====== 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.
===== Proč je zpracování signálu pro multimédia důležité =====
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.
===== Zpracování signálu a Multimedia =====
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**
===== Typické operace při zpracování zvuku a videosekvencí =====
Zpracování zvukových a video signálů spočívá v převodu mezi analogovou a digitální reprezentací dat s využitím A/D převodníků, filtrů a DSP.
{{ http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bc/DSP_block_diagram.svg/500px-DSP_block_diagram.svg.png }}
- **[[wp>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.
- **[[wp>Analog-to-digital converter]]** – převod vzorkovaním signálu na digitální data
* levný, nic se nenastavuje
* typické hodnoty vzorkování: 8bit pro video, 16bit pro audio
- **[[wp>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
- **[[wp>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
- **[[wp>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).
===== DSP procesory =====
[[wp>Digital signal processor]]
DSP procesory jsou konstruovány pro zpracování signálu.
==== Stejné jako u procesorů pro PC ====
* 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)
==== Na rozdíl od procesorů pro PC ====
* 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)
==== Typické vlastnosti (výhody DSP) ====
* 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, ...)
==== Rozdělení DSP ====
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
===== DSP Struktury =====
**[[wp>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.
==== FIR ====
{{ http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9b/FIR_Filter.svg/300px-FIR_Filter.svg.png}}
[[wp>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\\ y(n) = \sum{i=0}{N-1}{b_i x(n-i)}
* Tvar přenosové funkce pro FIR:\\ 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}}
==== IIR ====
[[wp>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:\\ y(n) = \sum{i=0}{N}{b_i x(n-i)} - \sum{j=1}{M}{a_j y(n-j)}
* Tvar přenosové funkce pro IIR:\\ H(z) = {Y(z)}/{X(z)} = {\sum{i=0}{N}{b_i z^{-i}}}/{1 + \sum{j=1}{M}{a_j z^{-j}}}
* 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: //ejΩ// neboli //ej2πf//. Jiný způsob je FT na impulzní odezvu.
==== Obecnější (další) DSP struktury ====
Sériové a paralelní kombinace základních struktur.