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Guido Stolfi 1 / 103 Formatos de Vídeo Digital Televisão Digital Guido Stolfi Mackenzie 4 / 2008.

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1 Guido Stolfi 1 / 103 Formatos de Vídeo Digital Televisão Digital Guido Stolfi Mackenzie 4 / 2008

2 Guido Stolfi 2 / 103 Degradações do Sinal Analógico Ruído : aleatório, cumulativo, inerente aos processos físicos envolvidos na eletrônica; Distorção não-linear : presente em todos os elementos ativos de circuitos, amplificadores, processadores, etc.; Interferências : ingresso de sinais indesejados, geralmente de origem humana; identificáveis, porém de difícil eliminação; Perdas : atenuações, limitações de resposta em freqüência, dispersão temporal, etc.

3 Guido Stolfi 3 / 103 Degradações do Sinal Analógico

4 Guido Stolfi 4 / 103 O Sinal Digital na TV Processamento de Sinal Armazenamento Transmissão Digital

5 Guido Stolfi 5 / 103 Processamento Digital Frame store: armazenamento digital para permitir congelamento de imagem, câmera lenta e replay Frame synchronizers: sincronizadores de sinais de vídeo com capacidade de compensar defasagens de até 1 quadro completo Conversores de padrões: transcrição entre sistemas com varreduras de 50 e 60 Hz, implementados com interpoladores e decimadores espacio-temporais

6 Guido Stolfi 6 / 103 Processamento Digital Equipamentos de telecinagem: conversão de 24 fotogramas para 60 campos por segundo através de interpolação Efeitos de transformações geométricas: mapeamento espacial de imagens, em tempo real, com mudança de coordenadas, deformações, perspectivas, etc. Redutores de ruído: baseados em filtragem temporal entre linhas e quadros consecutivos

7 Guido Stolfi 7 / 103 Processamento Digital "Time Base Corrector" (TBC): compensação de flutuações temporais de curta duração (Jitter), em equipamentos de VT Gravadores de vídeo digitais: evitam degradação cumulativa da relação sinal/ruído em sucessivas gerações (cópias) Edição não-linear: meios de armazenamento digital com acesso randômico a nível de quadros individuais, facilitam o processo de edição

8 Guido Stolfi 8 / 103 Processamento Digital no Receptor Cancelamento de ecos por multi-percurso (fantasmas): equalização adaptativa de canal no receptor de TV Decodificação de crominância : receptores para padrões múltiplos utilizando DSP Picture in Picture (PIP): decimação e transformações espaciais utilizando frame buffer

9 Guido Stolfi 9 / 103 Armazenamento Digital Servidores de Vídeo: bancos de Hard Disks com segmentos de programação, vinhetas, aberturas, etc. Bancos de Dados relacionais : indexação de conteúdo (ex.: MPEG-7) Compressão de Dados: arquivamento de massa (ex. MPEG-2, MPEG-4)

10 Guido Stolfi 10 / 103 Transmissão Digital (Não percam próximos capítulos..)

11 Guido Stolfi 11 / 103 Digitalização de Vídeo Amostragem Temporal (quadros) Amostragem Espacial Vertical (varredura) Amostragem Espacial Horizontal ( f A ) Quantização

12 Guido Stolfi 12 / 103 Relação Sinal / Ruído na Quantização f fSfS fVfV f S/2

13 Guido Stolfi 13 / 103 Relação S / R com Headroom V B -V P VTVT

14 Guido Stolfi 14 / 103 Ponderação pela MTF da Visão onde f 1 = 270kHz, f 2 = 1.37MHz e f 3 = 390kHz f

15 Guido Stolfi 15 / 103 Relação S / R de Quantização Total 8 bits fSfS 2 f V VTVT 100 IREMTF

16 Guido Stolfi 16 / 103 Amostragem da Luminância (sem fator Gama) Escala Linear em Lightness (Percepção Subjetiva de Intensidade)

17 Guido Stolfi 17 / 103 Amostragem da Luminância Sinal de Luminância quantizado

18 Guido Stolfi 18 / 103 Amostragem da Luminância Percepção correspondente ao sinal de luminância quantizado (sem fator gama)

19 Guido Stolfi 19 / 103 Amostragem da Luminância (com fator Gama) Escala Linear em Lightness (Percepção Subjetiva de Intensidade), corrigida por fator

20 Guido Stolfi 20 / 103 Amostragem da Luminância (com fator Gama) Sinal de Luminância com correção gama, quantizado

21 Guido Stolfi 21 / 103 Amostragem da Luminância (com fator Gama) Sinal de Luminância equivalente

22 Guido Stolfi 22 / 103 Amostragem da Luminância (com fator Gama) Percepção correspondente ao sinal de luminância quantizado (com fator gama)

23 Guido Stolfi 23 / 103 Critérios de Amostragem de Vídeo Vídeo é amostrado na forma perceptual (com correção Gama) Taxa de Amostragem obedece critério de Kell ( f A 3 f M ) para imagens naturais Filtro anti-aliasing não pode afetar os transientes espaciais (p. ex.: gaussiano )

24 Guido Stolfi 24 / 103 Estruturas de Amostragem Espacial

25 Guido Stolfi 25 / 103 Estruturas de Amostragem Espacial ITU-R Rec.601: 720 (H) x 480 i (V) CIF ( Common Intermediate Format ): 352 x 288 p QCIF ( 1/4 CIF ): 176 x 144 p VGA ( Video Graphics Array ): 640 x 480 p

26 Guido Stolfi 26 / 103 Estruturas de Amostragem Espacial HDTV ( SMPTE 274M ) – 1920 x 1080 i – 1280 x 720 p

27 Guido Stolfi 27 / 103 Estrutura de Amostragem 4 : 4 : 4 =Crominância= Luminância

28 Guido Stolfi 28 / 103 Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 2 =Crominância= Luminância ( Rec. 601 )

29 Guido Stolfi 29 / 103 Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (MPEG-2) =Crominância= Luminância

30 Guido Stolfi 30 / 103 Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (MPEG-1) =Crominância= Luminância

31 Guido Stolfi 31 / 103 Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (DV) =Crominância= Luminância

32 Guido Stolfi 32 / 103 Estrutura de Amostragem 4 : 1 : 1 =Crominância= Luminância

33 Guido Stolfi 33 / 103 Interfaces de Video Digital

34 Guido Stolfi 34 / 103 Rec. ITU-R Rec. 601 (D-1) Originalmente CCIR-601 Digital Components ou 4:2:2 Amostragem separada de Y, C B e C R f A = 13.5 MHz (Y) e 6.75 MHz ( C B, C R ) 8 bits ( extensão para 10 bits ) Interface física: ECL, balanceado, 8/10 bits + clock

35 Guido Stolfi 35 / 103 Rec. CCIR-601 (D-1) Componentes Analógicas: Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B P B = – 0,169 R – 0,331 G + 0,5 B P R = 0,5 R – 0,419 G – 0,081 B

36 Guido Stolfi 36 / 103 Rec. CCIR-601 (D-1) Componentes Digitalizadas: (8 bits)

37 Guido Stolfi 37 / 103 Estrutura de Amostragem D-1 (4:2:2) Y CBCB CRCR Seqüência de Amostras Componentes: ( B-Y ) ( R-Y ) 148 ns 74 ns CBCB CRCR CYCY CYCY CBCB CRCR CYCY CYCY

38 Guido Stolfi 38 / 103 Digitalização de uma Linha de Vídeo

39 Guido Stolfi 39 / 103 Intervalo de Retraço Horizontal D-1

40 Guido Stolfi 40 / 103 Bloco Delimitador de Amostras Ativas Bit Preâm- bulo Dados 1 Campo 0/1 Blank Vertical SAV / EAV P3P2P1P0

41 Guido Stolfi 41 / 103 Compatibilidade do D-1 para 50 / 60 Hz 720 amostras (C Y ) 144 Amostras s f V =59.94 Hz f H = kHz 720 amostras (C Y ) 138 Amostras 64.0 s RetraçoLinha visível f A = 13.5 MHz f V =50.0 Hz f H = kHz

42 Guido Stolfi 42 / 103 Padrão de Barras Digitalizado por D-1

43 Guido Stolfi 43 / 103 Padrão de Vídeo Digital D-2 Digital Composite Amostragem do Sinal de Vídeo Composto f A = MHz (4 x f SC ) 8 / 10bits Interface física: ECL, balanceado, 8/ 10 bits + clock (similar à D-1)

44 Guido Stolfi 44 / 103 Níveis de Quantização para D-2

45 Guido Stolfi 45 / 103 Padrão HDTV Digital (SMPTE 274 M) 1125 linhas totais (1080 ativas) 2200 amostras por linha (1920 ativas) Duração da Linha: s Interface Analógica: Componentes Y P B P R f A = MHz (Y) e MHz (P B,P R) 8 ou 10 bits Interface física: Serial, coaxial, 1,483 Gb/s

46 Guido Stolfi 46 / 103 Fator Gama para HDTV (ITU Rec. 709) ( V = R, G, B )

47 Guido Stolfi 47 / 103 Colorimetria para HDTV (ITU Rec. 709) Componentes Analógicas: Y = 0,2126 R + 0,7152 G + 0,0722 B P B = – 0, R – 0, G + 0,5 B P R = 0,5 R – 0, G – 0, B

48 Guido Stolfi 48 / 103 Padrão HDTV Digital (SMPTE 274 M)

49 Guido Stolfi 49 / 103 Colorimetria para HDTV (ITU Rec. 709) Componentes Digitalizadas:

50 Guido Stolfi 50 / 103 Conversão HDTV / SDTV Conversão de Rec. 709 para Rec. 601:

51 Guido Stolfi 51 / 103 Conversão HDTV / SDTV Conversão de Rec. 601 para Rec. 709:

52 Guido Stolfi 52 / 103 Interface Serial CCIR bits, serial 243 Mb/s (Y:U:V 4:2:2) Codificação de Grupo 8 / 9 bits Componente CC reduzida Cabo coaxial 75 Ohms, 1 Vpp

53 Guido Stolfi 53 / 103 Dicionário de Código de Grupo 8/9 CCIR 8 bits9 bits+9bits-8 bits9 bits+9bits- 000FE D9 021D8-3908C A02C1C3 041CC-3B (Trechos)

54 Guido Stolfi 54 / 103 Interface SDI (Serial Digital Interface) 10 bits 270 MB/s (Y:C B :C R 4:2:2) Codificação com embaralhamento (scrambler) Cabo Coaxial 75 Ohms, 800 mVpp Atenuação tolerada: até 30 dB Áudio digital nos intervalos de apagamento

55 Guido Stolfi 55 / 103 Scrambler para Interface SDI

56 Guido Stolfi 56 / 103 Sinais Patológicos para Teste de SDI CBCB CRCR CYCY CYCY CBCB CRCR CYCY CYCY bit 19 bits 20 bits

57 Guido Stolfi 57 / 103 Taxa de Erros x Comprimento de Cabo 1 / dia 1 / hora 1 / minuto 1 / segundo 1 / frame

58 Guido Stolfi 58 / 103 Interface HD-SDI (SMPTE 292M) 10 bits GB/s (Y:C B :C R 4:2:2) Codificação semelhante à SDI Cabo Coaxial 75 Ohms, 800 mVpp Atenuação tolerada: 20 dB CRC e número de linha após EAV Alternativa: Fibra Óptica (1310 nm)

59 Guido Stolfi 59 / 103 DVI – Digital Visual Interface Aplicação: Interface com Monitores Digitais Codificação: T.M.D.S. – Transition Minimized Differential Signaling 3 sinais seriais balanceados (R, G e B) até 1,6 Gb/s 1 sinal de clock (até 165 MHz) Taxas maiores que 165 Mpixels/s podem usar 2 canais em paralelo

60 Guido Stolfi 60 / 103 DVI – Digital Visual Interface Transmissão por fonte de corrente balanceada

61 Guido Stolfi 61 / 103 DVI – Digital Visual Interface

62 Guido Stolfi 62 / 103 DVI – Digital Visual Interface Decodificação T.M.D.S.

63 Guido Stolfi 63 / 103 DVI – Digital Visual Interface PLL Serializador Pixel Clock Dados Pixel (24 bits) 25~165 MHz PLL Decodificador TransmissorReceptor (24 bits) 3 canaisTMDS Canal Clock Pixel Clock

64 Guido Stolfi 64 / 103 HDMI – High Definition Multimedia Interface Especificação: HDMI –Hitachi –Matsushita –Philips –Silicon Image –Sony –Thomson –Toshiba

65 Guido Stolfi 65 / 103 HDMI – High Definition Multimedia Interface

66 Guido Stolfi 66 / 103 Conectores DVI e HDMI

67 Guido Stolfi 67 / 103 Interfaces para Video Comprimido

68 Guido Stolfi 68 / 103 Interface IEEE1394 (Firewire) 2 pares para Dados / Strobe balanceados 1 par para Alimentação CC 100 a 800 Mb/s (IEEE1394-B)

69 Guido Stolfi 69 / 103 Vídeo Sobre IEEE bytes 192 bytes 24 Pacote MPEG-2 Time Code Blocos DD Pacotes isócronos IEEE1394

70 Guido Stolfi 70 / 103 Interface DVB-SPI Synchronous Parallel Interface Rec. ETSI- EN Interface paralela para Pacotes Transport Stream 8 bits + Clock + Sincronismo Interface física: LVDS (balanceado) Conector DB-25

71 Guido Stolfi 71 / 103 Interface DVB-SPI Pacotes de Transporte MPEG-2

72 Guido Stolfi 72 / 103 Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI

73 Guido Stolfi 73 / 103 Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 188 bytes

74 Guido Stolfi 74 / 103 Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 204 bytes (16 bytes de enchimento)

75 Guido Stolfi 75 / 103 Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 204 bytes (com codificação Reed-Solomon)

76 Guido Stolfi 76 / 103 Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI – temporização de Clock e Dados

77 Guido Stolfi 77 / 103 Interface DVB-SPI Interface LVDS (Low Voltage Differential Signalling) Tensão de Modo Comum: 1,1 a 1,4 V (Tx) Impedância característica do cabo: 100 Ohms Amplitude do Sinal: 247 a 475 mV (Tx)

78 Guido Stolfi 78 / 103 Pinagem do Conector DVB-SPI

79 Guido Stolfi 79 / 103 Interface ASI Asynchronous Serial Interface Meio: Cabo Coaxial 75 Ohms Taxa de bits: 270 Mb/s Amplitude; 800 mVpp (Tx)

80 Guido Stolfi 80 / 103 Interface ASI Codificação 8 / 10 bits Inserção de Sincronismo (K.28.5) Conversor Paralelo / série Amplificador Acoplamento Pacotes TS Saida 75 Ohms

81 Guido Stolfi 81 / 103 Dicionário de Código 8 / 10 8 bits10 bits+10 bits-8 bits10 bits+10 bits- 0018B A9 0122B1D4380C B2D B AB354K FA (Trechos)

82 Guido Stolfi 82 / 103 Interface ASI Pacotes completos Bytes intercalados

83 Guido Stolfi 83 / 103 Processamento Digital de Vídeo

84 Guido Stolfi 84 / 103 Processamento de Vídeo: TBC Shift RegisterA/DD/A VCO PLL Separador de sincronismo Ref. Freq.

85 Guido Stolfi 85 / 103 Processamento de Vídeo: Frame Buffer Dados Endereço Video InVideo Out Genlock Memória RAM A/D Separador de Sincronismo Ponteiro de Escrita Ponteiro de Leitura D/A Separador de Sincronismo 1 quadro = 720 x 480 x 2 = ~700 kBytes

86 Guido Stolfi 86 / 103 Redutor de Ruído Digital d c b+ a Dados Endereço Video In Video Out Memória RAM A/D Separador Sincronismo Ponteiro de Escrita D/A Filtragem espacial / temporal (intra / inter frames)

87 Guido Stolfi 87 / 103 Efeitos de Transformações Geométricas Dados Endereço Video In Saída Genlock Memória RAM A/D Separador Sincronismo Ponteiro de Escrita Ponteiro de Leitura Interpolação Decimação Mapea- mento (x R, y R ) (x E, y E )

88 Guido Stolfi 88 / 103 Exemplo: Translação TYTY TXTX xExE yEyE

89 Guido Stolfi 89 / 103 Generalização para 3 Dimensões (Projeção em x, y z R = 0 )

90 Guido Stolfi 90 / 103 Escalamento em x, y SYSY SXSX

91 Guido Stolfi 91 / 103 Rotações nos Eixos x, y, z

92 Guido Stolfi 92 / 103 Operações Conjugadas

93 Guido Stolfi 93 / 103 Perspectiva x E, y E, z E z y x xRxR yRyR Plano de Projeção Ponto de Observação

94 Guido Stolfi 94 / 103 Transformações de Perspectiva

95 Guido Stolfi 95 / 103 Interpolação e Decimação Espaciais A B

96 Guido Stolfi 96 / 103 Transcrição de Formatos de Varredura Estrutura de Amostragem de Saída Estrutura de Amostragem de Entrada Interpolação Bilinear ytyt

97 Guido Stolfi 97 / 103 Chroma Key Plano de Fundo 1 o. Plano Chave Decodi- ficador Compa- rador Referência Imagem Composta

98 Guido Stolfi 98 / 103 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

99 Guido Stolfi 99 / 103 Necessidade de Compressão de Dados Taxa de Bits para Codificação Rec. 601: 1 linha = 720 amostras de Luminância amostras de crominância 720 pixels/linha 482 linhas 30 frames = pixels/s 8 bits ( 1 + 1/2 + 1/2) = 166,58 Mbit/s

100 Guido Stolfi 100 / 103 Necessidade de Compressão de Dados Taxa de Bits para Codificação D-2: 1 linha ativa = 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

101 Guido Stolfi 101 / 103 Necessidade de Compressão de Dados Taxa de Bits para HDTV (SMPTE-274M) 1920 pixels 1080 linhas 30 quadros/s = pixels/s 8 bits (1 + 1/2 + 1/2) = 995 Mbit/s

102 Guido Stolfi 102 / 103 Capacidade de Alguns Canais de Comunicação 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 por transponder –Taxa Líquida: 18 MBits/s

103 Guido Stolfi 103 / 103 Critérios para Compressão de Imagens São necessárias taxas de compressão da ordem de 50:1 Compressão Com Perdas é inevitável Objetivo: reduzir a Visibilidade das degradações conseqüentes Deve-se levar em conta as características da Percepção Visual humana.


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