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G.S 2008 1 Elementos de TV Digital e HDTV - TV de Alta Definição Guido Stolfi Departamento de Telecomunicações Escola Politécnica - USP G.S 2002.

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

2 G.S 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 G.S Evolução Justificativas Tecnológicas Motivação G.S 2002

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

5 G.S 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 G.S A Aplicação da Televisão Como Entretenimento

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

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

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

11 G.S 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 0 6 MHz

12 G.S 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 G.S 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+15N Canais com InterferênciaCanal transmitindo

14 G.S 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 G.S 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 G.S Hi-Vision (NHK, 1985) NHK

17 G.S Dimensionamento do Ângulo de Visualização para HDTV

18 G.S Ocupação do Campo Visual

19 G.S Relação de Aspecto da HDTV Compatibilidade com imagens 4:3 4 3 (12 9)

20 G.S Relação de Aspecto da HDTV Compatibilidade com formatos de Cinema

21 G.S Comparação do Campo Visual TV HDTV NHK

22 G.S Diferenças de Enquadramento NHK HDTV TV

23 G.S 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 HDTVTV ConvencionalDistância de Observação

24 G.S TV de Mesma Definição

25 G.S Requisitos de Implantação da HDTV Equipamentos de produção (câmeras, VTs, efeitos, etc.) Cenografia, iluminação Direção, interpretação Programação adequada ao meio

26 G.S 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 G.S Propostas Analógicas de HDTV Ex.: Philips HDS-NA (1989)

28 G.S Philips HDS-NA

29 G.S 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 G.S 2008 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 G.S 2008 Transmissão Digital com Compressão 6 Programas de TV ou 1 Programa de HDTV 1 Canal digital de 6 MHz

32 G.S 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 G.S Compatibilidade PC x TV Convergência Condições de Uso Condições de Visualização

34 G.S 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 G.S PC x TV Digital: Elementos Comuns Display (Cinescópio, LCD etc.) Processamento Digital Som Controle (data entry)

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

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

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

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

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

42 G.S Fator de Escala Forte para qualquer distância (centímetros a quilômetros); depende de aprendizado 1m500m

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

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

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

46 G.S Televisão Digital Conceitos Compressão de Dados

47 G.S 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 G.S Do Que é Feita a TV Digital Amostragem + Quantização Compressão de Dados Formatação de Dados Transmissão Digital

49 G.S Elementos de um Sistema de Comunicação Digital

50 G.S 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 = 51 s ; Taxa de Amostragem = 14,31818 MHz 14,31818 MHz × 51 s = 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 G.S 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 Capacidade de Canais para Comunicação Digital

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

53 G.S 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 G.S Codificador de Fonte com Preditor

55 G.S Preditor Ordem Zero: Frame Store AnteriorAtual Erro de Predição (diferença entre as duas imagens) (referência)

56 G.S Diferença Entre Imagens Sucessivas

57 G.S Preditor com Compensação de Movimento Erro de Predição (sem compensação) Vetor de Movimento Predição (com compensação) Erro de Predição (com compensação) AnteriorAtual (referência)

58 G.S Compensação de Movimento Sem Compensação de Movimento Com Compensação de Movimento

59 G.S MPEG: Moving Pictures Experts Group Participantes: –ISO –IEC –ITU EBU SMPTE ATSC

60 G.S 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 G.S Padrões MPEG ISO (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 G.S Codificador MPEG

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

64 G.S Predição de Movimento Bidirecional Ex.: Movimento de Câmera (Translação) Imagem anteriorImagem atualImagem futura Predição regressiva Predição progressiva

65 G.S Grupos de Imagens em MPEG

66 G.S Transformada Discreta de Cossenos (DCT)

67 G.S 2008 P 0,0 P 0,7 P 7,0 P 7,7 P 1,0 Primitivas da Transformada Discreta de Cossenos (DCT)

68 G.S Quantização dos Coeficientes Q(u,v) = (Imagens tipo I )

69 G.S 2008 Exemplo de Codificação DCT Bloco 8 x 8

70 G.S Coeficientes DCT

71 G.S Coeficientes DCT Quantizados

72 G.S Reordenação em Zig-zag [ EOB ]

73 G.S Codificação RLE ( Run-Length Encoding ) [ -26 0/-3 1/-2 0/-1 0/-3 0/1 0/-4 1/-2 0/1 1/5 1/1 3/2 6/-1 EOB ] 1o. coeficiente Número de zeros anteriores Valor do coeficiente Símbolo

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

75 G.S 2008 Reconstrução da Imagem Imagem Original Imagem Reconstruída

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

77 G.S Efeitos em Blocos Típicos

78 G.S Compensação de Movimento por Blocos

79 G.S 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 AdicionaisPerfil

80 G.S 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/s480 Linhas x 720 Pontos ( CCIR Qualidade Estúdio p/ TV Convencional) Principal (ML) ~1,5 Mb/s240 Linhas x 360 Pontos ( qualidade VHS) Baixo (LL) Taxa de Bits Formato de VídeoNível

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

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

83 G.S Estrutura do Header

84 G.S 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 G.S Multiplexação de Programas

86 G.S 2008 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 G.S 2008 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 G.S 2008 Filtro Anti-blocagem

89 G.S Compressão de Áudio Codificação Perceptual MPEG / AC-3

90 G.S Sensibilidade do Ouvido Humano

91 G.S Mascaramento Nível do Estímulo (dB) Limiar de Mascaramento

92 G.S Codificação por Sub-bandas

93 G.S Codificador MPEG-Áudio

94 G.S Modelo Psico-Acústico

95 G.S Cálculo do Limiar de Mascaramento

96 G.S Codificador Dolby AC-3

97 G.S Desempenho dos Codificadores 45 ms290 kb/s3,53 Mb/s12:15.1DOLBY AC kb/s3,53 Mb/s10:15.1MPEG-2 / III >80 ms128 kb/s1,41 Mb/s8:12MPEG-1 / III >40 ms256 kb/s1,54 Mb/s6:12MPEG-1 / II (MUSICAM) 292 kb/s1,41 Mb/s5:12ATRAC 19 ms384 kb/s1,41 Mb/s4:12MPEG-1 / I Atraso A/D/A Taxa Comprimida Taxa Original Taxa Média de Compressão CanaisPadrão de Compressão

98 G.S 2008 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 G.S 2008 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 G.S – Transmissão Digital Benefícios Sistemas Propagação

101 G.S 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 G.S Transmissão Digital: Taxa de Erros x Relação Sinal/Ruído QPSK:

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

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

105 G.S Transmissão Digital: Benefícios Compatibilidade de Meios de Transmissão

106 G.S Compatibilidade de Serviços Transmissão Digital: Benefícios

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

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

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

110 G.S Sistema ATSC – Codificação de Fonte e Transporte

111 G.S Sistema ATSC – Codificação de Canal e Modulação

112 G.S Codificador Convolucional e Mapeador 8-VSB

113 G.S Segmento Multinível com Piloto e Sincronismo

114 G.S Desempenho do Sistema ATSC

115 G.S Envoltória e Espectro do 8-VSB

116 G.S Multi-percurso e Equalização t1 k1 k2 kn t2 tn SINAL TRANSMITIDO Equalizador Adaptativo no Receptor t1 -k1 -k2 -kn t2 tn SINAL PROCESSADO SINAL RECEBIDO Modelo da Distorção por Multi-percurso

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

118 G.S Efeitos Adversos do Equalizador RUÍDO IMPULSIVO RECEBIDO RUÍDO PROCESSADO

119 G.S Modulação COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex)

120 G.S Espectro do Sinal OFDM TUTU TSTS Modulação de cada Portadora Espaçamento 1 / T U K Portadoras Independentes Banda Total Ocupada Banda de cada Portadora ff

121 G.S Espectro do OFDM Após Supressão do Intervalo de Guarda no Receptor TUTU TSTS Espaçamento 1 / T U f

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

123 G.S Envoltória de um Sinal OFDM (6000 Portadoras)

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

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

126 G.S 2008 PTC / 149 Formas de Onda (I / Q, 1 Portadora, Símbolos Consecutivos)

127 G.S 2008 PTC / 149 Formas de Onda (I / Q, Portadora TMCC)

128 G.S 2008 PTC / 149 Formas de Onda (I / Q, Intervalo de Guarda 1/4 Suprimido)

129 G.S 2008 PTC / 149 Formas de Onda (I / Q, Intervalo de Guarda 1/4)

130 G.S 2008 PTC / 149 Representação Vetorial (I / Q)

131 G.S 2008 PTC / 120 Espectro e Formas de Onda (Escala Expandida)

132 G.S 2008 PTC / 149 Transmissão Digital (TVGlobo, Canal 18, 29/05/07)

133 G.S 2008 PTC / 149 Constelação 64-QAM + Piloto (12 Seg., Layer B)

134 G.S 2008 PTC / 149 Constelação QPSK + Piloto (1Seg., Layer A)

135 G.S 2008 PTC / 149 Recepção Indoor de TV Digital

136 G.S 2008 PTC / 149 Equalização do Canal Indoor

137 G.S Comparação entre 8-VSB e COFDM Communications Lab

138 G.S 2008 PTC / 149 Comparação na Presença de Efeito Doppler SET- ABERT 2000

139 G.S Tendência Futura: Receptor Multi-padrão Processamento Digital de Sinais pode implementar qualquer sistema TunerA/D Processador Digital Memória Vídeo Áudio

140 G.S 2008 UHDV – Ultra High Definition Video (2005) >90 O

141 G.S 2008 UHDV – Ultra High Definition Video ( NHK-2005 ) UHDV

142 G.S Apêndice Sistemas de Radiodifusão de TV no Mundo

143 G.S 2008 O Brasil no Mundo da TV PaísAparelhos de TV/1000 hab Aparelhos de TV % total mundial % total 60 Hz China ,4- Estados Unidos ,747,1 Índia ,3- Japão ,216,8 Brasil ,812,2 Rússia ,4- Alemanha ,7- Inglaterra ,2- França ,1- Indonésia ,9-

144 G.S 2008 Sistemas de TV: Distribuição Mundial 50 Hz 1228 mi 69% 60 Hz 550 mi 31%

145 G.S 2008 Sistemas de TV em 60 Hz NTSC PAL-M NTSC/Jp

146 G.S 2008 Sistemas de TV em 50 Hz

147 G.S 2008 Sistemas de TV Digital (Potencial)

148 G.S 2008 Plano Básico de Canalização Digital (Anatel)

149 G.S 2008 Plano Básico de Canalização – SP (Anatel)

150 G.S Laerte


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