Cap.9: Fundamentos de vídeo

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1 Cap.9: Fundamentos de vídeo
Prof. Dr. Abel Gomes Cap.9: Fundamentos de vídeo

2 Sumário História Elementos de sistemas de difusão (broadcasting)
Scanning e entrelaçamento Cor e gamma Sub-amostragem chroma Representações

3 História 1839: câmeras fotográficas do tipo Daguerre ( ). 1893: difusão de áudio por telefone, (Puskas). 1895: comunicação sem fios (Marconi e Popov). 1895: criação do filme (irmãos Lumiére). 1919: difusão de rádio (Holanda e Canadá). 1934: Estados Unidos fundam FCC (Federal Communications Commission, 1935: difusão de TV (Alemanha e Grã-Bretanha). 1941: TV b&w nos Estados Unidos. 1951: gravador de vídeo (Bing Crosby Enterprises). 1963: satélite geo-estacionário Meados de 70: transmissão em cabo de fibra óptica 1985: FCC determina a criação da norma ATSC até 1993? 1989: difusão de HDTV analógica (Japão) 1996: adopção da norma ATSC Ainda: invenção do telefone, fundação da ATT, invenções de TV, primeiras estações/redes de rádio Ainda: primeiras emissões de TV NTSC, primeiro sistema por cabo, VCR doméstico, dispositivo tivoli/replay, TV directa, primeiras emissões HDTV

4 Grupos de Normalização
ITU-T (ITU Telecommunications), sucedânea da CCITT ITU-R (ITU Radiocommunications), sucedânea da CCIR FCC (Federal Communications Commission) SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) etc.

5 Sistema de emissão/difusão (broadcasting)
OBJECTIVOS: Utilização eficiente da largura de banda Elevada percepção da qualidade de video/áudio Transmissor Receptor

6 Varrimento e entrelaçamento
Transmissão é um sinal contínuo O transmissor capta e codifica imagens O receptor descodifica iamgens para visualização A imagem é traçada linha-a-linha O varrimento é da esquerda para a direita, de cima para baixo. Há um intervalo em branco vertical/horizontal O sinal é entrelaçado Melhora a percepção do movimento Alternativa: varrimento progressivo

7 Varrimento do dispositivo de visualização de vídeo
O vídeo é composto de dois sinais: luma e chroma Video composto (composite video) faz a combinação dos dois sinais. Video separado (component video) envia os dois sinais separadamente Amplitude Time Cathode

8 Funcionamento duma câmera
Beam Splitter Color Filters Encoder Camera Tubes Zoom Lens Luma Chroma G R B Uma câmera tem 1, 2 ou 3 tubos para amostragem Mais tubos (CCDs) e melhores lentes produzem melhores figuras

9 CRT de visão directa (Direct View CRT)
Shadow Mask Holes Screen Phosphors R G B 3 canhões (RGB) energizam fósforos: Variando a energia altera a intensidade percepcionda Diferentes energias em diferentes fósforos produzem diferentes cores Os fósforos têm de ser refrescados para evitar o esmorecimento da cor Tipos de tecnologias: Máscara sombra (shadow mask ou delta-gun dot mask) PIL slot mask Grelha-abertura de canhão simples com 3 feixes (single-gun aperture-grille); exemplo: Trinitron

10 Notação de varrimento Especificação de linhas/”frame rate”
NTSC 525/59.94 PAL 625/50 ATSC – tudo é variável 1080i 1920x1080 varrimento entrelaçado 720p 1280x720 varrimento progressivo Porquê 59.94? Evita o problema de interferência entre as sub-portadoras de cor e de som.

11 Campos entrelaçados (interlaced fields)
Signal Format Line 1 --- vertical blanking Line Raster Format Field 1 1 2 3 485 Line vertical blanking ... 485 Line 2 4 484 ... 485 Field 2 ITU-R Rec. 601: 720x483 484 Line

12 Varrimento (525/59.94) Total Size Active Area square pixel 780X525
601 858X525 720X483 Active 4fsc 910X525 757X483 Active

13 Razão de aspecto/ taxa de refrescamento
TV convencional usa 4:3 (1.33) HDTV usa 16:9 (2.11) Cinema usa 1.85:1 ou 2.35:1 Taxa de refrescamento NTSC usa 60Hz (59.94Hz) PAL usa 50Hz Cinema usa 48Hz (mas ainda só 24 fps)

14 Vídeo NTSC (525 linhas, 60 campos/s)
525 linhas de varrimento repetidas vezes por segundo (i.e ms/frame) Linhas de varrimento entrelaçadas dividem uma frame em dois campos com linhas cada um (i.e ms/campo) 20 linhas reservadas para informação de controlo no início de cada campo só 483 linnhas de dados visíveis Laserdisc e S-VHS mostram cerca de 420 linhas (percepção) Emissão/difusão TV normal mostra cerca de 320 linhas Uma linha dura 63.6 s (10.9 s em branco)

15 Vídeo PAL (625 linhas, 60 campos/s)
625 linhas de varrimento repetidas 25 vezes por segundo (i.e. 40 ms/frame) Linhas de varrimento entrelaçadas dividem uma frame em 2 campos com linhas cada um (i.e. 20 ms/campo) Aproximadamente 20% mais linhas que o NTSC NTSC vs. PAL  grosseiramente a mesma largura de banda

16 Percepção da cor Color é o resultado da percepção da luz
A retina capta ondas de luz no espectro entre 400nm e 700nm Os seres humanos são mais sensíveis ao brilho do que à cor A retina é composta de cones e bastonetes Cones respondem a diferentes frequências (RGB) Bastonetes medem o brilho a baixos níveis de luz (i.e., visão nocturna) CIE estabeleceu normas relativas à cor CIE XYZ, CIE xyY  RGB linear

17 Gamma www.cgsd.com./papers/gamma.html
Um CRT é inerentemente não-linear As alterações de visualização são baseadas na voltagem alimentadora. A visão humana é também não-linear A sensação de luminosidade é função potência da intensidade de luz (y=xw) Surpresas agradáveis acontecem… CRT não-linear tem uma relação próxima com a luminosidade humana inversa A codificação da intensidade num sinal com correcção gamma maximiza a percepção da imagem Y -vs- Y’                      Sample Input to Monitor                      Graph of Input                      Output from Monitor                      Graph of Output L = V 2.5

18 Gamma em vídeo www.cgsd.com./papers/gamma.html
Câmera faz a correcção gamma A visualização (display) impõe a função potência inversa y = x 1/2.5 camera transmission display                      Sample Input                      Graph of Input                      Gamma Corrected Input                      Graph of Correction L' = L 1/2.5                      Monitor Output                       Graph of Output

19 Codificação de imagens a cores
Imagem representada por 24 bits/pixel (8 bpp) Cada cor com valor entre 0 e 255 Vídeo usa codificação não-linear Distribuição uniforme de cores na codificação RGB  R’G’B’ (RGB c/ correcção gamma) Vídeo usa luminância/crominância R’G’B’  Y’CBCR Luminância é Y (tecnicamente luma é Y’) Crominância é CBCR

20 Sub-amostragem cromática
A sub-amostragem cromática reduz dados: 2 chroma/luma  16 bpp 1 chroma/luma  12 bpp A notação é a:b:c a é o número de amostras luma b é o número de amostras chroma por linha ímpar c é o número de amostras chroma por linha par Ex. 4:4:4, 4:2:2, 4:1:1, 4:2:0, …

21 Amostragem de linha Y Y Y Y Y 4:4:4 CR/CB CR/CB CR/CB CR/CB CR/CB Y Y
4:2:2 CR/CB CR/CB CR/CB Y Y Y Y Y 4:1:1 CR/CB 4:2:2 é conhecida por broadcast quality 4:1:1 é conhecida por VHS quality 4:2:0 é 2:1 nas direcções horizontal e vertical

22 Representações Composta Componente
NTSC - 6MHz (4.2MHz video), frames/second PAL - 6-8MHz (4.2-6MHz video), 50 frames/second Componente Vídeo com separação (luma, chroma) - svhs, Hi8mm RGB, YUV, YIQ, … YCBCR – usado na maior parte de representações comprimidas Vídeo com separação chamado “s-video”

23 Representações analógicas de vídeo
NTSC Y = 0.299R G B I = 0.596R G B Q = 0.212R G B composite = Y + Icos(Fsc t) + Qsin(Fsc t) PAL U = 0.492(B-Y) Q = 0.877(R-Y) composite = Y + Usin(Fsc t) + Vcos(Fsc t)

24 Digitalização TV analógica é um sinal contínuo
TV digital utiliza valores numéricos discretos O sinal é amostrado As amostras são quantizadas Pequenas regiões discretas são digitalizadas A imagem é representada por um array 2-dimensional de pixéis

25 Tamanhos da imagem 160 352 720 800 1152 1280 1920 120 240 601 (300Kp)
QSIF (19Kp) 120 SIF (82Kp) 240 601 (300Kp) 483 SVGA (500Kp) 600 ATV (1Mp) 720 Workstation (1Mp) 900 HDTV (2Mp) 1080

26 Imagens de estações de trabalho
[1 Mega Pixel] 1152 x 900 = 1,036,800 pixels [xvga] 1024 x = 786,432 pixels [?] x = 1,310,720 pixels

27 Representações de vídeo digital
Digital Composite Video(D2/D3,SMPTE 244M) 142 Mb/s data rate, em paralelo ou em série Sinais de cor sub-amostrados 4:2:2 Digital Component Video(D1/D5,SMPTE RP125) Mantém sinais separados para luma e chroma 270 Mb/s data rate, em paralelo ou em série Compressed Digital Video MPEG, MJPEG, H.26x, DV, …

28 Sub-amostragem cromática digital (estrutura de blocos)

29 (Nota: MPEG coded streams are 1.5-80 Mbs)
O que é video data rate? Digital 720x483 = 347,760 pixels/frame A amostragem 4:2:2 dá 695,520 bytes/frame 21 MB/sec (167 Mbs) A amostragem 4:4:4 dá 250 Mbs ATV (MPEG 1280x720 = 921,600 pixels/frame A amostragem 4:2:0 dá 1,382,400 bytes/frame 41 MB/sec (328 Mbs) (Nota: MPEG coded streams are Mbs)

30 O que é video data rate? (cont.)
ATSC (720P) 720x1280 = 921,600 pixels/frame A amostragem 4:2:2 = 1,843,200 bytes/frame 24 fps = 44,236,800 bytes per second  44 MB/s = 354 Mbs ATSC (studio 1080I) 1080x1920 = 2,073,600 pixels/frame A amostragem 4:4:4 = 6,220,800 bytes/frame 30 fps = 186,624,000 bytes/second 187MB/s = 1.5 Gbs

31 Taxa de dados vídeo digital em série
Vídeo digital em série é uma norma de transporte de vídeo Largamente usada em estúdios de produção e de emissão/difusão Taxas de dados NTSC SDI aproximadamente 200 Mbs ATSC SDI aproximadamente 1.5 Gbs Routing Switcher Recorde-se que um recurso típico em redes de computadores é um 256x256 routing switcher Qual é a taxa de dados através do switch?

32 Percepção humana Movimento suave Seres humanos muito sensíveis a
Depende do material em movimento Grande parte da acção é percebida a níveis suaves de 24 fps Seres humanos muito sensíveis a Baixas frequências Mudanças na luminância e no sub-espectro azul-laranja Visão dá realce à detecção de arestas Forte propensão para as linhas horizontais e verticais Mascaramento visual face a grandes alterações de luminância

33 Produção de vídeo de alta qualidade
É necessária câmera de alta qualidade S-Video(SVHS, Hi8mm) melhor que vídeo composto 3 chips melhor que 1 chip Digital melhor que analógico Luzes, luzes, luzes … Experimente produzir vídeo com filtros para alterar as cores Construa cenas a partir de ângulos diferentes para criar estimulação visual Estude técnicas de filme/vídeo Deixe a pessoa sair de cena sem mover a câmera Mantenha a orientação correcta das imagens Mude de cena para reflectir a mudança temporal

34 Conclusões NTSC/PAL foram excelentes normas que duraram cerca de 50 anos A tecnologia mudou duma forma completa durante este espaço de tempo A revolução digital está a mudar a indústria O impacto principal está no desenvolvimento da norma ATSC A revolução Internet está também a mudar a indústria Webcasting versus emissão/difusão para o mercado de massas Wireless versus cable versus transmissão de pacotes FIM