Контрольная точка №4. Современная цифровая аудио - и видеозапись

Контрольная точка №4
Современная цифровая аудио - и видеозапись

гр. 6151

Срок сдачи работ: 19.05.11

1.  Дайте краткое определение формату записи DV. Какова история его появления? Где он применяется?

2.  Как осуществляется компрессия видеоданных в формате DV?

3.  Что такое видеосегмент в формате DV? Какова его структура? С какой целью и как выполняется перемешивание данных в формате DV?

4.  Нарисуйте видеофонограмму формата DV. Укажите направление движения ленты, головок, расположение всех секторов и дорожек записи. Для чего нужны сектор субкода и сектор информации о дорожке?

5.  В чем состоит отличие амплитудной и рельефно-фазовой оптической записи, в каких системах они используются?

6.  Проведите аналогию между САР радиального слежения системы воспроизведения информации с видеодиска и соответствующей САР видеомагнитофона.

7.  Какой физический эффект является основой магнитооптической записи? Как осуществляется воспроизведение магнитооптических дисков?

8.  Назовите преимущества и недостатки магнитооптической записи.

9.  Опишите (с рисунками) общий принцип работы ячейки ПППЗУ (Flash memory).

10.  Каковы преимущества и недостатки флэш-памяти?

http://*****/625/2002/03/theory. htm

Контрольная точка №4

группа6151

1 Дайте краткое определение формату записи DV. Какова история его появления? Где он применяется?

DV - это цифровой формат записи на магнитную ленту шириной всего 6,35 мм со скоростью движения 18,831 мм/сек. Это означает, что плотность записи DV-информации уникально высока - более 0,4 Mb на кв. мм, так что mini-DV кассета на 60 минут видео имеет размеры 66x48x12.2 мм - менее спичечного коробка. Eмкость стандартной DV-кассеты (125x78x14.6 мм) составляет 120 или даже 180 минут.

Это компонентный (YUV) формат представления сигнала, обеспечивающий разрешение по горизонтали в 500 линий, отношение сигнал/шум 54 дБ, а также ширину частотного диапазона цветопередачи в 1,5 Мгц. В совокупности это соответствует понятию профессионального качества записи видеосигнала.

В 1995 году в мире прикладного и профессионального видео случилась революция. Как это нередко бывает, объединившись в консорциум, ее совершила немногочисленная, но весьма влиятельная группа.  55 ведущих международных производителей электроники, среди которых Sony, Philips, Hitachi, Panasonic и JVC, приняли цифровой формат видеозаписи на магнитную ленту, называемый DVC (Digital Video Cassette) или DV (Digital Video).

Применяется в профессиональных и непрофессиональных видеокамерах.

2 Как осуществляется компрессия видеоданных в формате DV?

С целью уменьшения необходимого потока передачи данных на дальнейших этапах видеопроизводства сжатие цифрового видеосигнала осуществляется непосредственно в камере. В формате DV, как и в Motion-JPEG, используется только внутрикадровое сжатие (intra-frame). Это означает, что пользователь имеет доступ к произвольному кадру — фактор очень существенный для последующего монтажа, который будет производиться с точностью до кадра. Оцифрованные аудиоданные передаются для записи на ленту сразу в цифровой форме и без какой бы то ни было дальнейшей компрессии. DV-формат определяет непрерывный поток видеоданных (называемый иногда в терминах интерфейса IEEE-1394 «потоком изохронных данных») со скоростью передачи 25 Мбит/с. В противоположность другим системам сжатия — таким, например, как Motion-JPEG, коэффициент компрессии не может изменяться «динамически» или «масштабироваться» для удовлетворения каким-то определенным требованиям. Запись на магнитную видеоленту в формате DV обусловливает фиксированный коэффициент компрессии, который диктуется постоянной скоростью движения ленты. При этом при сжатии 5:1 DV-видео визуально выглядит лучше, чем видео Motion-JPEG с таким же коэффициентом компрессии (это обусловливается не столько алгоритмом, сколько тем, что компрессия осуществляется прямо «со стекла», то есть при наивысшем качестве исходного изображения).

Сжатие внутрикадровое на основе дискретного косинусного преобразования DCT, коэффициент компрессии 5:1

3 Что такое видеосегмент в формате DV? Какова его структура? С какой целью и как выполняется перемешивание данных в формате DV?

Пять компрессированных макроблоков объединяются в компрессированный видеосегмент (рис.1). Объем данных компрессированного видеосегмента не может превышать 385 байтов. К каждому компрессированному макроблоку из 76 байтов добавляется байт, содержащий четырехбитовый код числа квантования QNO данного макроблока, и четыре бита, представляющих код статуса компрессированного макроблока STA (Status of the compressed macro block). Слово статуса STA может содержать сообщение об ошибке в данном компрессированном макроблоке или о способе маскирования. Оно может сообщать, что макроблок заменен таким же макроблоком из предшествующего или последующего телевизионного кадра. Слово STA может также нести информацию о том, сохраняется ли в данном макроблоке непрерывность потока данных компрессированного видеосегмента.

Перемешивание данных выполняется с целью выравнивания вероятности появления нулей и единиц, что необходимо для записи. Выполняется блоком скремблирования в модуляторе.

(Рис.1)

4 Нарисуйте видеофонограмму формата DV. Укажите направление движения ленты, головок, расположение всех секторов и дорожек записи. Для чего нужны сектор субкода и сектор информации о дорожке ?

Как и в обычных видеосистемах, сигнал считывается и записывается барабаном вращающихся головок, но только уже в DV-формате. Запись ведется на наклонные дорожки ленты с металлическим напылением. Кроме аудио - и видеосигналов, на ленту записывается и дополнительная информация для управления, и временной код (time-code).

При записи в формате DV каждый кадр располагается на 10 (NTSC) или 12 (PAL) дорожках. В противоположность аналоговой магнитной записи информация об изображении не записывается линейным образом, а распределяется по всем этим дорожкам. Преимущество подобного метода состоит в том, что возможные ошибки записи на ленту (что в аналоговых системах приводит к выпадениям сигнала) оказываются равномерно распределенными по всему изображению и, таким образом, становятся неразличимыми для глаз. Более того, большая часть цифровых видеокамер имеет схемы исправления ошибок, дающие возможность полностью восстановить изображение после некоторой потери информации при записи. Данные по пропущенным в кадре пикселам вычисляются на основе информации, взятой из двух ближайших кадров: до и после анализируемого. Если ошибок записи слишком много, то производится интерполяция, то есть усреднение между соседними пикселами в одном кадре.

Аудиосигналы записываются на наклонные дорожки примерно так же, как это делается в формате Hi8, но в противоположность аналоговым технологиям звук здесь может стираться и перезаписываться независимо от видео. Цифровая аудиозапись осуществляется без компрессии.

Еще одна часть наклонных дорожек отводится под ITI-область (Insert and Track Information — вставки и информации по дорожкам — трекам). Аналогично рабочей дорожке CTL в аналоговых кассетах эта область используется для синхронизации скорости воспроизведения и трекинга. И еще одна часть дорожек отводится под субкод. Она используется для записи дополнительных данных, таких как временной код, данные по монтажу и т. д

5 В чем состоит отличие амплитудной и рельефно-фазовой оптической записи, в каких системах они используются?

Для оптической записи можно использовать изменение любого физ.-хим. свойства регистрирующей среды (электронного состояния, атомной структуры, намагниченности и т. д.). Однако в основном используют изменениедвух параметров: комплексного показателя преломления и оптической длины пути l - l Г п (l Г - геом. путь, п- показатель преломления среды,- характеризует поглощение). Изменение величины и под действием оптич. излучения даёт соответственно амплитудную, фазовую и рельефно-фазовую запись. Существует несколько классов регистрирующих сред:галогенидосеребряные, фотохромные, электрооптические, магнитооптические и разл. полупроводники - аморфные, органич., молекулярные. В галогенидосеребряных средах можно получить амплитудную или фазовую запись. В аморфных полупроводниках фотофиз. реакции приводят к амплитудной записи. В органич. полупроводниках в эл.-фотогр. процессе записи реализуется амплитудная, а в фототермопластическом - рельефно-фазовая записи. В магнитооптических средах, меняющих намагниченность под действием света, Оптической записи и её воспроизведение происходят с использованием эффекта Фарадея

В фабрично произведенных оптических дисках где «пит»- реальное углубление оптического слоя (которое обычно состовляет половину длины волны считывающего лазера, сигналы отраженные от «пиитов» и «лэндов» приходят в фотоприемник с разной фазой (т. к. сигнал проходит разный путь). В записываемых дисках например CD-R в качестве «питов» используются участки активного слоя с высоким коэффициентом поглощения (это вызвано повышенной интесивностью лазера при записи таким образом сигнал попавший на «пит» рассеивается и в фотоприемник возвращается лишь малая доля сигнала, поэтому на выходе формируется сигнал маленькой амплитуды, тогда как отразившись от «лэнда» сигнал полностью возвращается в фотоприемник соответсвено выходной сигнал имеет высокую амплитуду. Таким образом в фазовом методе записи разница между «питом» и «лэндом» выражается разницой фаз сигналов, а в амплитудном разницой амплитуд.

6 Проведите аналогию между САР радиального слежения системы воспроизведения информации с видеодиска и соответствующей САР видеомагнитофона.

Система автотрекинга

САР радиального слежения

Система отслеживает дорожку записи магнитной ленты или оптического диска, и на основе этого формирует управляющие сигналы для электро двигателей корректируюших положение считывающей головки(либо лазерного луча)с тем чтобы они не уходили с дорожки записи.

7 Какой физический эффект является основой магнитооптической записи? Как осуществляется воспроизведение магнитооптических дисков?

Эффект Фарадея

Продольный магнитооптический эффект состоит в повороте плоскости

поляризации луча света, проходящего через прозрачную среду, находящуюся в

магнитном поле.

Воспроизведение осуществляются оптическим способом при помощи полупроводникового лазера. В основу положено свой-ство поляризованного  света менять направление поляризации при прохождении через  магнитное  поле.  Магнитооптический (magneto-optical, MO) диск имеет  ферромагнитную пленку, на которой создается последовательность пятен, намагниченных с различной полярностью. Поляризованный лазерный луч, проходя  через каждое из них, меняет направление поляризации, что регистрируется фотоприемником  как  изменение информационного состояния.

8 Назовите преимущества и недостатки магнитооптической записи.

Преимущества

§  Слабая подверженность механическим повреждениям

§  Слабая подверженность магнитным полям

§  Гарантированное качество записи

§  Синхронный вывод

§  МО-диски допускают до 10 млн циклов стирания-записи,

§  скорость вращения составляет 3 000—3 600 об/мин, что обеспечивает много большую скорость передачи данных, скорость записи практически равна скорости чтения и достигает нескольких мегабайт в секунду,

§  МО-носитель полностью размещён внутри защитного пластикового корпуса, что обеспечивает его лучшую сохранность,

§  существуют многие интерфейсы для подключения ко всем массово распространённым шинам — IDE, LPT, USB, SCSI.

§  Недостатки

§  Относительно низкая скорость записи, вызванная необходимостью перед записью стирать содержимое диска, а после записи — проверкой на чтение. Данный недостаток начал устраняться в поздних (начиная с 1997 года) моделях приводов.

§  Высокое энергопотребление. Для разогрева поверхности требуются лазеры значительной мощности, а следовательно и высокого энергопотребления. Это затрудняет использование пишущих МО приводов в мобильных устройствах.

§  Высокая цена как самих дисков, так и накопителей.

§  Малая распространённость.

§  так и не было создано единого стандарта на устройства и носители, как в случае с дисководом 3½″ HD, что в целом обусловило практическую невозможность повсеместного применения.

9 Опишите (с рисунками) общий принцип работы ячейки ПППЗУ (Flash memory).

Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками. В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками), каждая из них может хранить только один бит. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.

NOR

В основе этого типа флеш-памяти лежит ИЛИ-НЕ элемент, потому что в транзисторе с плавающим затвором низкое напряжение на затворе обозначает единицу.

Транзистор имеет два затвора: управляющий и плавающий. Последний полностью изолирован и способен удерживать электроны до 10 лет. В ячейке имеются также сток и исток. При программировании напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. Часть электронов туннелирует сквозь слой изолятора и попадает на плавающий затвор. Заряд на плавающем затворе изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость, что используется при чтении.

Программирование и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи, тогда как при чтении затраты энергии малы.

Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

В NOR-архитектуре к каждому транзистору необходимо подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. Эта проблема решается с помощью NAND-архитектуры.

NAND

В основе NAND-типа лежит И-НЕ элемент. Принцип работы такой же, от NOR-типа отличается только размещением ячеек и их контактами. В результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой ячейке, так что размер и стоимость NAND-чипа может быть существенно меньше. Также запись и стирание происходит быстрее. Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке.

NAND и NOR-архитектуры сейчас существуют параллельно и не конкурируют друг с другом, поскольку находят применение в разных областях хранения данных

10 Каковы преимущества и недостатки флэш-памяти?

Преимущества flash-памяти:

Для хранения данных не требуется дополнительной энергии, то есть flash-память является энергонезависимым устройством. При записи данных на flash-микросхему требуется в 10-20 раз меньше энергии, чем при аналогичных действиях с компакт-диском или дискетой. Flash-микросхема позволяет многократно перезаписывать данные. То есть flash-память – перезаписываемое устройство хранения данных. Накопитель на основе flash-микросхемы не содержит в себе никаких движущихся механических узлов и устройств, поскольку это твердотельная память. А раз так, то flash-устройства отличаются устойчивостью к механическим воздействиям: нет механики – нечему и ломаться Компактность. Информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (порядка 10, а по некоторым данным, и до 100 лет). То есть flash-микросхема является устройством для долговременного хранения данных.

недостатки flash-памяти:

– flash-память стоит дороже, чем дискеты, компакт-диски и компьютерные винчестеры. Flash-память работает существенно медленнее, чем оперативная память на основе микросхем SRAM и DRAM. И даже по сравнению с жестким диском flash-накопитель является аутсайдером. К примеру, средняя скорость считывания данных с flash-накопителя составляет 5 Mb/s, а записи – 3 Mb/s.
В то же время жесткий диск может обмениваться данными со скоростью около 30 Mb/s. flash-память имеет ограничение по количеству циклов перезаписи. Предел колеблется отдо 1 циклов для разных типов микросхем. И хотя миллион операций записи/стирания – это совсем немало, однако наличие физического предела использования микросхемы памяти можно считать серьезным недостатком flash-устройств.