Elementos de TV Digital e HDTV -TV de Alta Definição

Apresentação em tema: "Elementos de TV Digital e HDTV -TV de Alta Definição"— Transcrição da apresentação:

1 Elementos de TV Digital e HDTV -TV de Alta Definição
Guido Stolfi Departamento de Telecomunicações Escola Politécnica - USP ã G.S 2002

2 Evolução Tecnológica e Motivações
Características da TV convencional e Hi-Vision Compatibilidade PC x TV Considerações sobre meios de visualização Televisão Digital: SDTV e HDTV Compressão de Vídeo e Áudio Transmissão Digital ATSC, COFDM, ISDB-T

3 Justificativas Tecnológicas Motivação
1- Evolução Justificativas Tecnológicas Motivação ã G.S 2002

4 Evolução Tecnológica: Cinema  TV
Cinematógrafo 1925 – Primeiras Transmissões Experimentais Cinema falado 1928 – TV Comercial Cinema a Cores 1941 – Padrão “M” “Wide Screen” 1954 – TV a Cores NTSC Cinema em 3-D 1986 – TV Estéreo “IMAX” 1989 – “Hi-Vision” ã G.S 2002

5 Critérios para Dimensionamento dos Parâmetros de Imagem da TV
Aplicação (O que deve ser mostrado na imagem) Acuidade Visual (O que o olho consegue discernir) Limitações Tecnológicas (O que é viável transmitir)

6 A Aplicação da Televisão Como Entretenimento

7 Amostragem de Uma Imagem em Movimento
u = f (x, y, t)

8 Condições de Visualização da TV
640 pontos Elemento de Imagem (pixel) 1 minuto de grau A = 480 linhas 7 x A

9 Padrão “M”: um Sistema Viável
60 Imagens por segundo Determinado por critérios de cintilação e interferências c/ rede elétrica Entrelaçamento 2:1 Ângulo de visualização: ~10 graus (horiz.) Relação de Aspecto: 4:3 480 linhas visíveis 640 elementos de imagem por linha Baseado no limite de acuidade visual de 1’

10 Requisitos de Banda Passante
60 quadros por segundo, 240 linhas x 640 pixels 1 pixel = 1 semiciclo da maior freqüência necessária

11 Modulação Vestigial (VSB)
4,2 MHz -4,2 MHz Vídeo Composto (Banda Base) +4,2 MHz -0,75 MHz +4,5 MHz fo Modulação AM Modulação VSB + Áudio 6 MHz

12 Estagnação do Mercado de TV na Década de 80
Patentes Expiradas Margens de Lucro Reduzidas Concorrência Acirrada Saturação do Espectro de Radiodifusão Incompatibilidade com Cinema “Wide Screen”

13 Ocupação da Banda de UHF
Devido à susceptibilidade de interferências nos receptores, a ocupação dos canais de UHF é muito rarefeita. Em 1981, a FCC realoca os canais 70 a 83 de UHF para a telefonia celular. N-1, N+1, N+7, N+8, N+14, N+15 N Canais com Interferência Canal transmitindo

14 Ameaça à Expansão da TV Comercial (final dos anos 80)
Restrições de alocação de freqüências comprometem a expansão das emissoras de TV. FCC pretende realocar mais canais de TV para serviços de comunicação móvel. TV contra-ataca pedindo banda para um novo serviço: a TV de Alta Definição.

15 “Hi-Vision” (NHK: ) 1035 Linhas Ativas Relação de Aspecto 16:9 60 Imagens por segundo Entrelaçamento 2:1 Ângulo de Visualização: 30 graus (hor.) Banda Passante: >20 MHz

16 Hi-Vision (NHK, 1985) NHK

17 Dimensionamento do Ângulo de Visualização para HDTV

18 Ocupação do Campo Visual

19 Relação de Aspecto da HDTV
Compatibilidade com imagens 4:3 16 4 ´ 3 4 ´ 3 (12 ´ 9) 4 ´ 3 9 4 ´ 3

20 Relação de Aspecto da HDTV
Compatibilidade com formatos de Cinema

21 Comparação do Campo Visual TV ´ HDTV
NHK

22 Diferenças de Enquadramento
TV NHK HDTV

23 Dimensões Ideais da Tela
75 x 130 cm (60”) 30 x 40 cm (20”) 2,5 m 100 x 190 cm (85”) 45 x 60 cm (29”) 3,5 m 150 x 260 cm (120”) 61 x 82 cm (40”) 5 m 48 x 85 cm (38”) 21 x 28 cm (14”) 1,6 m 23 x 45 cm (20”) 10 x 13 cm (6”) 80 cm HDTV TV Convencional Distância de Observação

24 TV de “Mesma Definição”
1080 480 1’ 640 1920

25 Requisitos de Implantação da HDTV
Equipamentos de produção (câmeras, VT’s, efeitos, etc.) Cenografia, iluminação Direção, interpretação Programação adequada ao meio

26 Implantação da HDTV nos EUA: Concessões da FCC
1 canal adicional, não contíguo, para transmissão de HDTV Transmissão em “Simulcast” Canal adicional sujeito a interferências de TV convencional Canal adicional não pode interferir na TV convencional.

27 Propostas Analógicas de HDTV
Ex.: Philips HDS-NA (1989)

28 Philips HDS-NA

29 Testes Preliminares nos EUA
 Propostas Analógicas de HDTV com canal adicional não tem desempenho satisfatório. O uso de processamento digital é a única saída viável para comprimir a informação de HDTV em um canal de comunicação de 6 MHz (ex.: proposta General Instruments). Enquanto a HDTV aguardava definições, a tecnologia desenvolvida encontrou aplicação imediata na Televisão Convencional, com atrativos como multiplicar a capacidade do canal de comunicação e permitir serviços adicionais.

30 Transmissão Analógica x Digital
 1 Programa de TV Convencional 1 Canal analógico de 6 MHz (AM-VSB)  1 Programa de TV Convencional 1 Canal digital de 25 MHz (ex.: QAM)

31 Transmissão Digital com Compressão
6 Programas de TV ou  1 Canal digital de 6 MHz 1 Programa de HDTV

32 Decisão da HDTV nos EUA Quatro propostas digitais são testadas; FCC não se decide por nenhuma Prevendo fracasso comercial, os 4 proponentes apresentam uma proposta única, a “Grande Aliança” FCC homologa proposta (sistema ATSC), que inclui compressão e transporte MPEG, áudio AC-3 e transmissão 8-VSB, e estabelece prazo (2006) para fim das transmissões analógicas.

33 2- Compatibilidade PC x TV
Convergência Condições de Uso Condições de Visualização

34 Previsão do Futuro... “Dentro de 3 anos não teremos mais aparelhos de TV, apenas computadores com telas de alta qualidade e programação digital, recebendo ABC, NBC, HBO, BBC e qualquer coisa que pudermos imaginar.” (Andrew Lippman – Diretor, MIT Media Lab )

35 PC x TV Digital: Elementos Comuns
“Display” (Cinescópio, LCD etc.) Processamento Digital Som Controle (“data entry”)

36 Objetivo do PC: Manipulação de Documentos
Interatividade, análise e criação de informação textual e visual Metáfora: Mesa de Trabalho

37 Objetivo da Televisão: Entretenimento Áudio-visual
Percepção de realidade virtual obtida através da ilusão dos sentidos (visão e audição), especialmente através de imagens em movimento. Metáfora: Janela para o Mundo

38 Processos Visuais para Determinação de Distância
Foco Ocular Visão Binocular / Disparidade Paralaxe de Movimento Fator de Escala de Objetos Conhecidos Texturas e Saturação

39 Foco Ocular Informação intensa para curtas distâncias (< 1m)

40 Visão Binocular Informação fortíssima para curtas distâncias (dentro do alcance físico); decresce até distâncias médias (< 100 m)

41 Paralaxe de Movimento Depende da amplitude do movimento; em condições de visualização normal é intensa para distâncias curtas (< 10 m)

42 Fator de Escala Forte para qualquer distância (centímetros a quilômetros); depende de aprendizado 1m 500m

43 Texturas / Saturação Estimativa razoável para distâncias longas (até vários km) Muito longe Longe Perto

44 Diferenças na Percepção de Distâncias
50 cm 2,5 metros

45 PC ¹ TV Televisão: Janela para o mundo PC: Mesa de Trabalho
Imagens reais Entretenimento Ilusão de realidade Receptividade Coletividade Escuro PC: Mesa de Trabalho Imagens artificiais Leitura / escrita Criação / desenho Interação Interpretação Individualidade Claro

46 Conceitos Compressão de Dados
3- Televisão Digital Conceitos Compressão de Dados

47 Joe Flaherty, vice-presidente de
Previsão do Futuro... “Nós teremos Televisão Digital no mesmo dia que tivermos a máquina de anti-gravidade”. Joe Flaherty, vice-presidente de Tecnologia da CBS, 1989

48 Do Que é Feita a TV Digital
Amostragem + Quantização Compressão de Dados Formatação de Dados Transmissão Digital

49 Elementos de um Sistema de Comunicação Digital

50 Necessidade de Compressão de Dados
Padrão D-1 (CCIR 601): 1 linha = 720 amostras de Luminância + 2× 360 amostras de crominância 720 pixels/linha × 482 linhas × 30 frames = pixels/s × 8 bits × ( 1 + 1/2 + 1/2) = 166,58 Mbit/s Padrão D-2 (Digital Composto): 1 linha = 51ms ; Taxa de Amostragem = 14,31818 MHz 14,31818 MHz × 51 ms = 730 amostras / linha × 482 linhas × 30 frames = amostras/s × 8 bits = 84,45 Mbit/s Padrão D-6 (HDTV Digital): 1920 pixels × 1080 linhas × 30 frames = pixels/s × 8 bits (1 + 1/2 + 1/2) = 995 Mbit/s

51 Capacidade de Canais para Comunicação Digital
Cabo Coaxial (Modulação 64-QAM) Relação Sinal/Ruído Maior que 30 dB Taxa Bruta: 43 MBits/s Taxa Líquida: 38 MBits/s Radiodifusão / UHF (Modulação 8-VSB) Relação Sinal/Ruído Maior que 15 dB Taxa Bruta: 38 MBits/s Taxa Líquida: 19 MBits/s Satélite DTH (Direct to Home) (Modulação QPSK) Taxa Bruta: 40 MBits/s Taxa Líquida: 18 MBits/s

52 Conclusão: HDTV Digital = 1 Gb/s Capacidade do Canal = 18 Mb/s Precisa de uma Taxa de Compressão de 50:1 !

53 Codificador “Com Perdas”
Sinal reconstruído não é exatamente igual ao sinal transmitido; Objetivo: eliminar informação a ser transmitida, desde que o erro de reconstrução seja imperceptível em condições normais de visualização.

54 Codificador de Fonte com Preditor

55 Preditor Ordem Zero: “Frame Store”
Anterior Atual Erro de Predição (diferença entre as duas imagens) (referência)

56 Diferença Entre Imagens Sucessivas

57 Preditor com Compensação de Movimento
Anterior Atual Erro de Predição (referência) (sem compensação) Vetor de Movimento Predição Erro de Predição (com compensação) (com compensação)

58 Compensação de Movimento
Sem Compensação de Movimento Com Compensação de Movimento

59 MPEG: Moving Pictures Experts Group
Participantes: ISO IEC ITU EBU SMPTE ATSC

60 Padrões MPEG ISO/IEC 11172a (MPEG-1) Imagens não entrelaçadas
Compensação de Movimento DCT + Quantização + RLE / Huffman Objetivo: taxas de até 1,5 Mbit/s Videoconferência, multimídia Áudio Estereofônico

61 Padrões MPEG ISO 13818-1 (Sistema / Transporte MPEG-2)
Pacotes de comprimento fixo Fluxo de Dados Multi-programa ISO (Codificação MPEG-2 Vídeo) Imagens entrelaçadas Taxas até 20 a 100 Mb/s ISO (Codificação MPEG-2 Áudio) 5.1 canais Quantização adaptativa / sub-bandas

62 Codificador MPEG

63 Preditor MPEG com Compensação de Movimento
Erro de Reconstrução Compensador de Movimento Vetores de Movimento Imagem Compensada Imagens de Referência Imagem Reconstruída

64 Predição de Movimento Bidirecional
Ex.: Movimento de Câmera (Translação) Predição progressiva Predição regressiva Imagem anterior Imagem atual Imagem futura

65 Grupos de Imagens em MPEG

66 Transformada Discreta de Cossenos (DCT)

67 Primitivas da Transformada Discreta de Cossenos (DCT)

68 Quantização dos Coeficientes
83 69 56 46 38 35 29 27 34 26 58 48 40 32 22 37 39 19 24 16 8 Q(u,v) = (Imagens tipo I )

69 Exemplo de Codificação DCT
52 55 61 66 70 64 73 63 59 90 109 85 69 72 62 68 113 144 104 58 71 122 154 106 67 126 88 79 65 60 77 75 83 87 76 78 94 Bloco 8 x 8

70 Coeficientes DCT -1 -2 1 -3 2 -4 3 -10 -13 -8 11 6 -9 -15 35 13 -50 -5
-2 1 -3 2 -4 3 -10 -13 -8 11 6 -9 -15 35 13 -50 -5 7 10 -30 -25 77 8 -46 -6 -7 9 -62 -21 -20 55 25 -29 -415

71 Coeficientes DCT Quantizados
1 -1 2 -2 5 -4 -3 -26

72 Reordenação em Zig-zag
[ EOB ]

73 Codificação RLE (Run-Length Encoding )
Número de zeros anteriores Valor do coeficiente 1o. coeficiente [ /-3 1/-2 0/-1 0/-3 0/1 0/-4 1/-2 0/1 1/5 1/1 3/2 6/-1 EOB ] Símbolo

74 Codificação Huffman por Tabela de Códigos
-26 0/±3 Sinal(-) EOB Total: 87 bits (Compressão: 5,9 :1)

75 Reconstrução da Imagem
Imagem Reconstruída Imagem Original

76 Efeitos da Compressão (DCT+Quantização)
Imagem Original (40x40) Imagem Comprimida ~20:1

77 Efeitos em Blocos Típicos

78 Compensação de Movimento por Blocos

79 Perfis MPEG-2 Todos os recursos e codificação 4:2:2 (Dobro de amostras de Crominância) Alto (HP) Codificação Hierárquica com níveis diferentes de prioridade para imagem 4x3 e 16x9 Escalável Espacial (SSP) Codificação Hierárquica com níveis diferentes de prioridade para imagem básica e detalhes Escalável em SNR (SNRP) Predição bidirecional ( Quadros tipo B) Principal (MP) Nenhum (Sistema Mínimo) Simples (SP) Recursos Adicionais Perfil

80 Níveis de Desempenho MPEG-2
20 ~ 100 Mb/s 1080 Linhas x 1920 Pontos (Formato HDTV - Qualidade Estúdio) Alto (HL) 20 ~ 60 Mb/s 1080 Linhas x 1440 Pontos (Formato HDTV) Alto-1440 (H14L) 4 ~ 6 Mb/s 480 Linhas x 720 Pontos ( CCIR Qualidade Estúdio p/ TV Convencional) Principal (ML) ~1,5 Mb/s 240 Linhas x 360 Pontos ( qualidade VHS) Baixo (LL) Taxa de Bits Formato de Vídeo Nível

81 Exemplos de Formatos MPEG-2
= Multimídia, Vídeo-Conferências (~ MPEG-1) = SDTV ( Ex.: DirecTV, DigiSat, DVB ) = Radiodifusão Terrestre HDTV

82 Transporte de Dados: Estrutura do Pacote MPEG-2
Vídeo 1 Vídeo 1 Áudio 1 Vídeo 1 Áudio 2 Vídeo 1

83 Estrutura do “Header”

84 Descrição do PID (Packet Identifier)
Tipo de Pacote: 0h = Mapa de Programa 1h = Vídeo 4h = Áudio Principal 5h = Áudio Secundário Ah = Dados  tttt Número do Programa ( ) pppppppp Programa TV / Outros x

85 Multiplexação de Programas

86 Padrão ITU-T H.264 Finalizado em Março de 2003 e aprovado pelo ITU-T em Maio de 2003 Padrão Internacional ou MPEG-4 part 10 AVC (Advanced Video Coder) do ISO/IEC Complexidade computacional: ~5x MPEG-2 Ganho de até 50% na taxa de bits em relação ao MPEG-2

87 Características do H.264 Preditor linear bidimensional para blocos tipo I Blocos 16 x 16, 16 x 8, 8 x 8, 8 x 4, 4 x 4 Transformada Inteira 4 x 4 Filtro anti-blocagem Codificação Aritmética Complexidade computacional: ~5x MPEG-2

88 Filtro Anti-blocagem

89 Codificação Perceptual MPEG / AC-3
4 - Compressão de Áudio Codificação Perceptual MPEG / AC-3

90 Sensibilidade do Ouvido Humano

91 Mascaramento Nível do Estímulo (dB) Limiar de Mascaramento

92 Codificação por Sub-bandas

93 Codificador MPEG-Áudio

94 Modelo Psico-Acústico

95 Cálculo do Limiar de Mascaramento

96 Codificador Dolby AC-3

97 Desempenho dos Codificadores
45 ms 290 kb/s 3,53 Mb/s 12:1 5.1 DOLBY AC-3 384 kb/s 10:1 MPEG-2 / III >80 ms 128 kb/s 1,41 Mb/s 8:1 2 MPEG-1 / III >40 ms 256 kb/s 1,54 Mb/s 6:1 MPEG-1 / II (MUSICAM) 292 kb/s 5:1 ATRAC 19 ms 4:1 MPEG-1 / I Atraso A/D/A Taxa Comprimida Taxa Original Taxa Média de Compressão Canais Padrão de Compressão

98 MPEG-2 AAC (Advanced Audio Coding)
Derivado do MPEG-2 Nível III 1 a 48 canais de áudio 8 a 96 kHz de amostragem Patentes: AT&T, Sony, Dolby, Fraunhofer Usado no sistema ISDB, XM Radio e DRM Low Complexity AAC (AAC-LC) High Efficiency (HE-AAC ou “AACPlus” Scalable Sample Rate (AAC-SSR) Bit Sliced Arithmetic Coding (BSAC)

99 Diferenças do AAC x MPEG-2
Banco de filtros implementado por DCT modificada, 1024 pontos (Processamento T / F) Não é compatível com MPEG-1 Utiliza preditor linear para pré-codificação Efetua “Noise Shaping” adaptativo Pode utilizar replicação espectral (SBR) Otimização da codificação estatística dos símbolos transmitidos Resultado: redução de 50% na taxa de bits

100 Benefícios Sistemas Propagação
5 – Transmissão Digital Benefícios Sistemas Propagação

101 Limitações da Transmissão Analógica
Degradações causadas pelo Canal de Comunicação: -Distorção (Não-linearidade) -Ruído (Aditivo; aleatório e impulsivo) -Perdas (Atenuação, Limitação de Banda Passante, "Fading") -Interferências (Aditivas, de origem humana)

102 Transmissão Digital: Taxa de Erros x Relação Sinal/Ruído
QPSK:

103 Qualidade de Imagem x Relação S/R
Aparente S/N (dB)

104 Benefícios da Correção de Erros
Qualidade Aparente S/R (dB)

105 Transmissão Digital: Benefícios
Compatibilidade de Meios de Transmissão

106 Transmissão Digital: Benefícios
Compatibilidade de Serviços

107 Transmissão Digital: Benefícios
Melhor aproveitamento do espectro Canais Analógicos Canais Analógicos + Digitais

108 Espectro de Radiodifusão (Analógica + Digital)
(UHF – Londres)

109 Transmissão Digital: Benefícios
Melhor aproveitamento geográfico Área de Cobertura Área de Interferência Potencial Transmissão Analógica Transmissão Digital

110 Sistema ATSC – Codificação de Fonte e Transporte

111 Sistema ATSC – Codificação de Canal e Modulação

112 Codificador Convolucional e Mapeador 8-VSB

113 Segmento Multinível com Piloto e Sincronismo

114 Desempenho do Sistema ATSC

115 Envoltória e Espectro do 8-VSB

116 Multi-percurso e Equalização
SINAL RECEBIDO SINAL PROCESSADO Dt1 k1 k2 kn Dt2 Dtn SINAL TRANSMITIDO Dt1 -k1 Dt2 -k2 Dtn -kn Modelo da Distorção por Multi-percurso Equalizador Adaptativo no Receptor

117 Cancelamento de Eco pelo Equalizador
SINAL TRANSMITIDO SINAL RECEBIDO COM ECOS SINAL PROCESSADO

118 Efeitos Adversos do Equalizador
RUÍDO IMPULSIVO RECEBIDO RUÍDO PROCESSADO

119 Modulação COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex)

120 Banda de cada Portadora
Espectro do Sinal OFDM K Portadoras Independentes Banda de cada Portadora f f Banda Total Ocupada Espaçamento 1 / TU  TU Modulação de cada Portadora TS

121 Espectro do OFDM Após Supressão do Intervalo de Guarda no Receptor
Espaçamento 1 / TU  TU TS

122 Efeito de Multi-percurso no OFDM
TX2 TX1 RX p1 p2 p3 a1, 1 a2,  2 a3,  3 ax,  x tx TU f

123 Envoltória de um Sinal OFDM (6000 Portadoras)

124 Diagrama Tempo/Freqüência
Símbolo f a t ..... Banda ocupada

125 Sistema ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting – Terrestrial)
EXEMPLO 1 EXEMPLO 2 EXEMPLO 3 HDTV SDTV 1 móvel Áudio SDTV 2 móvel Áudio ou estacionária estéreo ou estacionária estéreo INTERCALAMENTO INTERCALAMENTO 5,6 MHz 5,6 MHz 432 kHz 432 kHz RECEPTOR RECEPTOR RECEPTOR ÁUDIO INTEGRADO MÓVEL PORTÁTIL

126 Formas de Onda (I / Q, 1 Portadora, Símbolos Consecutivos)
PTC2547

127 Formas de Onda (I / Q, Portadora TMCC)
PTC2547

128 Formas de Onda (I / Q, Intervalo de Guarda 1/4 Suprimido)
PTC2547

129 Formas de Onda (I / Q, Intervalo de Guarda 1/4)
PTC2547

130 Representação Vetorial (I / Q)
PTC2547

131 Espectro e Formas de Onda (Escala Expandida)
PTC2547

132 Transmissão Digital (TVGlobo, Canal 18, 29/05/07)
PTC2547

133 Constelação 64-QAM + Piloto (12 Seg., Layer B)
PTC2547

134 Constelação QPSK + Piloto (1Seg., Layer A)
PTC2547

135 Recepção “Indoor” de TV Digital
PTC2547

136 Equalização do Canal “Indoor”
PTC2547

137 Comparação entre 8-VSB e COFDM
Communications Lab

138 Comparação na Presença de Efeito Doppler
SET- ABERT 2000 PTC2547

139 Tendência Futura: Receptor Multi-padrão
Processamento Digital de Sinais pode implementar qualquer sistema Vídeo Processador Digital Tuner A/D Áudio Memória

140 UHDV – Ultra High Definition Video (2005)
4320 1080 >90O 1920 7680

141 UHDV – Ultra High Definition Video (NHK-2005)

142 Sistemas de Radiodifusão de TV no Mundo
Apêndice Sistemas de Radiodifusão de TV no Mundo

143 O Brasil no Mundo da TV País Aparelhos de TV/1000 hab Aparelhos de TV
% total mundial % total 60 Hz China 380 28,4 - Estados Unidos 854 14,7 47,1 Índia 98 6,3 Japão 725 5,2 16,8 Brasil 360 3,8 12,2 Rússia 421 3,4 Alemanha 586 2,7 Inglaterra 653 2,2 França 628 2,1 Indonésia 149 1,9

144 Sistemas de TV: Distribuição Mundial
60 Hz 550 mi 31% 50 Hz 1228 mi 69%

145 Sistemas de TV em 60 Hz NTSC/Jp NTSC PAL-M

146 Sistemas de TV em 50 Hz

147 Sistemas de TV Digital (Potencial)

148 Plano Básico de Canalização Digital (Anatel)

149 Plano Básico de Canalização – SP (Anatel)

150 Laerte