τυχαία πρόσβαση στους κόµβους Συνδέονται µόνο µε συνδέσµους διαναφοράς (cross reference) δηλαδή οι κόµβοι δεν συνδέονται µε βάση κάποιας γενικής οργανωτικής δοµής αλλά επειδή απλά ο ένας περιέχει πληροφορίες σχετικά µε εκείνες που περιλαµβάνει ο άλλος A B C D E F G H I

78 Οργανωτική δοµή υπερµέσων οµηµένα υπερµέσα (1) ιέπονται από σαφή και περιορισµένη οργάνωση Η διαµόρφωση των κόµβων και των συσχετισµένων συνδέσµων βασίζεται σε µία δοµή του αντικειµένου αυτού καθαυτού ή σε γνωσιολογική δοµή Η οργανωτική δοµή των κόµβων αναφέρεται ως δοµή ανώτερης τάξης (superordinate) και κατώτερης τάξης (subordinate)

79 Οργανωτική δοµή υπερµέσων οµηµένα υπερµέσα (2) Ιεραρχικά δοµηµένα Κόµβοι ανώτερης A τάξης (superordinate) Πλοήγηση από τα ανώτερα σε κατώτερα επίπεδα A1 A2 A3 A1.1 A1.2 A1.2.1 A1.2.2 A A A A3.1 A3.2 A3.3 Κόµβοι κατώτερης τάξης (subordinate)

80 Οργανωτική δοµή υπερµέσων οµηµένα υπερµέσα (2) Σηµασιολογικά δοµηµένα (semantic) η οργάνωσή τους βασίζεται σε ένα σηµασιολογικό δίκτυο (semantic network) Αναπαριστά ένα σύνολο εννοιών και τις µεταξύ τους σχέσεις πρόκειται για µια δισδιάστατη αναπαράσταση µιας δοµής γνώσης (structural knowledge) µπορεί να είναι Έννοια_Α Α Έννοια_Α είναι αποτελείται από ανήκει σε.. Έννοια_Α Β είναι Έννοια_Α Ε Έννοια_Α ΣΤ Έννοια_Α Η αναλύεται σε µπορεί να είναι συνήθως είναι Έννοια_Α Γ Έννοια_Α Έννοια_Α Θ

81 Αυτόνοµα & ικτυωµένα Πολυµέσα ίκτυο ιακοµιστής (Server) Multimedia PC

82 Εφαρµογές πολυµέσων Μονοχρηστικές (ένας χρήστης) Πολυχρηστικές (πολλοί χρήστες)

83 Εφαρµογές πολυµέσων Μονοχρηστικές Εξειδικευµένα Συστήµατα Εκπαίδευσης Κατάρτιση µεχρήσηη/υ (CBT) Κατάρτιση υποβοηθούµενη από Η/Υ (CΑT) Προσαρµοστικά Συστήµατα Υπερµέσων Συστήµατα Παροχής Πληροφοριών Σηµεία ενδιαφέροντος Συστήµατα Πωλήσεων Kiosks

84 Εφαρµογές πολυµέσων - πολλοί χρήστες Χρήστης σε Χρήστη (σύγχρονες/ασύγχρονες) Εφαρµογές επικοινωνίας/συνεργασίας Εργαλεία υποστήριξης οµάδων Σεµινάρια Τηλεδιάσκεψη οµάδας (Teleconferencing) µε ενσωµάτωση πολυµέσων Χρήστης-Σύστηµα Εφαρµογές ανάκτησης δεδοµένων Κατανεµηµένα συστήµατα

85 Απαιτήσεις για την δηµιουργία πολυµέσων Λογισµικό

86 Βασικές απαιτήσεις Η κατανόηση του περιεχοµένου, της οµάδας στόχου Απόφαση του τρόπου αλληλεπίδρασης/πλοήγησης Η συλλογή/δηµιουργία του περιεχοµένου Γνώση κατάλληλων εργαλείων δηµιουργίας Ο συνδυασµός των κατάλληλων εργαλείων για την δηµιουργία της εφαρµογής

87 Κατανόηση Προσδιορισµός του τρόπου µε τον οποίο οι χρήστες θα αλληλεπιδρούν µε το περιεχόµενο και θα πλοηγηθούν στην εφαρµογή Σηµεία προσοχής: στην κατανόηση του µηνύµατος Ανάπτυξη (scripting ή storyboarding) Καλλιτεχνικός σχεδιασµός Προγραµµατισµός

88 Απαιτούµενο λογισµικό Για τον συνδυασµό περιεχοµένου που έχει κατά µέρους διαφορετική µορφή, και την παρουσίαση των πολυµεσικών εφαρµογών χρειάζονται εξειδικευµένο λογισµικό, που διαχωρίζονται ως εξής: Βασικά εργαλεία Πολυµεσικά εργαλεία παρουσίασης Πολυµεσικά εργαλεία σχεδιασµού

89 Απαιτούµενο λογισµικό: Βασικά εργαλεία ένα ή περισσότερα συστήµατα δηµιουργίας πολυµέσων εφαρµογές για την επεξεργασία επεξεργασία κειµένου, εικόνας, ήχου και βίντεο εφαρµογές µετατροπής αρχείων από µία µορφή σε άλλη συµβατή µε διάφορες εφαρµογές

90 Απαιτούµενο λογισµικό: Βασικά εργαλεία Εργαλεία επεξεργασίας κειµένου (π.χ Word, OpenOffice) Λογισµικό οπτικής αναγνώρισης χαρακτήρων (OCR) (π.χ. OmniPage Pro, etc.) Εργαλεία ζωγραφικής και σχεδίασης -(π.χ. Photoshop, Illustrator, FreeHand, GIMP) Εργαλεία επεξεργασίας εικόνας Image Editing Tools (π.χ. Photoshop, Image Ready, GIMP, GAP) Εργαλεία 3D µοντελοποίησης και σχεδιοκίνησης (π.χ. 3D Studio Max, Cinema 4D) Εργαλεία επεξεργασίας ήχου (π.χ. SoundForge XP, Audacity) Εργαλεία σχεδιοκίνησης βίντεο και ψηφιακών ταινιών (π.χ. Premiere) Βοηθητικά προγράµµατα (π.χ. grab-it)

91 Απαιτούµενο λογισµικό: Εργαλεία Παρουσίασης ενσωµατώνει τα στοιχεία διαφορετικών µέσων και προέλευσης σε ένα κοινό ψηφιακό περιβάλλον Π.χ. PowerPoint

92 Απαιτούµενο λογισµικό: Εργαλεία δηµιουργίας πολυµέσων Παρέχουν τις παρακάτω δυνατότητες: Σχεδιασµός περιεχοµένου: π.χ. κείµενο και εικόνες ιαχείριση περιεχοµένου - manage multimedia assets Σχεδιασµός της επιφάνειας ηµιουργία σχεδιοκίνησης ηµιουργία διαδραστικότητας Παρουσίαση του πολυµεσικού έργου Παροχή τρόπων αλληλεπίδρασης µε το πολυµεσικού έργου τρόπους συνεργασίας µε περιφερικά Η/Υ Ο ήχος και το βίντεο συνήθως δηµιουργούνται σε άλλο λογισµικό και εισάγονται στα εργαλεία δηµιουργίας πολυµέσων για την δηµιουργία πολυµεσικών εφαρµογών

93 Απαιτούµενο λογισµικό: Εργαλεία δηµιουργίας πολυµέσων - Είδη Εργαλεία βασισµένα σε κάρτες ή σελίδες - Card and Page-Based Tools Εργαλεία βασισµένα σε εικονίδια καθοδηγούµενα από συµβάντα -Icon- Based Tools (π.χ. Authorware) Εργαλεία βασισµένα στο χρόνο και εργαλεία παρουσίασης (χρονοδιάδροµο) - Time-Based Tools (π.χ. Flash)

94 Κριτήρια επιλογής λογισµικού Ανάλογα µε το προς εκτέλεση έργο: τα στοιχεία επεξεργασίας του κάθε προγράµµατος τις λειτουργίες οργάνωσης που παρέχει τις λειτουργίες προγραµµατισµού τις λειτουργίες διάδρασης τις λειτουργίες βελτίωσης επιδόσεων τις λειτουργίες αναπαραγωγής τις λειτουργίες παράδοσης τις λειτουργίες για διαφορετικές πλατφόρµες τις δυνατότητες αναπαραγωγής για το Ίντερνετ εν υπάρχει καλύτερο ή χειρότερο εργαλείο συγγραφής, όλα εξαρτώνται από τις ανάγκες του κάθε έργου

95 Συµπέρασµα όλα τα προγράµµατα έχουν πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα έναντι άλλων εν υπάρχει καλύτερο ή χειρότερο εργαλείο συγγραφής, όλα εξαρτώνται από τις ανάγκες του κάθε έργου Πχ. το ToolBook είναι ιδανικό για βιβλία - book applications, ενώ το Director είναι καλύτερο για στατικές ταινίες και το Flash είναι κατάλληλο για το web Όλα έχουν την δυνατότητα δηµιουργίας εφαρµογών για CD and DVD

96 Πηγές ηµητριάδης Σ.Ν., Ποµπόρτσης Α.Σ., Τριανταφύλλου Ε.Γ., Τεχνολογία πολυµέσων θεωρία και πράξη, Εκδόσεις Τζιόλα, ISBN: άφνη Οικονόµου: Σηµειώσεις µαθήµατος ιαδραστικά Πολυµέσα, Πανεπιστήµιο Αιγαίου