ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΩΝ ΗΧΟΥ & ΕΙΚΟΝΑΣ

1. ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΩΝ ΗΧΟΥ & ΕΙΚΟΝΑΣ Εισαγωγή στην Ψηφιακή Τεχνολογία Δεληγιάννης Ι. BSc, Ph.D και Βοσινάκης Σ. BSc,MSc, Ph.D

2. Στόχοι Τμήματος Το πενταετές πρόγραμμα σπουδών έχει ως αφετηρία την ιδέα, ότι η σύγχρονη εξειδίκευση στον οπτικοακουστικό χώρο και στα πολυμέσα πρέπει να στηρίζεται σε επαρκείς γνώσεις: • α. των οπτικοακουστικών τεχνικών • β. των σύγχρονων ψηφιακών μεθόδων επεξεργασίας ήχου, εικόνας και του συνδυασμού τους • γ. της επιστημονικής θεμελίωσης του ρόλου των οπτικοακουστικών • εφαρμογών στη σύγχρονη εξελισσόμενη κοινωνία Πηγή: www.ionio.gr

3. Στόχοι Μαθήματος • Βασικός στόχος του μαθήματος είναι η εισαγωγή των φοιτητών στην ψηφιακή τεχνολογία όπως συναντάται σήμερα. • Ξεκινώντας απο την κατανόηση και επεξεργασία απλών τύπων δεδομένων, καταλήγουμε στο συνδιασμό αυτών σε μια πληθώρα μορφών όπως: Ροές βίντεο, διαδραστικές εφαρμογές πολυμέσων. • Η ύλη είναι χωρισμένη σε θεματικές ενότητες αυξανόμενης πολυπλοκότητας: «Ήχος», «Εικόνα/Βίντεο/Κινούμενη Εικόνα», «Συμπίεση Δεδομένων» και «Πολυμέσα».

4. Ενότητες Μαθήματος • Εισαγωγή Δ • Ήχος Β • Εικόνα / Video / Animation Δ • Συμπίεση Δεδομένων Β • ΠΟΛΥΜΕΣΑ ΚΑΙ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟ Δ και Β • Σχεδιασμός και ανάπτυξη πολυμέσων στο Διαδίκτυο (θεωρητικό + πρακτικό) Δ Δ=Δεληγιάννης Ι. και Β=Βοσινάκης Σ.

5. Εκτός απο θεωρία με τι άλλο θα ασχοληθώ; • Χρήση υπολογιστή (εργαστήριο) • Ψηφιακή επεξεργασία ήχου (εργαστήριο) • Ψηφιακή επεξεργασία εικόνας (εργαστήριο) • Συνδιασμός ήχου και εικόνας (εργαστήριο) • Δημιουργία απλών διαδραστικών εφαρμογών πολυμέσων (εργαστήριο)

6. Σημερινή Παρουσίαση • Εισαγωγή στην Ψηφιακή Τεχνολογία • Ιστορία υπολογιστών • Πώς λειτουργεί ένας ψηφιακός υπολογιστής

7. Εισαγωγή στην ΨηφιακήΤεχνολογία

8. ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΕΝΑ ΨΗΦΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ • Τα συστηματα διακρινονται σε • Αναλογικα, αν τα σηματα που τα διατρεχουν παιρνουν τιμες απο ενα συνεχες διαστημα τιμων • Ψηφιακα, αν τα σηματα που τα διατρεχουν εχουν ενα πεπερασμενο αριθμο διακριτων τιμων x,z z(t) z x Συστημα x(t) t Αναλογικα σηματα x,z 4 x(t) 3 Ψηφιακα σηματα 2 z(t) 1 1 2 3 5 4

9. ΓΙΑΤΙ ΧΡΕΙΑΖΟΜΑΣΤΕ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ • Τα ψηφιακα συστηματα χρησιμοποιουνται για: • Επεξεργασια δεδομενων • Μεταδοση δεδομενων – επικοινωνια • Αποθηκευση δεδομενων • Παρασταση διαφορων μορφων πληροφοριας • Παραδειγμα: Ψηφιακη επεξεργασια αναλογικων σηματων Ψηφιακη επεξεργασια ADC DAC ...1101 1001 1100 0110... ...1101 1001 1100 0110... Ψηφιακα σηματα Αναλογικο σημα μικροφωνου Αναλογικο σημα μεγαφωνου

10. Συνέχεια ... 1. Καταλληλα για την επεξεργασια ψηφιακων ΚΑΙ αναλογικων σηματων 2. Μπορει να χρησιμοποιηθει ενας γενικης χρησης υπολογιστης για την επεξεργασια δεδομενων 3. Ο πεπερασμενος αριθμος τιμων ενος ψηφιακου σηματος μπορει να παρασταθει με ενα διανυσμα σηματων που παιρνουν δυο μονο τιμες (δυαδικα σηματα). Για παραδειγμα το 10 δεκαδικα ψηφια μπορουν να παρασταθουν με διανυσματα 4 δυαδικων σηματων: Ψηφιο 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Διανυσμα 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 4. Τα ψηφιακα σηματα εχουν μεγαλη ανοχη στην επιδραση του θορυβου ή στις θερμοκρασιακες μεταβολες των τιμων των εξαρτηματων των συστηματων

11. Σημασια των ψηφιακων συστηματων • Τα ψηφιακα συστηματα μπορουν να αποκτησουν μεγαλυτερη ακριβεια αν αυξησουμε τον αριθμο των ψηφιων. • Για παραδειγμα ενα ψηφιακο ρολοϊ δειχνει την ωρα με μεγαλυτερη ακριβεια αν αυξησουμε τον αριθμο των ψηφιων απο 4 σε 6 12:30 12:30:45 • Οι εξελιξεις της μικρο-ηλεκτρονικης τεχνολογιας επιτρεπουν την κατασκευη εξαιρετικα πολυπλοκων ψηφιακων συστηματων που ειναι μικρα, ταχυτατα, και φθηνα (ολοκληρωμενα κυκλωματα ICs). • Παρεχεται η δυνατοτητα επιλογης μεταξυ διαφορετικων υλοποιησεων που ανταλλασουν ταχυτητα με πολυπλοκοτητα. Για παραδειγμα θεωρειστε ενα συστημα που προσθετει δυο 5ψηφιους αριθμους: Μπορει να κανει την προσθεση ταυτοχρονα και για τα 5 ψηφια ή σειριακα προσθετοντας διαδοχικα τα ψηφια

12. Ψηφιακή παράσταση Αναλογικών σημάτων • Τα αναλογικά σήματα (π.χ. η φωνή, το video ) είναι σήματα συνεχή στον χρόνο και στο μέγεθος (amplitude) τους

13. Ψηφιακή παράσταση Αναλογικών σημάτων • Με την δειγματοληψία τα αναλογικά σήματα μετατρέπονται σε σήματα διακριτού χρόνου

14. Ψηφιακή παράσταση Αναλογικών σημάτων • Με τον κβαντισμο (Quantization) τα δείγματα ενός σήματος γίνονται διακριτά ως προς την τιμή τους 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 Συχνότητα = 1/6 Συχνότητα δειγματοληψίας= 20/6 Επίπεδα κβαντισμου = 11

15. Ψηφιακη επεξεργασια αναλογικων σηματων

16. Μεταροπεις A/D και D/A • Ο μετατροπεας Αναλογικου-σε-Ψηφιακο(Analog to Digital - A/D) κωδικοποιει την τιμη του δειγματος ενος σηματος σε δυαδικο αριθμο αναλογο της τιμης αυτης. • Ο μετατροπεας Ψηφιακου-σε-Αναλογικο (Digital to Analog (D/A) μετατρεπει εναν δυαδικο αριθμο σε ταση (ή ενταση) αναλογη της τιμης του αριθμου αυτου.

17. A/D

18. Ψηφιακή Παράσταση Αναλογικών Σημάτων • Εάν γίνει όπως πρέπει (= με την σωστη συχνοτητα δειγματοληψιας), η δειγματοληψία αυτη καθ’ εαυτη δεν εισάγει παραμόρφωση στο σήμα. • Ο Κβαντισμος ομως εισάγει πάντοτε κάποια παραμόρφωση. • Η παραμορφωση μειωνεται αν αυξηθει ο αριθμος των επιπεδων κβαντισμου (= ο αριθμος των απαιτουμενων bits για την κωδικοποιηση) • Μπορεί να γίνει ανταλλαγή μεταξύ της παραμόρφωσης και του ρυθμου παραγωγης bits/sec ( = των απαιτήσεων σε φάσμα για την μετάδοση του κβαντισμένου σήματος) • Θα ασχοληθούμε αρχικά με την δειγματοληψία • και κατόπιν με τον κβαντισμο

19. Κωδικοποιηση εικονας και Video • Εικονα 1000 x 1000 pixels με 8 bits για καθε ενα απο τα τρια χρωματα χρειαζεται 24 Mbits για να κωδικοποιηθει. • Το video χρειαζεται περιπου 20 frames/sec. • Τα standards συμπιεσης ειναι βασικα για την αναπτυξη του ψηφιακου video. • JPEG: Συμπιεση εικονας κατα 20 φορες τουλαχιστον • MPEG: Συμπιεση video κατα 100 φορες ή περισσοτερο

20. Ιστορία των Υπολογιστών

21. - Difference Engine (Babbage, ca. 1822) - ENIAC (Univ. of Pennsylvania, 1945) Central issues identical in the past... - Abacus (ca. 50 BC)

22. - Distributed ASCI Supercomputer 2 (Vrije Universiteit, Amsterdam, 2002) (contains 72 1-Ghz Dual Pentium-IIIs) - Earth Simulator (ES Center, Yokohama, Japan, 2001) (contains 5120 0.5-Ghz NEC CPUs) … today ...

23. … and in the future! • World Wide Computing

24. Alan Turing 1912 - 1954 • Ανακάλυψε την ιδέα του προγραμματιζομενου υπολογιστή το 1936 • Βοήθησε να σχεδιαστεί ο “Colossus”, ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής που χρησιμοποιήθηκε για το σπάσιμο κωδικών στον 2ο παγκόσμιο πόλεμο. • Η ανακάλυψη αυτή ήταν μέγιστης σημασίας για το θετικό αποτέλεσμα του πολέμου • Σχεδίασε τον υπολογιστή ACE μετά τον πόλεμο.

25. Alan Turing 1912 - 1954 Η πρώτη του μεγάλη ανακάλυψη δημοσιεύτηκε στο παρακάτω άρθρο: “On computable numbers with an application to the Entscheidungsproblem” 1936

26. Τι ανακάλυψε το 1936 • Δημιούργησε ένα υπολογιστικό μοντέλο που ονομάστηκε Turing Machine • Δημιούργησε την ιδέα του προγραμματιζόμενου υπολογιστή (τότε ονομαζόταν “universal” machine). • Έδειξε οτι υπάρχουν ακόμα άλυτα υπολογιστικά προβλήματα (ακόμα και με τη χρήση υπολογιστών)

27. Turing’s machine Ταινία 0 Κεφαλή ανάγνωσης και εγγραφής Άν είσαι στην κατάσταση q και βλέπεις το σύμβολο s τότε πήγαινε στην κατάσταση p, γράψε το σύμβολο r και μετακινήσου ένα κελί δεξιά. Έλεγχος κατάστασης

28. Περισσότερες πηγές • Το βιβλίο, “Alan Turing: the Enigma” by Andrew Hodges, 1984 • Το έργο, “Breaking the Code” based on this book • Η τηλεοπτική έκδοση του έργου • Η τηλεοπτική σειρά (NOVA) Bletchley Park

29. Οι εξελίξεις που επέτρεψαν την δημιουργία των πρώτων υπολογιστών • Ηλεκτρομαγνητικοί διακόπτες Vannevar Bush – τέλος του 30, MIT, USA Konrad Zuse – WW II, Germany, βοήθησε στο σχεδιασμό των ρουκετών V2

30. Ο πρώτος ηλεκτρονικός υπολογιστής • Atanasoff και Berry, Πανεπιστήμιο της Iowa • Πρωτότυπο 1939, λειτουργικό μοντέλο 1943 • Δέν προγραμματιζόταν • Οι ιδέες χρησιμοποιήθηκαν στον ENIAC • Ξεχασμένο μέχρι την δικαστική υπόθεση πατέντας Sperry-Rand εναντίον Honeywell, 1967

31. Ο υπολογιστής Colossus,Βρεττανία • Σκοπός: αποκωδικοποίηση • Flowers, Knox, Turing et al. • Σε πλήρη λειτουργία: Δεκ. 1943 • Προγραμματισμός εξωτερικά (με διακαλοδίωση) • 1500 λυχνίες

32. Colossus

33. von Neumann αρχιτεκτονική • John von Neumann (Princeton) 1903 – 1957 - μαθηματικός • Ανακάλυψε την “game theory” • Βοήθησε στο σχεδιασμό των ENIAC και EDVAC

34. ENIAC - 1946 Electronic Numerical Integrator and Calculator • Ο πρώτος πλήρως ηλεκτρονικός υπολογιστής • 18,000 λυχνίες • 1,500 διακόπτες • 6 χ 12 μέτρα • Χαμηλής πιστότητας, μεγάλης κατανάλωσης, χρειαζόταν κλιματισμό • Ζωύφια • (Debugging)

35. Ο πρώτος εσωτερικά προγραμματιζόμενος υπολογιστής • Πανεπιστήμιο Manchester, UK, 21 Ιουνίου 1948 • Μηχάνημα εργαστηρίου • 1024 bits μνήμης (όσο ένα SMS)

36. EDSAC (UK) • Ο πρώτος πλήρους κλίμακας εσωτερικά προγραμματιζόμενος υπολογιστής • Λειτουργούσε τον Μάϊο 1949 • Wilkes et al., Πανεπιστήμιο του Cambridge

37. Electronic Discrete Variable Computer (EDVAC – USA) • Eckert, Mauchly, von Neumann • Ολοκληρώθηκε το 1952 • Εσωτερικά προγραμματιζόμενος

38. Μερικές σημειώσεις για τα μεγέθη στην τεχνολογία υπολογιστών • Λυχνίες – όσο ένας αντίχειρας • Τρανσίστορς – στερεή μορφή (Γερμάνιο, Σιλικόνη) 1946 και μετά – μέγεθος μικρού δακτύλου • Ολοκληρωμένα κυκλώματα – σιλικόνη 1975 και μετά, πολλά χωρούν σε ένα τσίπ • Ολοκληρωμένα κυκλώματα μεγάλης κλίμακας – πολλά εκατομμύρια σε ένα τσίπ

39. Internal Memory Technology • Initially mercury tubes (acoustic) and magnetic wire • 1955 – late 70s, magnetic cores (donuts) J. Forrester, MIT • 70s onwards, semiconductors

40. Ιστορία - Επανάληψη • Γενιά 0: Μηχανικά και ηλεκτρομαγνητικά • Γενιά 1: Λυχνίες (ENIAC, EDVAC, EDSAC) • Γενιά 2: Τρανσίστορς, Γλώσσες προγραμματισμού • Γενιά 3: Ολοκληρωμένα κυκλώματα, Minicomputers • Γενιά 4: Πρώτοι μικρουπολογιστές, LSI και μετά VLSI κυκλώματα, “PC”s (προσωπικοί υπολογιστές) • Γενιά 5: Σήμερα! • VLSI • Παράλληλοι επεξεργαστές • Προηγμένες δυνατότητες γραφικών • Εφαρμογές διαδικτύου, δίκτυα

41. Generation 0: Mechanical Computers (1642-1945) • 1642 – Μηχανική υπολογιστική μηχανή του Πασκάλ • mechanical gears, hand-crank, dials and knobs • Άλλες παρόμοιες μηχανές ακολούθησαν • 1805 – Η πρώτη προγραμματιζόμενη μηχανή, Jacquard loom • (ράψιμο σχεδίων σε υφάσματα) • wove tapestries with elaborate, programmable patterns • pattern represented by metal punch-cards, fed into loom • could mass-produce tapestries, reprogram with new cards • Μέσα 19ου αιώνα – Η αναλυτική μηχανή του Babbage • expanded upon mechanical calculators, but programmable via punch-cards • described general layout of modern computers • never functional, beyond technology of the day

42. Generation 0 (cont.) • 1890 – Hollerith invented tabulating machine • used for 1890 U.S. Census • stored data on punch-cards, could sort and tabulate using electrical pins • finished census in 6 weeks (vs. 7 years) • Hollerith's company would become IBM • 1930's – several engineers independently built "computers" using electromagnetic relays • physical switch, open/close via electrical current • Zuse (Nazi Germany) – destroyed in WWII • Atanasoff (Iowa State) – built with grad student • Stibitz (Bell Labs) – followed design of Babbage

43. Generation 1: Vacuum Tubes (1945-1954) • mid 1940's – vacuum tubes replaced relays • glass tube w/ partial vacuum to speed electron flow • faster than relays since no moving parts • invented by de Forest in 1906 • 1940's – hybrid computers using vacuum tubes and relays were built COLOSSUS (1943) • built by British govt. (Alan Turing) • used to decode Nazi communications ENIAC (1946) • built by Eckert & Mauchly at UPenn • 18,000 vacuum tubes, 1,500 relays • weighed 30 tons, consumed 140 kwatts

44. Generation 1 (cont.) • COLOSSUS and ENIAC were not general purpose computers • could enter input using dials & knobs, paper tape • but to perform a different computation, needed to reconfigure • von Neumann popularized the idea of a "stored program" computer • store both data and programs in Memory • Central Processing Unit (CPU) executes by loading program instructions from memory and executing them in sequence • interact with the user via Input/Output devices virtually all modern machines follow this von Neumann Architecture • programming was still difficult and tedious • each machine had its own machine language, 0's & 1's corresponding to the settings of physical components • in 1950's, assembly languages replaced 0's & 1's with mnemonic names

45. Generation 2: Transistors (1954-1963) • mid 1950's – transistors began to replace tubes • piece of silicon whose conductivity can be turned on and off using an electric current • smaller, faster, more reliable, cheaper to mass produce • invented by Bardeen, Brattain, & Shockley in 1948 (won 1956 Nobel Prize in physics) • computers became commercial as cost dropped high-level languages were designed to make programming more natural • FORTRAN (1957, Backus at IBM) • LISP (1959, McCarthy at MIT) • BASIC (1959, Kemeny at Dartmouth) • COBOL (1960, Murray-Hopper at DOD) the computer industry grew as businesses could buy Eckert-Mauchly (1951), DEC (1957) IBM became market force in 1960's

46. Generation 3: Integrated Circuits (1963-1973) • integrated circuit (IC) • as transistor size decreased, could package many transistors with circuitry on silicon chip • mass production further reduced prices 1971 – Intel marketed first microprocessor, a chip w/ all the circuitry for a calculator • 1960's saw the rise of Operating Systems • an operating system is a collection of programs that manage peripheral devices and other resources • allowed for time-sharing, where multiple users share a computer by swapping jobs in and out • as computers became affordable to small businesses, specialized programming languages were developed Pascal (1971, Wirth) C (1972, Ritche)

47. Generation 4: VLSI (1973-1985) • Very Large Scale Integration (VLSI) • by mid 1970's, could fit hundreds of thousands of transistors w/ circuitry on a chip • could mass produce powerful microprocessors and other useful IC's • computers finally affordable to individuals • late 1970's saw rise of personal computing • Gates & Allen founded Microsoft in 1975 Gates wrote BASIC compiler for personal computer would grow into software giant, Gates richest in world http://www.webho.com/WealthClock • Wozniak and Jobs founded Apple in 1977 went from garage to $120 million in sales by 1980 • IBM introduced PC in 1980 Apple countered with Macintosh in 1984 • Stroustrup developed C++ in 1985 object-oriented extension of C language

48. Generation 5: Parallelism & Networking (1985-????) • high-end machines (e.g. servers) can have multiple CPU's • in 1997, highly parallel Deep Blue beat Kasparov in speed chess match • most computers today are networked • Internet born in 1969, connected 4 computers (UCLA, UCSB, SRI, & Utah) mainly used by govt. & universities until late 80's/early 90's • Web invented by Berners-Lee at CERN in 1989 designed to allow physics researchers to share data and documents not popular until 1993 when Andreessen developed graphical browser (Mosaic) Andreessen would go on to found Netscape, and Internet Explorer soon followed stats from netvalley.com & netsizer.com

49. Πώς λειτουργεί ένας ψηφιακός υπολογιστής: • Περιγραφή των συστατικών και της λειτουργίας τους μιας μηχανής von Neumann • Περιγραφή τού κύκλου "φέρε-αποκωδικοποίησε-εκτέλεσε" μιας μηχανής von Neumann • Περιγραφή της οργάνωσης της μνήμης ενός Η/Υ και του τρόπου πρόσβασης σε αυτή • Περιγραφή διαφορετικών συσκευών αποθήκευσης βοηθητικής μνήμης • Ορισμός τριών εναλλακτικών μορφών παράλληλης επεξεργασίας για ενα Η/Υ

50. Η αρχιτεκτονική von Neumann