Audio- und Videotechnik at Hochschule Osnabrück

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Es ist eine Videoaufnahme in HD-Qualität mit Bildzeilen (BZ) , Bildseiten-Verhältnis (Asp), bei einer Dauer von 30 min und der Verwendung von 3 Farbkanälen mit jeweils Farbtiefe (Ft) Bit und bei 4:2:0 Farbunterabtastung gegeben. Bei der Aufnahme werden 50 Bilder pro Sekunde progressiv aufgenommen. Nach welcher Formel ist die Datenmenge zu berechnen?

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Erläutern Sie das Grundprinzip der Fourieranalyse

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Vergleichen Sie die Vorteile von CMOS- mit denen von CCD Sensoren

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Welche Aussagen über Halbleiter-Bildwandler sind richtig?

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Was versteht man unter Hybrid-Kodierung? Nennen Sie Beispiele

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Welche Fehler können bei den Digitalisierungsschritten gemacht werden und wie wirken sie sich aus?

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Welche Auswirkungen hat die Abtastung eines 0-20 kHz Audiosignals mit einer Abtastrate von 11 kHz?

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Beschreiben Sie die typischen Schritte bei der Digitalisierung

eines Signals.

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Erklären Sie die Prinzipien zur Gewinnung von Farbinformationen bei einer 1-Chip-Lösung.


Was versteht man in diesem Zusammenhang unter Demosaicing?

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Wo liegen die im Hörschall vorkommenden Schalldruckwerte in Pa und absolute dB Pegel, angefangen bei wahrnehmbaren Schalldruck bis zur Schmerzgrenze.

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Welche Vorteile bieten digitale AV-Signale gegenüber analogen Signalen?

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Bennenen Sie grundsätzlichen CCD-Sensor Aufbauten/Architekturen.


Worin unterscheiden sich die verschiedenen Architekturen grundsätzlich?

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Audio- und Videotechnik

Es ist eine Videoaufnahme in HD-Qualität mit Bildzeilen (BZ) , Bildseiten-Verhältnis (Asp), bei einer Dauer von 30 min und der Verwendung von 3 Farbkanälen mit jeweils Farbtiefe (Ft) Bit und bei 4:2:0 Farbunterabtastung gegeben. Bei der Aufnahme werden 50 Bilder pro Sekunde progressiv aufgenommen. Nach welcher Formel ist die Datenmenge zu berechnen?

BZ * Asp * Ft * 1,5 * 60 * 50 * 30

Audio- und Videotechnik

Erläutern Sie das Grundprinzip der Fourieranalyse

Die Fourieranalyse, angewendet auf ein Gesamtsignal, ist in der Lage, alle beteiligten Einzelschwingungen "auseinanderzurechnen". 


Die Fourieranalyse liefert alle im Gesamtsignal enthaltenen Grundschwingungen mit entsprechender Amplitude und Phasenverschiebung.


Im Umkehrschluss lässt sich das Gesamtsignal durch die Überlagerung dieser Grundschwingungen mit entsprechender Amplitude und Phasenverschiebung rekonstruieren.


Die Transformation von Zeit- in Frequenzbereich und umgekehrt ist reversibel (verlustlos).

Audio- und Videotechnik

Vergleichen Sie die Vorteile von CMOS- mit denen von CCD Sensoren

Vorteile des CMOS gegenüber CCD:

  • Sehr Preiswert in der Fertigung
  • Geringere Stromverbrauch
  • Lichtspektrum bis zum Infrarot-Bereich
  • Unempfindlich gegenüber Smearing und Blooming durch direkte Adressierung
  • Digitaler Zoom und elektronische Bildstabilisierung durch direkte Adressierung möglich


Nachteile des CMOS / Vorteile des CCD:

  • Geringere Pixeldichte = Geringere Auflösung
  • Schlechtere Lichtempfindlichkeit = Mehr Helligkeitsrauschen
  • Bildverzerrung durch einzelne Auslesung (Rolling-Shutter-Effekt)

Audio- und Videotechnik

Welche Aussagen über Halbleiter-Bildwandler sind richtig?

Farbinformationen werden direkt im Bildwandler gewonnen

Audio- und Videotechnik

Was versteht man unter Hybrid-Kodierung? Nennen Sie Beispiele

Definition: 

  • Methode zur verlustbehafteten/irreversiblen Datenkompression
  • eliminiert Redundanzen und Irrelevanzen
  • Hoher Kompressionsfaktor durch Kombination von Verfahren zur Entropie- und zur Quellenkodierung.


Beispiele:

  • JPEG (Joint Photographic Experts Group)
  • HEIF (High Efficiency Image File Format)
  • MPEG (Moving Picture Experts Group)
  • H.261, H.264, H.265
  • weitere herstellereigene Verfahren von Google, Microsoft und Co.

Audio- und Videotechnik

Welche Fehler können bei den Digitalisierungsschritten gemacht werden und wie wirken sie sich aus?

1. Abtastung:

Zu geringe Abtastrate, Verletzung des Nyquist-Shannon Theorems 

=> Verlust von Dynamik (dumpfer Klang (Audio), abgehackte Bewegung (Video)) 


2. Quantisierung:

Zu grobe Quantisierung 

=> Quantisierungsrauschen

Audio- und Videotechnik

Welche Auswirkungen hat die Abtastung eines 0-20 kHz Audiosignals mit einer Abtastrate von 11 kHz?

Verletzung des Nyquist-Shannon Abtasttheorems (fs > 2*f_max) 11 kHz ist eine zu geringe Abtastrate für ein Signal mit Frequenzen bis 20 kHz. Dementsprechend geht Dynamik verloren. Das Audiosignal klingt dumpf weil die Höhen fehlen.


Dementsprechend müsste die Abtastfrequenz hier > 40kHz gewählt werden.

Audio- und Videotechnik

Beschreiben Sie die typischen Schritte bei der Digitalisierung

eines Signals.

Zunächst: zeitkontinuierliches und wertkontinuierliches (analoges) Signal.


1. Abtastung (Sampling)

Messung des Signals zu konkreten Zeitpunkten 

Man erhält: Zeitdiskretes und wertkontinuierliches (analoges) Signal 


2. Quantisierung

Wertezuweisung der abgetasteten Werte aus einer endlichen Wertemenge 

Man erhält: Zeitdiskreites und wertdiskretes (digitales) Signal

Audio- und Videotechnik

Erklären Sie die Prinzipien zur Gewinnung von Farbinformationen bei einer 1-Chip-Lösung.


Was versteht man in diesem Zusammenhang unter Demosaicing?

Prinzip:

Bei einer 1-Chip-Lösung wird ein Farbfiltermosaik verwendet, um Helligkeitsinformationen die vom Sensor erfasst werden anhand ihrer Wellenlänge farblich unterscheiden zu können.

Bildpunkte sind nebeneinander angeordnet, auf einem sogenannten Bayer-Mosaik.
Dieses Bayer-Mosaik enthält für jeden Bildpunkt entsprechende kleine Linsen mit 3 unterschiedlichen Farbfiltern, die nur eine der 3 Grundfarben passieren lassen.


Demosaicing:
Um zu einem Farbbild zu kommen, werden die fehlenden Pixel basierend auf dem jeweiligen Mosaik mithilfe der benachbarten Pixel derselben Farbe mittels Interpolation berechnet.

Audio- und Videotechnik

Wo liegen die im Hörschall vorkommenden Schalldruckwerte in Pa und absolute dB Pegel, angefangen bei wahrnehmbaren Schalldruck bis zur Schmerzgrenze.

Vorkommende Schalldruckwerte:

  • 0 dB = 0,00002 Pa = 2 * 10^-5 Pa = geringster bei 1 kHz auditiv wahrnehmbarer Schalldruck = Hörschwelle = p_0
  • 74 dB = 0,1 Pa = normale Lautstärke, Unterhaltung
  • 134 dB = 100 Pa (20,0 bis 200,0 Pa) = Schalldruck der Schmerzgrenze

Audio- und Videotechnik

Welche Vorteile bieten digitale AV-Signale gegenüber analogen Signalen?

  1. Digitalisierung ermöglicht Datenkompression
  2. Signale sind ohne Generationsverluste kopierbar
  3. Fehler- und verlustfreie Langzeit-Speicherung
  4. Mechanismen zum Fehlerschutz und zur Fehlerkorrektur
  5. Leichtere Nachbearbeitung (z.B. Anwendung von Effekten)
  6. Flexiblere Weiterverarbeitung
  7. Verlustfreie Übertragung über große Distanzen

Audio- und Videotechnik

Bennenen Sie grundsätzlichen CCD-Sensor Aufbauten/Architekturen.


Worin unterscheiden sich die verschiedenen Architekturen grundsätzlich?

CCD-Bildsensoren können in verschiedenen Architekturen implementiert werden. 


Man unterscheidet folgende CCD-Architekturen:

  1. Full-Frame CCD
  2. Frame-Transfer CCD
  3. Interline-Transfer CCD
  4. Frame-Interline-Transfer CCD


Die Architekturen unterscheiden sich darin, auf welche Weise die Problematik der zeitlichen Begrenzung der Lichtmenge, die auf den Sensor fällt, angegangen wird.

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