Compressão de Vídeo Equipe Antonyus Pyetro Diego Melo Luiz Zelaquett Rafael Duarte Thiago Jamir.

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1 Compressão de Vídeo Equipe Antonyus Pyetro Diego Melo Luiz Zelaquett Rafael Duarte Thiago Jamir

2 Definindo vídeo  É uma a tecnologia de processamento de sinais eletrônicos,analógicos ou digitais para capturar, armazenar, transmitir ou exibir imagens em movimento. A aplicação principal da tecnologia de vídeo resultou na televisão, com todas as sua inúmeras utilizações.

3 Variações da definição  O termo vídeo ganhou com o tempo uma grande abrangência, chama-se também de vídeo uma gravação de imagens em movimento, uma animação composta por fotos seqüenciais que resultam em uma imagem animada, e principalmente as diversas formas para se gravar imagens em fitas (analógicas ou digitais) ou outras mídias.

4 O porquê da compressão de vídeo?   Banda larga;   Espaço em HD;   Tempo de processamento;   Grande investimentos.

5 Especificando as necessidades Quando se pensa em editar vídeos em seu computador será necessário um HD com grande capacidade porque mesmo com os novos padrões de compressão os filmes editados geram grandes arquivos. Quando se pensa em editar vídeos em seu computador será necessário um HD com grande capacidade porque mesmo com os novos padrões de compressão os filmes editados geram grandes arquivos. Você precisa de tempo porque a velocidade para converter os filmes em um formato que o computador entenda também não é rápido. Você precisa de tempo porque a velocidade para converter os filmes em um formato que o computador entenda também não é rápido. Investimentos em computadores mais rápidos diminuiram esse tempo perdido, porem esses investimentos podem envolver muito dinheiro. Investimentos em computadores mais rápidos diminuiram esse tempo perdido, porem esses investimentos podem envolver muito dinheiro.

6   Para se editar vídeos é necessário dinheiro, tempo e paciência como já foi dito.   A compressão então se torna um fator muito importante para maximizar a velocidade e minimizar os custos na edição.

7 Fases da produção de vídeos  Primeiro importar o vídeo para o disco rígido de um computador, onde poderá ser editado e convertido. O processo se chama captura de vídeo, e deve ser feito conectando-se a fonte de captura (vídeo-cassete ou câmera analógica ou digital) à entrada de vídeo compatível na placa.  O vídeo resultante da captura poderá estar no formato AVI ou MPEG, de acordo com os recursos da placa de captura.  Apos a captura os vídeos podem ser editados para o formato desejado.

8 Fases da produção de vídeos  A maioria dos programas só aceita vídeos em MPEG. Tanto o AVI como o MPEG terão que ser convertidos para o formato compatível com o DVD.  O DVD é atualmente a mídia de video mais popular. Filmes, shows musicais, cursos em video, e todos as categorias de video são vendidas atualmente em DVD, deixando para trás as antigas fitas VHS.

9 Mídias ao longo da história  VHS(1976) ‏  CD(1979/1982) ‏  DVD(1995) ‏  Disco Blu-ray(2005) ‏  HD DVD(2006) ‏

10 Padrões desenvolvidos ao longo da história  Na década de 80 ficou claro a necessidade de aliar imagem com tecnologia digital. Nesse sentido, em 1988 ISO lançou o MPEG, para desenvolver padrões para o vídeo digital.  1990’s, os primeiros padrões de compressão foram introduzidos: H.261 (1990) e H.263 (1995) da ITU H.261 (1990) e H.263 (1995) da ITU MPEG-1 (1993) e MPEG-2 (1996) da ISO MPEG-1 (1993) e MPEG-2 (1996) da ISO

11 Padrões desenvolvidos ao longo da história  Desde então, a tecnologia avançou rapidamente H.263 foi seguido por H.263+, H.263++ H.263 foi seguido por H.263+, H.263++ MPEG-1/2 seguido por MPEG-4 visual MPEG-1/2 seguido por MPEG-4 visual Mas a industria e a pesquisa permanecem à frente Mas a industria e a pesquisa permanecem à frente  H.264/AVC padrão criado recentemente por um projeto conjunto da ITU e da ISO.

12 Formatos da Indústria  Analógicos: Muse(sistema analógico de HDTV)Muse(sistema analógico de HDTV) NTSC(National Televison System Committee ou Never Twice The same Color)NTSC(National Televison System Committee ou Never Twice The same Color) PAL(Phase Alternating Line)PAL(Phase Alternating Line) - PALplus - PAL-M(com características do NTSC - Brasil) SECAM(Séquentiel couleur avec mémoire)SECAM(Séquentiel couleur avec mémoire)

13 Distribuição

14 Muse  Foi criado no Japão  Só era transmitido via satélite  30 a 40Mbit/s  Entre 6 e 8 Mhz de largura  Transmissores(VHF,UHF,cabo,satélite...)  Verifica erro com Reed-Solomon e CRC

15 Fita Magnética  Polímero de cromo ou ferro  Gravação paralela ou helicoidal  Até 40GB  Facilmente danificada

16 VHS(Video Home System):  JVC, 1976  Fita magnética de ½ polegada  280 linhas de definição  Até 6h de gravação  Brasil -> anos 80  VHS - C  S - VHS

17 BetaMax  Chegou em 1975  Imagem superior ao VHS  Melhor integração com o hardware (mais rápido)  Menor tempo de gravação  Vendido no japão até 2002

18 VHS X BetaMax  Padrão aberto  Apoio da indústria de entretenimento adulto

19 VIDEO DIGITAL  Lançado 1996  DV, MiniDV, DVCAM,Digital8, DVCPRO, DVCPRO50 e DVCPRO HD  + de 50 emrpesas.Philips, sony, JVC, Apple, IBM, toshiba,....  Compressão nos formatos MPEG e JPEG

20 DVD(digital vídeo disc)  Nasceu em 1995  Junção do MMCD(Multimedia Compact Disc) + SD(Super Density Disc)  (Philips, sony) ++ (Toshiba, Time Warner,...)

21 DVD(digital vídeo disc)  armazena 4.7 GB, dual layer 8.5GB  Estrutura: *.IFO (de informação) são scripts sobre "como" rodar o DVD;*.IFO (de informação) são scripts sobre "como" rodar o DVD; *.BUP são backups dos *.IFO;*.BUP são backups dos *.IFO; *.PUO são de operações proibidas ao usuário e são removidos quando ripamos (nomenclatura usada quando convertemos um DVD para arquivo de computador);*.PUO são de operações proibidas ao usuário e são removidos quando ripamos (nomenclatura usada quando convertemos um DVD para arquivo de computador); *.VOB (de objeto visual) contém todo o filme, menu, extra, idiomas, legendas através de uma multiplexação*.VOB (de objeto visual) contém todo o filme, menu, extra, idiomas, legendas através de uma multiplexação

22 Distribuição

23 DVD(digital vídeo disc)  DVD-R: permite uma gravaçao  DVD+R: permite uma gravação e é mais rápido  DVD+R DL (dual-layer): semelhante ao DVD+R,  DVD-RW: permite gravar e apagar cerca de mil vezes  DVD+RW :importantes aperfeiçoamentos, editar o conteúdo do DVD sem ter de apagar todo o conteúdo que já estava gravado e um sistema de controle de erros de gravação.  DVD+RW DL: possui duas camadas de gravação

24 Blu-Ray  Comprimento de onda do laser azul-violeta menor que nas tecnologias anteriores.  Sistema de lentes duplas  Camada de proteção de durabis que evita arranhões e facilita leitura  Aceita MPEG2 e MPEG4  Capacidade entre 25GB e 50GB

25 Blu-Ray  BD-ROM: Um disco que é só de leitura  (54 Mbps)  BD-R: Disco gravável(36 Mbps)  BD-RE: Disco regravável (36 Mbps)

26 Distribuição

27 Blu-Ray X DVD Blu-rayDVD armazenamento 25 Gb -> 50 GB 4.7 GB -> 8.5GB Comprimento de onda do laser 405nm650nm Taxa de transferência 54Mbps11,1Mbps Formatos suportados MPEG2, MPEG4 – AVC, VC-1(baseado em wmv) MPEG2 Resistência a arranhões e gordura durabis Não possui

28 Formatos da Indústria  Digitais: ATSC(USA,Canadá,Japão, Advanced Televison System Committee)ATSC(USA,Canadá,Japão, Advanced Televison System Committee) DVB(Europa, Digital Video Broadcasting)DVB(Europa, Digital Video Broadcasting) ISDB(Japão, Integrated Services Digital Broadcasting)ISDB(Japão, Integrated Services Digital Broadcasting) ISDB-TB(Brasil,... – Terrestrial Built-in)ISDB-TB(Brasil,... – Terrestrial Built-in)

29 ATSC  Aplicações: EPG, t-GOV, t-COM, Internet  Middleware: DASE  Compressão: Dolby AAC e MPEG-2 HDTV  Transporte: MPEG-2  Modulação: 8-VSB

30 DVB  Tipos - DVB-T, DVB-S, DVB-C, DVB- H, DVB-MHP,IPTV  Aplicações - EPG, t-GOV, t-COM, Internet  Middleware - MHP/MHEG  Compressão - MPEG-2 e MPEG-2 SDTV  Transporte - MPEG-2  Modulação - COFDM

31 ISDB  Aplicações: EPG, t-GOV, t-COM, Internet  Middleware: ARIB  Compressão de audio: MPEG-2 AAC  Compressão de video: MPEG-2 HDTV  Transporte: MPEG-2  Modulação: COFDM

32 ISDB – TB  Aplicações: EPG, t-GOV, t-COM, Internet  Middleware: Ginga(Interatividade em breve)  Compressão de audio: MPEG-4 AAC 2.0 ou 5.1 canais (dependente somente do programa produzido)  Compressão de vídeo: MPEG-4 H.264 1080i (1920x1080 pixels) / 720p (1280x720 pixels)/ 480p (640x480 pixels)/ OneSeg (320x240 pixels, para dispositivos móveis)  Transporte: MPEG-2 (TS padrão para todos os sistemas)  Modulação: COFDM (dividido em 13 segmentos da portadora de 6 MHz- estrutura do ISDB)

33 Compressão de video na web

34 Compressão web  Ultimamente a banda larga vem se alastrando na rede  Conteúdo de vídeo pode ser adicionado aos websites  Que programa usar?  Como fazer isso efetivamente?  Que formato escolher?

35 PlayersPlayer Taman ho Formato Popularid ade Flash Player 9 2 MB swf, flv Windows Media Player 7 MB wmv, asf, mpeg-2, avi Quicktime Player 7 53 MB avi,mov, mpeg-2, mp4

36 Formatos  MPEG-1  FLV  MOV

37 Streaming Unicast demanda uma grande largura de banda

38 Streaming

39 Lossy Compression  Compressão com perdas  Tipos Lossy TransformLossy Transform Lossy PredictiveLossy Predictive  Lossy x Lossless  Razão Vídeo 300:1Vídeo 300:1 Audio 10:1Audio 10:1 Imagem 10:1Imagem 10:1

40 MPEG-1  Motion Picture Editors Guild  Lossy compression  Idealizado para Vídeo VHS e CD de Áudio  Publicado como ISO/IEC-11172  Base para demais formatos web

41 Padrão ISO/IEC-11172  System – I/O  Video – Métodos de redução de vídeo  Audio – Métodos de redução de áudio  Conformance Testing – Procedimentos de testes  Software Reference – Software de referência escrito em C

42 FLV  Flash Video  Stream de bits codificada Sorenson codec (H.263)Sorenson codec (H.263) On2 VP6On2 VP6 H.264H.264  Audio codificada em mp3

43 Distribuição  Um arquivo flv  Embarcado num SWF  Download progressivo via HTTP  Streamed pelo Flash Media Server

44 MOV  Encapsulamento com várias faixas  Cada faixa possui uma stream de mídia  Cada stream usa seu próprio code  Distribuição Arquivo standaloneArquivo standalone Download progressivoDownload progressivo Stream pelo Quicktime Streaming ServerStream pelo Quicktime Streaming Server

45 Por que o Flash é o mais usado?  Maior penetração no mercado  Maior interoperabilidade de SO  Maior facilidade de distribuição  Possibilidade de interação  Proteção de conteúdo (sem cache)

46 H.264  Possui uma série de vantagens em relação a seus antecessores MPEG-1, MPEG-2 e H.263MPEG-1, MPEG-2 e H.263  Todas as novas características trazem pequenas melhorias

47 H.264  novas características agregam uma complexidade à codificação\decodificação complexidade computacional – principalmente codificadorcomplexidade computacional – principalmente codificador complexidade de desenvolvimentocomplexidade de desenvolvimento

48 H.264  O H.264 começou a ser desenvolvido apenas pelo ITU-T VCEG (Video Coding Experts Group) Contemporâneo a última versão do H.263Contemporâneo a última versão do H.263  Foram adicionadas as primeiras extensões ao padrão H.264 fidelity range extensions (FRExt)fidelity range extensions (FRExt)

49 Cronologia Provavelmente para depois de 2010 o H.265  reduzir a taxa de bits pela metade!

50 Sinal de Vídeo Digital  Consiste de uma seqüência de quadros que geram a ilusão de movimento  Esses quadros passam também por uma amostragem espacial

51 Sinal de Vídeo Digital

52 Compressão Sem Perdas  O sinal reconstituído é idêntico ao original Compactar dados de duas a três vezesCompactar dados de duas a três vezes Aplicações que não toleram qualquer distorção, como vídeos médicos ou sistemas de arquivamentoAplicações que não toleram qualquer distorção, como vídeos médicos ou sistemas de arquivamento

53 Compressão Com Perdas  Há uma degradação desse sinal: distorção Podem comprimir para uma taxa até 100 vezes menorPodem comprimir para uma taxa até 100 vezes menor Mais usada e difundidaMais usada e difundida Distorções podem ser imperceptíveis ao olho humanoDistorções podem ser imperceptíveis ao olho humano

54 Particionamento  A unidade básica de codificação é o macrobloco (MB) matriz de 16×16 amostrasmatriz de 16×16 amostras  É fundamental para o processo de compensação de movimento e a transformação.  No H.264, os MBs podem ainda ser subdivididos em submacroblocos (SubMB)

55 Particionamento Por exemplo, no formato 4:2:0, cada MB consistirá de:

56 Compensação de Movimento  É muito provável quadros amostrados em tempos próximos sejam muito parecidos Muitas amostras continuarão iguais - fundoMuitas amostras continuarão iguais - fundo Outras terão apenas se “deslocado” espacialmente- objeto em movimentoOutras terão apenas se “deslocado” espacialmente- objeto em movimento

57 Compensação de Movimento  Subtrair os valores de um bloco pelos de outro bloco de algum quadro anterior. O bloco a ser subtraído do bloco atual é informado através de uma referência temporalO bloco a ser subtraído do bloco atual é informado através de uma referência temporal Um vetor de movimento (VM)Um vetor de movimento (VM)

58 Compensação de Movimento

59 Transformação  Aplicar uma transformação nos valores das amostras de um bloco Transformar o sinal para o domínio da freqüência espacialTransformar o sinal para o domínio da freqüência espacial Reduzir as redundânciasReduzir as redundâncias Descorrelacionar o sinal, concentrando a energia em alguns poucos coeficientes.Descorrelacionar o sinal, concentrando a energia em alguns poucos coeficientes.

60 Transformação

61 Quantização  Torna menores os valores dos coeficientes resultantes da transformação  A matriz Q é tabelada, varia de acordo com o parâmetro de quantização (QP).

62 Quantização  Os valores resultantes são menores necessitando menos bits na codificação existe uma perda na precisãoexiste uma perda na precisão  A maior parte da distorção é resultante do processo de quantização, controlada pelo valor de QP.

63 Quantização

64 Reordenação e Codificação de Entropia  Os coeficientes quantizados são reordenados em uma lista

65 Reordenação e Codificação de Entropia  Listas resultantes costumam conter muitos zeros em seqüência Representar as seqüências de zeros de forma mais “compacta”Representar as seqüências de zeros de forma mais “compacta” Representar a seqüência de coeficientes que são ±1 de forma compactaRepresentar a seqüência de coeficientes que são ±1 de forma compacta

66 O futuro da Compressão de Vídeo Media coding & 3D Video coding

67 Media coding  Advanced Video Coding O que faz: Fornece tecnologia para codificar tanto vídeo entrelaçados como não- entrelaçados com uma eficiência de codificação cerca do dobro em comparação com o MPEG-2 e MPEG-4.O que faz: Fornece tecnologia para codificar tanto vídeo entrelaçados como não- entrelaçados com uma eficiência de codificação cerca do dobro em comparação com o MPEG-2 e MPEG-4. Pra que serve: Praticamente todas aplicações de vídeo digitalPra que serve: Praticamente todas aplicações de vídeo digital  Wavelet coding O que faz: Esta é uma atividade de exploração destinada a recolher provas sobre as possíveis vantagens oferecidas pelas transformadas wavelet para futuras normas de codificação vídeo.O que faz: Esta é uma atividade de exploração destinada a recolher provas sobre as possíveis vantagens oferecidas pelas transformadas wavelet para futuras normas de codificação vídeo. Pra que serve: Praticamente todas aplicações de vídeo digitalPra que serve: Praticamente todas aplicações de vídeo digital

68 Media coding  Advanced Video Coding As principais melhorias em relação às normas anteriores são feitas na área de compensação de movimento. O ciclo de filtro prover um ganho significativo em relação a qualidade em dados com taxas baixas e muito baixas.As principais melhorias em relação às normas anteriores são feitas na área de compensação de movimento. O ciclo de filtro prover um ganho significativo em relação a qualidade em dados com taxas baixas e muito baixas.  Motion compensation using variable block sizes  Usage of an integer transform of block size 4x4 or 8x8  An adaptive de-blocking filter  Instead of B-type, P-type, and I-type pictures, type definitions are made slice-wise, where a slice may, at maximum, cover an entire picture.  New types of switching slices (S-type slices, with SP and SI sub-types)  Two different entropy coding mechanisms are defined  Additional error resilience mechanisms are defined  Network Abstraction Layer (NAL) A combinação de todos os diferentes métodos listados levou a um aumento significativo no desempenho da compressão em comparação com as soluções padrão. Redução da taxa de bits no mesmo nível de qualidade em até 50% ou mais quando comparados aos padrões atuais, como o MPEG-2, H.263, MPEG-4 Part 2 Simple Perfil e MPEG-4 Parte 2 Advanced Perfil.A combinação de todos os diferentes métodos listados levou a um aumento significativo no desempenho da compressão em comparação com as soluções padrão. Redução da taxa de bits no mesmo nível de qualidade em até 50% ou mais quando comparados aos padrões atuais, como o MPEG-2, H.263, MPEG-4 Part 2 Simple Perfil e MPEG-4 Parte 2 Advanced Perfil. Áreas de AplicaçãoÁreas de Aplicação  É esperado que se torne amplamente utilizado em uma ampla gama de aplicações, tais como as de transmissão e armazenamento de vídeos de alta resolução, streaming de vídeo (Internet e da televisão), e aplicações profissionais, tais como armazenamento e transmissão de conteúdo de cinema.

69 3D Video coding  Multiview video coding O que faz: Prover uma representação de um conjunto de sinais de câmeras de vídeo filmando a mesma cena.O que faz: Prover uma representação de um conjunto de sinais de câmeras de vídeo filmando a mesma cena. Pra que serve:Pra que serve:  Vídeos interativos, i.e. quando o usuário pode navegar em uma cena escolher livremente um ponto de vista  3D vídeo e free viewpoint TV, onde o usuário tem uma impressão de profundidade da cena, pois cada olho separadamente obtém pontos de vista, mudado com o ângulo de visão. O Multiview Video Coding (MVC, ISO/IEC 14496-10:2008 Amendment 1) é uma extensão do padrão Advanced Video Coding (AVC)O Multiview Video Coding (MVC, ISO/IEC 14496-10:2008 Amendment 1) é uma extensão do padrão Advanced Video Coding (AVC)

70 3D Video coding  Multiview video coding Multiview Video Coding (MVC) Temporal/inter-view prediction structure for MVC.

71 3D Video coding  3D vídeo É um padrão que tem o objetivo de servir o conjunto de displays 3D.É um padrão que tem o objetivo de servir o conjunto de displays 3D.

72 3D Video coding Exemplo do sistema FTV system e do formato de dados Exemplo da geracão de 9 outputs views (N = 9), 3 input views, com profundidade (K = 3) Exemplo de um display lenticular requerendo 9 views (N = 9)

73 Compressão de Vídeo + Dados MPEG-7 & MPEG-21

74 MPEG 7  O MPEG-7 é um padrão para descrever as características de conteúdos multimídia  Disponibiliza um conjunto de elementos de metadados descritos em XML  Especifica descrições em formato binário, o BiM, permitindo o streaming e a compressão em até 98% das descrições.  Pretende disponibilizar ferramentas (nesse caso, as ferramentas são os descritores, que permitem a criação das descrições) para que a busca em imagens,vídeos e arquivos sonoros seja tão fácil quanto é a busca em textos.  A descrição MPEG-7 pode estar fisicamente armazenada em conjunto com o material audiovisual, como também, pode estar locada em outro lugar através da rede, além de poder ser utilizada independentemente de outros padrões MPEG, tais como o MPEG-2 ou MPEG-4. As principais ferramentas utilizadas para implementar as descrições MPEG-7 são os Descritores, os Esquemas de Descrições e a Linguagem de Definição de Descrições

75 MPEG 7 Exemplo de descrição MPEG-7 em XML Principais elementos do MPEG-7 e seus relacionamentos

76 MPEG 21  Padrão que define uma infra- estrutura para distribuição e consumo de dados multimídia. Part 1- Multimedia FrameworkPart 1- Multimedia Framework Part 2 - Digital Item DeclarationPart 2 - Digital Item Declaration Part 3 - Digital Item IdentificationPart 3 - Digital Item Identification Part 4 - Intellectual Property Management and Protection (IPMP)Part 4 - Intellectual Property Management and Protection (IPMP) Part 5 - Rights Expression LanguagePart 5 - Rights Expression Language Part 6 - Rights Data DictionaryPart 6 - Rights Data Dictionary Part 7 - Digital Item AdaptationPart 7 - Digital Item Adaptation Part 8 - Reference SoftwarePart 8 - Reference Software Part 9 - File FormatPart 9 - File Format

77 MPEG 21  Digital Item Declaration (Part 2) ContainerContainer ItemItem ComponentComponent AnchorAnchor DescriptorDescriptor AnnotationAnnotation ChoiceChoice … Relacionamento entre os principais elementos do Modelo do Digital Item Declaration

78 MPEG 21  Digital Item Identification (Part 3) Como identificar unicamente um Digital Item e parte dele;Como identificar unicamente um Digital Item e parte dele; Como identificar unicamente um IP relativo a um Digital Item e parte dele;Como identificar unicamente um IP relativo a um Digital Item e parte dele; Como identificar unicamente um Description Schemes;Como identificar unicamente um Description Schemes; Como usar identificadores para ligar um Digital Item com informações relacionadas;Como usar identificadores para ligar um Digital Item com informações relacionadas; Como identicar diferentes tipos de Digital Items.Como identicar diferentes tipos de Digital Items. Relacionamento entre um Digital Item Declaration e um Digital Item Identification

79 Perguntas ?