TENTAMEN Kurs: Kursnummer: Moment: Program: Åk: Examinator: Rättande lärare: Datum: Tid: Hjälpmedel: Omfattning och betygsgränser: Övrig information: Bild & Videoteknik DM1576 Tentamen Medieteknik 2 Nils Enlund Trille Fellstenius 2008-10-22 14:00 19:00 Miniräknare. Formelblad Radiometriska och fotometriska storheter (bifogas tentamen). Tentamen omfattar 6 frågor av varierande svårighetsgrad av totalt 60 poäng. För godkänt betyg E krävs 30p, för betyg D krävs 36 poäng, betyg C 42 poäng, B 48 poäng och för betyget A krävs 54 poäng Svara på uppgifterna på separata papper, dvs en uppgift per papper. Såvida inte annat sägs, motivera alla svar och förklara alla införda beteckningar (rita gärna förklarande figurer). Det kan hända att data ges som du inte behöver använda för problemets lösande. Det kan också hända att du behöver göra uppskattningar för att få data som behövs till uppgiften. Markera med kryss! Datortenta Tentamenskonto Diskbrock
1. Du ska använda en digital spegelreflexkamera för att på stort avstånd (du bedömer att det är ca. 1.5 kilometer) fotografera ett litet torp som är omgivet av ett spjälstaket. Staketets utseende framgår av figuren nedan. Staketspjälorna är vitmålade och syns mot en mycket mörk bakgrund (bra kontrast med andra ord). 10 cm 10 cm Du använder ett objektiv med brännvidden 240 mm, och som ger bäst bildskärpa vid bländartal 8. Objektivet kan då betraktas som nära diffraktionsbegränsat, dvs avbildningsfelen är försumbara. MTF för ett diffraktionsbegränsat objektiv visas i figuren på nästa sida. Våglängden kan sättas till 550 nm. MTF MTF för ett diffraktionsbegränsat objektiv Normerad ortsfrekvens i bildplanet. 1 svarar mot λ = våglängd, F = bländartal Hur hög är staketets ortsfrekvens i verkligheten, dvs i motivet? (Glöm inte bort att ange sort!) Hur hög blir ortsfrekvensen i objektivets bildplan? (Sort!) (3p) Kommer objektivet att kunna avbilda staketet med god kontrast? Eller kommer kontrasten att bli dålig, eller kanske helt obefintlig? (6p)
2. Du blir uppringd av kompisen Lotta som tänker ge sig ut på en nattlig expedition. Målet är att fotografera muterade slemgrodor som är ungefär lika stora som fotbollar. Grodorna är svagt självlysande, och sänder ut ljus likformigt i alla riktningar. Problemet är att ljuset är så svagt att bilderna riskerar att bli underexponerade. Blixtfotografering är inte att tänka på, det ska vara autentiskt grodljus i bilderna. En extra svårighet är att grodorna skygga, så dom hoppar iväg om man kommer närmare än fem meter. Lotta har en spegelreflex-kamera med sensorstorleken 15 mm x 22 mm. Hon kan antingen använda ett objektiv med brännvidden 55 mm och ljusstyrka 2.0, eller ett objektiv med brännvidden 150 mm och ljusstyrka 4.0. Hon vill emellertid inte släpa med sig mer än ett objektiv ut i fält, och frågar därför följande: Kommer perspektivet (djupintrycket) att skilja sig åt för de bägge objektiven, och i så fall vilket objektiv ger kraftigast intryck av djup i bilden? (Antag att bilderna efterbehandlas och betraktas på precis samma sätt.) (1p) Kommer grodorna att bli jättesmå på bilderna, eller kommer dom att fylla ut sensorformatet hyggligt bra? Undersök för bägge brännvidderna. (2p) Vilket av objektiven kan samla in störst ljusflöde från en groda? (3p) Vid användande av samma exponeringstid, vilket av objektiven kan ge högst exponering på sensorn. Hur mycket högre är denna exponering än den maximala för det andra objektivet? (4p) I samtliga fall antas fotograferingsavståndet vara det kortast möjliga, dvs. 5.0 meter. OBS, samtliga svar måste motiveras ordentligt! 3. I specifikationer för CCD sensorer förekommer en mängd parametrar. Redogör ingående för följande: a) Fill factor (2p) b) Quantum efficiency (2p) c) Full-well capacity (2p) d) Blooming (2p) e) Pixel binning (2p) Svar: se föreläsnings pdf om sensorer 4a. Förklara vad Kellfaktorn är? (1p) Svar: Antalet linjer sätter alltså begränsningen för upplösningen i vertikalled. Eftersom ljusstyrkan i det fosforiserande ämnet i bildskärmen sjunker med efterlysningstiden kommer kontrasten i bilden att minska varefter bilden ritas upp.den effektiva upplösningen blir ca 70% av den teoretiska: Detta kallas för Kell faktor efter dess upphovsman Ray Kell. 4b. Hur hänger upplösning och bandbredd ihop i en videosignal? (2p) Svar: Upplösningen är ett mått på det största antalet detaljer en bild kan förmedla. I vårt exempel handlar det om det maximala antalet svarta och vita linjer, horisontellt som vertikalt. Rent teoretiskt så är det antalet linjer som sätter begränsningen i vertikalled medan upplösningen i horisontalled bestäms av antalet svängingar i signalen. Ju fler svängningar desto högre frekvens vilket leder till att en högre bandbredd behövs. För PAL är bandbredden 5MHz vilket ger ca 430 vertikala linjer (5000000/15625) x (4/3) = 427 linjer 4c. Ögat har en begränsning för hur små detaljer vi kan uppfatta. Mha detta kan vi räkna ut det minsta betraktelseavståndet för en display. Vilket är det minsta betraktelseavståndet för en 42 tums HDTV upplöst TV bild? Redovisa dina beräkningar. (3p) Svar: (523/1080)/tan60-1 = 1,6m 4d. I en analog färgtv signal lägger man ihop färgton, färgmättnad samt luminans till en enda signal. Beskriv ingående hur detta går till. (4p) Svar: Först måste färgton och mättnad läggas ihop till en krominans signal. Detta görs genom att skapa två färgdifferenssignaler av R-Y och B-Y. Att man inte har en G-Y är för att spara bandbredd och vet man de andra två så kan man räkna fram G-Y med hjälp av luminansen. Nästa steg är att
modulera färgdifferenssignalerna till en krominans signal. Detta görs med kvadraturmodulering. Färgdifferenssignalerna får olika fas och adderas till en summasignal, krominanssignal som nu är både amplitud och fasmodulerad. Sista steget lägger man ihop kominans och luminans i ett blandarsteg där krominansen överlagras på luminansen. 5a. Vilka två typer av tidskod finns för video och vad skiljer dem? (1p) Svar: Med tidkod kan redigering ske automatiskt och med mycket hög noggrannhet. De första maskinerna utrustades med sk. longitudiell tidkod -LTC-. Denna spelades in som ett ljudspår i kanten på videobandet (och gör så fort- farande). Dock uppkom problem med detta när slow-motionmaskiner kom och då man började kunna jogga bandet med mycket låg hastighet. Som bekant blir frekvensen proportionell med bandhastigheten och utsignalen likaså. Alltså när det gick mycket långsamt tappade man informationen och trots tidkod missades noggrant satta klipp. För överkomma detta problem konstruerades tidkod som spelades in i videosignalen och där i det sk vertikala släcket. Denna teknik kallas för Verical Inserteted Time Code -VITC- 5b. TV använder en metod som kallas interlaced för att bygga upp och visa bilden. Datorer bygger upp och visar bilden med en metod som kallas progressive. Redogör för dessa två metoder. Ange dessutom med vilken frekvens bilden byggs upp i respektive metod. (2p) svar: I båda fallen används en metod som kallas scanning, informationen ritas upp i rader från vänster till höger på skärmen. Med interlaced menas att tv bilden byggs upp med radsprång, d.v.s varannan linje ritas upp och bildar på såsätt en halvbild. Dessa halvbilder projeceras 50 ggr per sekund och vi får då 25 helbilder per sekund. I progressive återgivning ritas varje linje upp men varje bild återges 2ggr, samma teknik som i film. Frekvensen kan variera något mellan datorer men för TV är den 50Hz 5c. Phase Shift Keying är en modularionsteknik som används vid distribution av digitala radiosignaler. Redogör för hur det fungerar och hur man räknar fram bithastigheten. (4p) SVAR: PSK använder sig av en analog bärvåg för att skicka ett antal bitar per symbol. Man använder både FAS och AMPLITUD för att representera bitar. För att håla reda på fasen har man en referensklocka. I vissa system, GSM, använder man differentiell kodning istället där förändringen i fas representerar fasläge istället för referensklockans fas. En våglängd motsvarar en symbol och kan innehålla ett antal bitar. 2-PSK innehåller 1bit/symb, QPSK 2bit/symb, 8PSK 3bit/symb, 16QAM 4bit/symb och 64QAM 6bit/sym. Bithastigheten erhålls genom att multiplicera symbolhastigheten med antalet bitar/symbol. 5d. Redogör för MPEG-kodning steg för steg. (4p) Svar:MPEG används för rörliga bilder. Fungerar genom att göra analys av bilder med vissa intervall: Det går till så att videosignalen digitaliseras och bildpunkterna indelas i block om 8 x 8 element. Dessa block kodas enligt DCT-algoritmen (dvs indelas i frekvens- och amplitud-data) Med DCTkodning menas att bilden delar (block) jämförs med ovanstående och när blocket motsvarar en ruta i ovanstående matris får blocket motsvarande rutas kodnummer. Detta ger i sig ingen datareduktion men genom att ta bort de högsta frekvenserna och efter detta införs Huffmankodning vilken är förlustfri och ger en reduktion om ca 2:1. Metoden kan användas för kompression från 2:1 100:1 Men för att minska datamängden ytterligare tar man bort information och litar på att intilliggande bilder har ungefär samma information. Man arbetar således med "huvudbilder" och "underbilder", I-frames och subframes. Bilderna mellan "huvudbilderna" överförs endast med hänsyn till förändringen till föregående och nästkommande fullt analyserade bild. Endast I-bilderna innehåller full information om bilden medans P- och B-bilderna bara innehåller information om förändringarna.
6a. Du vill föra över videomaterial från din DV kamera till din bärbara dator. Din hårddisk rymmer ca 120GB. Hur många timmar kan du lagra? (1p) Svar: DV tar ca 11GB/h vilket ger drygt 10timmar 6b. Redogör för det optiska systemet i en DVD spelare. Rita och beskriv de olika komponenterna. (2p) Svar: Det optiska systemet består av -En halvledarlaser -En fast samlingslins -En rörlig fokuseringslins -Ett dubbelverkande prisma -En fotodetektor För läsningen används en halvledarlaser som avger ett koherent (sammansatt) strålknippe inom det infraröda våglängdsbandet med våglängden 780-830 nm. Halvledarlasern tillverkas av Aluminium-Gallium-Arsenid som ger en kraftig framlob och en svag baklob. Bakloben är proportionell mot framloben och används för att styra laserns servokretsar. Då lasern sänder ut ljusknippet samlas det upp i samlingslinsen och därefter fokuseras på skivytan genom den rörliga fokuseringslinsen. När ljuset träffar skivytan reflekteras det tillbaka mot det dubbelverkande prismat som reflekterar ut ljuset mot fotodetektorn. Om ljuset träffar en grop i skivan sker en diffraktion så att fotodetektorn träffas av mindre ljus. Från fotodetektorn får vi sedan en EFM signal som motsvarar den som en gång brändes in. 6c. Cross Interleaved Reed Solomon Code ( CIRC ) används som felskyddsmetod i AudioCD och i DVB. Beskriv steg för steg hur den fungerar (3p) Svar: 1- man delar upp ljudramen i två block om 12 byte genom att fördröja vartannan byte 2- de 12 symbolerna blandas (interleave) ur detta genereras första paritetsblocket om fyra symboler och sätts mellan 12 symbolblocken. 3- ny individuell blandning av symbolerna och nytt paritetsblock om fyra symboler etc. 6d. I en videobandspelare har vi en videotrumma med 4 st videohuvuden med ett avstånd mellan polerna på 1,5µm. Trumman roterar med en hastighet av 250 varv/s. Bandtypen som används är 2 och den aktiva längden för videoinformation är 4 cm. 1)Vilken är den högsta frekvens på videosignalen som går att spela in? (2p) 2)Hur stor aktiv bandlängd behövs för att kunna återge ljud upp till 20 000 Hz? (2p) Svar: a) Vtape = 250 x 4 x 4cm = 4000cm/s = 40m/s, Fmax = 40/ 2 x 1.5 x 10-6 = 13.3MHz b) Vtape = 20 000 x 2 x 1.5 x 10-6 = 0,06m/s => 0,06/4 x 250= 0,06 mm
Formelblad: Radiometriska och fotometriska storheter Begreppet rymdvinkel Sfärisk yta Godtyckligt föremål som svävar i rymden (t.ex. en potatis) R P W Randstrålar från föremålet skär igenom sfäriska ytan, varvid en area A (streckade ytan) avgränsas på sfärens yta. Den rymdvinkel, Ω, under vilken vi från punkten P ser föremålet definieras genom formeln. Största möjliga rymdvinkel är 4π. Enhet: steradian (sr). Radiometri Utstrålning: Radians,. För svartkroppsstrålare är, där T = temperaturen i Kelvin. Instrålning: Irradians, Vänd!
Fotometri Handlar om hur starkt ögat uppfattar strålningen (t.ex. så uppfattar vi synligt ljus, men inte ultraviolett, röntgen och infrarött). Därför omvandlas strålningseffekten med hjälp av ögats spektrala känslighetskurva. Istället för strålningseffekt, får vi då en storhet som kallas ljusflöde, Φ, och som har sorten lumen (förkortas lm). Utstrålning: Luminans,. För en svartkroppsstrålare beror L bara på temperaturen. För en perfekt matt reflekterande yta beror L på reflektionsförmågan och hur kraftigt den belyses. Instrålning: Belysning,