Nazwa przedmiotu: PERCEPCJA ORAZ KODOWANIE DŹWIĘKÓW I

Program Studiów Podyplomowych - pierwsza edycja 2009/2010
Informacje o poszczególnych przedmiotach – semestr zimowy:
Nazwa przedmiotu:
PERCEPCJA ORAZ KODOWANIE DŹWIĘKÓW I OBRAZÓW (S-PKDO)
(wykład obieralny o charakterze wprowadzająco- przypominającym)
Autorzy i prowadzący: dr inż. Grzegorz Galiński, dr inż. Andrzej Buchowicz
W= 24 (liczba godzin wykładu)
Streszczenie Wykład zapoznaje słuchaczy z technikami kompresji dźwięków i obrazów. Omawiane
są podstawowe zagadnienia związane z percepcją sygnałów audiowizualnych przez
człowieka, a także ich reprezentacja w postaci cyfrowej. Przedstawiane są podstawowe
pojęcia teorii informacji oraz metody bezstratnej i stratnej kompresji danych.
Praktyczne zastosowanie omawianych technik zademonstrowane jest na przykładzie
najpopularniejszych standardów kompresji dźwięków i obrazów.
Treść
wykładu
1. Wiadomości wstępne (2h). Podstawowe pojęcia kodowania i kompresji
sygnału cyfrowego. Źródła danych obrazowych i dźwiękowych. Ogólny model
kodera i dekodera. Metody stosowane na poszczególnych etapach kodowania.
Standardy i algorytmy kompresji dźwięków i obrazów.
2. Percepcja dźwięków i obrazów (2h). Podstawowe zagadnienia związane z
percepcją dźwięku. Maskowanie dźwięków. Reprezentacja cyfrowych sygnałów
dźwiękowych. Obraz fizyczny a obraz cyfrowy. System widzenia człowieka.
Reprezentacja obrazów cyfrowych. Przestrzenie barw – RGB, YCbCr, HSV.
Nadmiarowość statystyczna, nadmiarowość czasowa, nadmiarowość
psychowizualna. Miary jakości dźwięków i obrazów.
3. Bezstratna kompresja danych (4h). Podstawowe zagadnienia teorii informacji.
Miara ilości informacji – entropia. Kody przedrostkowe. Optymalne kodowanie
przedrostkowe – kodowanie Huffmana.
4. Kodowanie arytmetyczne (2h). Ogólny algorytm kodowania arytmetycznego.
Implementacja całkowitoliczbowa. Binarny koder arytmetyczny.
5. Kodowanie słownikowe (2h). Podstawy kodowania słownikowego, klasyfikacja
technik. Algorytmy LZ77, LZ78, LZW.
6. Kwantyzacja (2h). Kwantyzacja skalarna równomierna. Kwantyzacja skalarna
nierównomierna. Kontrola stopnia kompresji. Podstawowe zagadnienia teorii
utraty jakości w funkcji średniej bitowej.
7. Kodowanie transformacyjne (4h). Transformaty liniowe. Dyskretna
transformata kosinusowa. Dyskretna transformata falkowa.
8. Kodowanie różnicowe (2h). Koder DPCM/ADPCM. Liniowa predykcja sygnału.
9. Zastosowanie technik kompresji do kodowania dźwięków (2h). Kompresja
mowy – metoda predykcji liniowej LPC, metoda liniowego wzbudzania
predykcyjnego CELP. Kompresja sygnałów akustycznych – standardy
MPEG-1/2/4 Audio.
10. Zastosowanie technik kompresji do kodowania obrazów (2h). Kompresja
bezstratna – formaty GIF, PNG. Kompresja stratna – standardy JPEG, JPEG2000.
Literatura
1. K. Sayood, Kompresja danych - wprowadzenie, Wydawnictwo RM, Warszawa,
2.
3.
4.
5.
6.
7.
2000
A. Przelaskowski, Kompresja danych. Podstawy, metody bezstratne, kodery
obrazów, Wydawnictwo BTC, Warszawa 2005.
W. Skarbek, Metody reprezentacji obrazów cyfrowych, AOW PLJ, Warszawa
1993
W. Skarbek (red), Multimedia. Algorytmy i standardy kompresji, AOW PLJ,
Warszawa 1997
A. Drozdek, Wprowadzenie do kompresji danych, WNT, Warszawa, 1999
Y.Q. Shi, H. Sun, Image and Video Compression for Multimedia Engineering.
Fundamentals, Algorithms, and Standards, Second Edition, CRC Press, 2008
M. Bosi, R.E. Goldberg, Introduction to Digital Audio Coding and Standards,
Kluwer Academic Publishers, 2003
Nazwa przedmiotu: WYBRANE ZAGADNIENIA CYFROWEJ TRANSMISJI RADIOWEJ (S-WZTR)
(wykład obieralny o charakterze wprowadzająco- przypominającym)
Autor i prowadzący: doc. dr inż. Tomasz Kosiło
W= 28 (liczba godzin wykładu)
Streszczenie Wykład zapoznaje słuchaczy z zagadnieniami propagacji fal radiowych i anten oraz
podstawami radiowej transmisji sygnałów cyfrowych, w tym z zagadnieniami modulacji
cyfrowych. Jest to przygotowanie do bardziej specjalistycznych przedmiotów
radiowych przewidzianych w programie studium.
Przedstawione są wiadomości dotyczące postaw propagacji fal radiowych, zakłóceń,
modeli propagacji i metod obliczeń przydatnych do projektowania systemów
radiokomunikacyjnych. Jest mowa o podstawowych typach i parametrach anten.
Następnie omawiane są podstawy transmisji cyfrowej, oraz zagadnienia związane z
modulacjami cyfrowymi, wpływem zakłóceń i problemami odbioru radiowego. Wykład
zawiera także wprowadzenie w problemy modulacji wielotonowych (OFDM), technik
MIMO i przyszłych rozwiązań np. cognitive radio.
Treść
wykładu
1. Wprowadzenie (2h). Krótki zarys historii radiokomunikacji. Cechy systemów
radiokomunikacyjnych, podstawowe służby radiowe (regulamin
radiokomunikacyjny), zagadnienia gospodarki falowej, rola ITU.
2. Kanał radiowy (4h). Podstawowe modele propagacyjne, wpływ atmosfery,
właściwości jonosfery, opis zniekształceń i szumów w kanałach radiowych, zaniki.
Równanie radiokomunikacyjne.
3. Podstawowe typy i parametry anten (2h). Przegląd typów i właściwości anten.
Podstawowe parametry.
4. Modele propagacji (4h). Typowe modele obliczania natężenia pola. Wolna
przestrzeń, model dwudrogowy, Okumury, Okumury – Haty, COST231,
propagacja wielodrogowa, kanał WSSUS, kanały MIMO.
5. Podstawy transmisji cyfrowej (2h) Model łącza cyfrowego, kodowanie źródła,
kodowanie nadmiarowe, przykłady kodów. Transmisja dolnopasmowa, kody
transmisyjne. Transmisja pasmowa. Techniki dupleksu i wielodostępu (FDMA,
TDMA, CDMA, SDMA).
6. Podstawy modulacji cyfrowych (4h). Przestrzeń sygnałów. Konstelacje sygnałów.
Sygnały ortogonalne. Odbiór sygnałów, zasady demodulacji, odbiór optymalny.
Kryteria decyzyjne. Filtr dopasowany Prawdopodobieństwo błędu,
charakterystyki szumowe modulacji. Interferencje międzysymbolowe, korektory i
algorytmy ich pracy.
7. Podstawowe modulacje cyfrowe (4h). Modulacje ASK, FSK, PSK, QAM.
Modulacje M-wartościowe. Modulacje z ciągłą fazą, MSK, GMSK, π/4 DQPSK.
Związki modulacji i kodowania. Widma sygnałów zmodulowanych.
8. Modulacje z rozproszonym widmem (3h). Sekwencje pseudolosowe, metody
generacji, autokorelacja i korelacja wzajemna. Metody odbioru.
9. Wprowadzenie do modulacji wielotonowych OFDM i technik MIMO (3h).
Zasada i wykorzystanie modulacji wielotonowych. Zasada i wykorzystanie technik
MIMO. Pojęcie Cognitive Radio. (3h)
Literatura
1.
2.
3.
4.
S. Haykin, Systemy telekomunikacyjne, WKiŁ, Warszawa, 2000
K. Wesołowski, Systemy radiokomunikacji ruchomej, WKiŁ, wyd.3, 2003
R. L. Freeman, Radio System Design for Telecommunications, Wiley, 2007.
J. D. Parsons, The Mobile Radio Propagation Channel, Wiley, 2000.
5. J.G. Proakis, Digital communications, McGraw Hill,1989.
Nazwa przedmiotu:
SYSTEMY KOMÓRKOWE CZ.1 (S-SKO1)
Autorzy i prowadzący: doc. dr inż. Jacek Cichocki, dr inż. Jerzy Kołakowski
W= 20 (liczba godzin wykładu)
Streszczenie
Treść wykładu
Wykład dotyczy podstaw systemów komórkowych oraz systemów drugiej generacji.
Program wykładu zawiera informacje dotyczące architektury, realizowanych usług
oraz działania systemów. Szczególną uwagę zwrócono na interfejs radiowy systemu
GSM. Omówiono standardy szybkiej transmisji danych: HSCSD, GPRS i EDGE.
Przedstawiono zasadę transmisji w systemach CDMA.
1. Podstawy telefonii komórkowej (2h). Ogólna charakterystyka systemów
telefonii komórkowej. Model siatkowy sieci. Transmisja z komutacją łączy i z
komutacją pakietów. Pojemność sieci. Generacje systemów telefonii
komórkowej. Stan rozwoju telefonii komórkowej na świecie i w Polsce.
2. System GSM – architektura i usługi (2h). Architektura sieci. Klasyfikacja
usług i podstawy realizacji usług.
3. System GSM – transmisja w łączu radiowym (3h). Etapy przetwarzania
sygnałów mowy i danych w nadajniku i odbiorniku. Organizacja transmisji w
łączu radiowym (kanały fizyczne i logiczne, kombinacje kanałów logicznych).
4. System GSM – stacje ruchome i bazowe (2h). Układy funkcjonalne stacji
ruchomych i bazowych. Wprowadzenie do zagadnień pomiaru parametrów
radiowych stacji ruchomych
5. System GSM – przykładowe procedury systemowe (4h). Rejestracja stacji
ruchomej. Procedury związane z przemieszczaniem się stacji ruchomej.
Przywołanie stacji ruchomej. Procedura dostępu do sieci. Zestawianie i
przenoszenie połączeń. Transmisja krótkich wiadomości. Zabezpieczenia w
systemie.
6. System GPRS/EDGE (4h). Ewolucja systemu GSM. Architektura sieci GPRS.
Transmisja informacji w sieci (wykorzystanie kontekstów PDP, tunelowanie).
Łącze radiowe GPRS (modulacja, schematy kodowania, kanały transmisyjne,
podstawowe procedury). Stacje ruchome GPRS (rodzaje stacji, klasa stacji).
Ograniczenia przepływności transmisji. System EDGE. Modulacja i
kodowanie. Adaptacja łącza. Technika wzrastającej nadmiarowości.
7. Podstawy systemów CDMA (3h). Charakterystyka sygnału radiowego.
Sekwencje rozpraszające. Zagadnienie pojemności systemu. Podstawowe
rozwiązania techniczne systemu cdmaOne.
Zakres
laboratorium
Literatura
Bez laboratorium (laboratorium powiązane z zakresem tematycznym tego kursu
prowadzone jest w ramach przedmiotu Systemy komórkowe 2 – S-SKO2)
1.
2.
K. Wesołowski, “Systemy radiokomunikacji ruchomej”, wyd.3, WKiŁ 2003
J.Kołakowski, J.Cichocki, „UMTS – system telefonii komórkowej trzeciej generacji”,
wyd.2, WKiŁ 2007
3. W. Hołubowicz, P. Płóciennik, "Cyfrowe systemy telefonii komórkowej GSM900,
GSM1800, UMTS", (wyd.III, rozszerzone i uzupełnione), Poznań 1998;
4. W. Hołubowicz, M. Szwabe, ”Systemy radiowe z rozpraszaniem widma CDMA teoria, standardy, aplikacje", Poznań 1998
5. ETSI-GSM Technical Specification - dokumenty normalizacyjne ETSI (European
Telecommunication Standards Institute - www.etsi.org):
6. T.Halonen, J.Romero, J.Merero (ed.) „GSM, GPRS and EDGE Performance - Evolution
Towards 3G/UMTS”, John Wiley & Sons, 2003
Nazwa przedmiotu:
TECHNIKI MULTIMEDIALNE (S-TMUL)
(wykład obieralny)
Autorzy i prowadzący: dr inż. Grzegorz Galiński, dr inż. Andrzej Buchowicz
W= 20 (liczba godzin wykładu)
L= 6 (liczba godzin laboratorium)
Streszczenie
Treść wykładu
Celem przedmiotu jest zapoznanie słuchaczy z podstawowymi technikami
przetwarzania dźwięku i obrazu stosowanymi w systemach multimedialnych. W
ramach wykładu zostaną omówione wybrane algorytmy filtracji sygnałów, analizy
dźwięku i obrazu, kodowania video oraz standardowe metody opisu danych
multimedialnych.
1. Sygnały dyskretne 1-D, 2-D (2h): model matematyczny, klasyfikacja sygnałów,
twierdzenie o próbkowaniu, dyskretna transformata Fouriera, analiza widmowa
2. Filtry cyfrowe 1-D (4h): układy o skończonej (SOI) i nieskończonej (NOI)
odpowiedzi impulsowej, projektowanie filtrów cyfrowych z wykorzystaniem
metody okien czasowych, zastosowania filtrów cyfrowych do przetwarzania i
analizy dźwięku, realizacje praktyczne filtrów cyfrowych
3. Filtry cyfrowe 2-D (4h): filtry liniowe – realizacja w postaci splotowej i w
dziedzinie transformaty, filtry nieliniowe – medianowe, morfologiczne,
4.
5.
6.
7.
wielomianowe, zastosowanie filtrów cyfrowych do przetwarzania obrazów m.in.
skalowanie, usuwanie szumu, wykrywanie krawędzi; metoda wyrównania
histogramu, poprawa kontrastu
Analiza obrazu (2h): segmentacja, algorytm Canny’ego, wykrywanie obiektów o
określonych cechach, analiza kształtu
Kodowanie sekwencji obrazów (2h): hybrydowy koder video, transformata
kosinusowa DCT, kwantyzacja, estymacja i kompensacja ruchu, optymalizacja RD, kontrola przepływności, kodowanie entropijne
Standardy kodowania wideo (4h): standardy MPEG-1/2, kodowanie obiektowe
w standardzie MPEG-4 Visual, standardy telekomunikacyjne H.261/263/263+/
263++, standard MPEG-4 AVC/H.264 – transformata całkowitoliczbowa,
predykcja wewnątrzramkowa, predykcja międzyramkowa z podziałem
makrobloku, filtr deblokujący
Standardowe metody opisu dźwięku i obrazu (2h): indeksowanie i
wyszukiwanie danych multimedialnych, standard MPEG-7: zakres, zastosowania,
schematy opisu i deskryptory
Zakres
laboratorium
1. Projektowanie filtrów cyfrowych 1-D (Matlab Signal Processing Toolbox)
2. Przetwarzanie obrazów z wykorzystaniem filtrów cyfrowych 2-D (Matlab Image
Processing Toolbox), JPEG/JPEG-2000
Literatura
1. A. V. Oppenheim, R. W. Schafer, “Disrete-Time Signal Processing”, Prentice-Hall, 1989
2. W. Skarbek, “Metody reprezentacji obrazów cyfrowych”, Akademicka Oficyna
Wydawnicza PLJ, Warszawa, 1993
3. W. Skarbek, „Multimedia – Algorytmy i standardy kompresji”, Akdemicka Oficyna
wydawnicza PLJ, Warszawa, 1998
4. M. Petrou, P. Bosdogianni, “Image Processing, The Fundametals”, John Wiley & Sons,
1999
5. I. Pitas, A. N. Venetsanopoulos, “Nonlinear Digital Filters, Principles and Applications”,
Kluwer Academic Publishers, 1990
6. Y. Q. Shi, H. Sun, “Image and Video Compression for Multimedia Engineering”, CRC
Press, 2008
7. F. Pereira, T. Ebrahimi, “The MPEG-4 Book”, Prentice Hall PTR, 2002
8. M. S. Manjunath, P. Salambier, T. Sikora, “Introduction to MPEG-7 Multimedia Content
Description Interface”, John Wiley & Sons, 2002
Nazwa przedmiotu: SIECI BEZPRZEWODOWE WLAN i
WPAN (S-SBEZ)
Autor i prowadzący: dr inż. Tomasz Keller
W = 20 (liczba godzin wykładu);
L = 6 (liczba godzin laboratorium)
Streszczenie
Celem przedmiotu jest zapoznanie słuchaczy z podstawowymi zagadnieniami
związanymi z transmisją radiową w bezprzewodowych sieciach osobistych i
lokalnych, przedstawienie technik transmisyjnych oraz metod projektowania sieci
bezprzewodowych. W ramach przedmiotu studenci zostaną zapoznani z koncepcją i
specyfiką transmisji w sieciach bezprzewodowych a także z wymaganiami i
regulacjami dla tego typu sieci. Przedstawiony zostanie rozwój standardów
bezprzewodowych sieci osobistych i lokalnych oraz architektury i topologie tych
typów sieci. Przekazana zostanie także garść informacji dotyczących metod
projektowania sieci bezprzewodowych oraz mechanizmów bezpieczeństwa w
radiowych sieciach osobistych i lokalnych. Ważnym prezentowanym elementem
będzie także tematyka współistnienia sieci i kompatybilności międzysystemowej, a
także nowych trendów i rozwiązań w sieciach bezprzewodowych.
Treść wykładu
Zakres
laboratorium
1. Koncepcja sieci bezprzewodowych krótkiego zasięgu (2h). Specyfika transmisji
danych w kanale radiowym, zjawiska ograniczające parametry sygnału,
regulacje w zakresie sieci bezprzewodowych, aspekty ekonomiczne
wykorzystania sieci, podstawowe techniki transmisyjne, parametry i wymagania
dla sieci WPAN i WLAN.
2. Standardy bezprzewodowych sieci osobistych WPAN (5h). Rodzina standardów
IEEE 802.15, specyfikacja Bluetooth, stos protokołu, metody dostępu,
organizacja sieci, metody nawiązywania połączeń, mechanizmy bezpieczeństwa.
Sieci WPAN dla małych przepływności (IEEE 802.15.4) – standard ZigBee. Sieci
WPAN dla dużych przepływności (IEEE
802.15.3)
– systemy
ultraszerokopasmowe.
3. Bezprzewodowe sieci lokalne WLAN (4h). Rodzina standardów IEEE 802.11x,
architektura sieci WLAN, topologie i organizacja sieci, realizacje warstwy
fizycznej, techniki i mechanizmy stosowane w warstwie fizycznej, podstawowe
mechanizmy kontroli dostępu, funkcje koordynacji dostępu, komponenty sieci
WLAN, mechanizmy QoS, usługi sieciowe.
4. Bezpieczeństwo sieci bezprzewodowych (2h).Podstawowe źródła zagrożeń w
sieciach bezprzewodowych, mechanizmy bezpieczeństwa i ich ograniczenia,
klasy ataków, metody skutecznej ochrony, rozwój systemów zabezpieczeń i
algorytmów szyfrowania danych w sieciach bezprzewodowych
5. Metody projektowania radiowych sieci osobistych i lokalnych (2h) Metodyka
projektowania sieci, wybór topologii sieci, obliczanie budżetu łącza, narzędzia
planowania sieci, wybór i wykorzystanie pasm częstotliwości, wybór
komponentów sprzętowych, konfiguracja i utrzymanie sieci, współpraca ze
środowiskami programistycznymi i projektowanie aplikacji mobilnych.
6. Kompatybilność międzysystemowa w sieciach WLAN i WPAN (3h). Problem
interferencji w sieciach WLAN i WPAN, pasmo ISM i jego specyfika, prace grupy
roboczej IEEE 802.15.2, mechanizmy współistnienia systemów, mechanizmy
szeregujące, adaptacyjne mechanizmy kontroli pasma i mocy transmitowanej,
fragmentacja pakietów, zalecenia poprawnej współpracy sieci.
7. Nowe trendy w sieciach bezprzewodowych (2h). Rozwój standardów sieci
lokalnych i osobistych, kontrola zasobów radiowych, efektywne mechanizmy
roamingu, rozwój technik transmisyjnych, aplikacji i usług sieciowych.
Pierwsze ćwiczenie: propagacja w radiowych sieciach osobistych i lokalnych
wewnątrz budynków, parametry transmisji, wpływ zmiennego kanału radiowego
na działanie systemu.
Drugie ćwiczenie: badania kompatybilności między systemami radiowych sieci
osobistych (Bluetooth) oraz sieci WLAN – zbadany zostanie wzajemny wpływ tych
systemów oraz mechanizmy, które mogą być zastosowane w celu minimalizacji
interferencji w tych sieciach.
Literatura
1.
P. Nicopolitidis, M. S. Obaidat, G. I. Papadimitriou, A. S. Pomportsis „Wireless
networks”, Wiley, 2003
Bernhard H. Walke, Stefan Mangold, Lars Berlemann “IEEE802 wireless systems,
Wiley, 2006.
3. Gilbert Held “Securing Wireless LANs”, Wiley, 2003
4. Morrow “Wireless Network Coexistence”, McGraw –Hill, 2002
5. Neeli Prasad, Anand Prasad “WLAN Systems & Wireless IP for Next Generation
Communications”, Artech House, 2002
6. Jelena Misic, Vojislav Misic “Wireless Personal Area Networks: Performance,
Interconnection, and Security with IEEE 802.15.4”, Wiley, 2008
2.