Amostragem Espacial / Temporal : Varredura

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1 Amostragem Espacial / Temporal : Varredura
PTC2457 – Princípios de TV Digital EPUSP – 2014 Guido Stolfi

2 Tópicos Abordados Amostragem temporal Amostragem Espacial
Aplicações da TV no Ambiente Doméstico Função de Transferência de Contraste / Modulação Requisitos de Banda Passante Fator de Kell Sinal de Vídeo Composto – RS-170 Análise no Domínio da Frequência Funções de Reconstrução Aliasing Espacial e Temporal Padrões e Sistemas de TV e HDTV

3 Amostragem de uma Imagem em Movimento
u = f (x, y, t)

4 Critérios de Resolução Temporal
Remanência da Visão: 15 a 20 imagens (quadros) por segundo Cintilação: 48 ~ 60 imagens por segundo Interferências com a Rede Elétrica: 50 / 60 Hz 60 imagens por segundo (EUA, Japão, Brasil 50 imagens por segundo (Europa, Ásia, etc.)

5 Resolução Espacial da Visão

6 Critérios de Resolução Espacial
Acuidade Visual: ~ 1 minuto de grau Proporção: 4:3 (igual ao cinema) Tamanho da Imagem: ? Distância de Observação: ?

7 A Televisão como Entretenimento

8 Ângulos de Visualização da TV (Padrão M)
H / L = ¾ a = 10o b = 7.5o

9 Função de Transferência de Contraste (CTF)

10 Função de Transferência de Modulação (MTF)
Obtida da mesma forma que a CTF, quando o padrão de barras tem variação senoidal de luminância (ao invés de retangular) É a resposta em freqüência espacial do sistema MTF de um sistema com elementos em série é o produto das MTF’s dos elementos

11 MTF da Visão Humana

12 Unidade de Medida: Linhas de TV
Quantidade de linhas pretas + brancas contidas em uma distância igual à altura da imagem V V

13 Dimensionamento de um Sistema de TV: Padrão “M”
Acuidade Visual: 1/60 de grau Ângulo de visualização: 10 x 7.5 graus  600 x 450 elementos de imagem (pixels)

14 Requisitos de Banda Passante
60 quadros por segundo, 600 x 450 pixels 1 pixel = 1 semiciclo da maior frequência necessária

15 Agravante: Tempo de Retraço
Tempo de Varredura Tempo de Retraço

16 Requisitos de Banda Passante
Tempo de retraço: 20% na varredura horizontal e 9% na vertical

17 Agravante: Fator de Kell
Teorema da Amostragem diz: número de linhas de varredura deve ser maior que o número de linhas (alternadas) a serem exibidas na imagem (fa > 2 x fs) Fator de Kell = 0,7 (experimental) implicaria em 450  0,7 = 643 linhas de varredura na imagem visível.

18 Reconstrução com Pulso Retangular (Obedecendo Critério de Nyquist)
fA = 2,2 fM

19 Reconstrução com Pulso Retangular (Obedecendo Critério de Kell)
fA = 3,3 fM

20 Requisitos de Banda Passante
Considerando tempo de retraço e fator de Kell: Modulação AM exigiria 2 x 15 = 30 MHz de banda.

21 Atenuante: Acuidade Visual
Adotado Limite de Acuidade Visual como 1,33 minutos de grau Imagem visível passa para 340 x 450 elementos de resolução (480 linhas de amostragem) Adotadas 525 linhas de varredura (incluindo retraço)

22 Atenuante: Entrelaçamento
Freqüência de Cintilação para objetos pequenos é muito menor Imagem é subdividida em 2 campos (par e ímpar) Banda Passante cai pela metade (4.2 MHz)

23 Varredura Entrelaçada - Padrão “M”

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

25 MTF da Televisão Convencional

26 Sinal de Vídeo Composto RS-170
Período Horizontal: 1H = 63,56 s Apagamento Horizontal: 10,90,2 s Pulso de Sincronismo: 4,7  0,1 s Pórtico Frontal: 0,02H = 1,3 s Amplitude do Sinc.: 40 IRE (286 mV) Amplitude Total do Sinal de Vídeo : 140 IRE (1 Volt) (1 unidade IRE = 7,14 mV)

27 Sincronismo Composto com Entrelaçamento

28 Separação do Sincronismo Horizontal

29 Separação do Sincronismo Vertical

30 Efeito dos Pulsos de Equalização

31 Pórticos (Porch) no Sincronismo Horizontal

32 Efeito do Pórtico Frontal
Sinal com Banda Limitada Limitação de Banda sem Pórtico Frontal

33 Efeito do Pórtico Posterior
Acoplamento AC do Sinal de Vídeo Composto Sinal de Vídeo com Grampeamento DC

34 Estrutura de Amostragem Espacio-temporal

35 Amostragem Entrelaçada de um Objeto em Movimento

36 Estruturas de Varredura
Varredura Progressiva Varredura Entrelaçada

37 Espectros das Estruturas de Varredura
Varredura Progressiva Varredura Entrelaçada

38 Espectro Bi-dimensional
fx fy y x Domínio do Espaço Domínio da Frequência Espacial

39 Espectro Bi-dimensional
fy y fx x Domínio do Espaço Domínio da Frequência Espacial

40 Espectro Bi-dimensional
fy y fx x Domínio do Espaço Domínio da Frequência Espacial

41 Espectro Bi-dimensional
fy y fx x Domínio do Espaço Domínio da Frequência Espacial

42 Critério de Kell x Nyquist

43 fM / fA = 0,1

44 fM / fA = 0,2

45 fM / fA = 0,3

46 fM / fA = 0,3 fY fX fAY fAX fX fY

47 fM / fA = 0,35

48 fM / fA = 0,4

49 fM / fA = 0,45

50 fM / fA = 0,5

51 fM / fA = 0,5 fX fY fAY fAX fX fY

52 fM / fA = 0,55

53 fM / fA = 0,8

54 fM / fA = 0,8 fY fX fAY fAX fX fY

55 fM / fA = 0,95

56 fM / fA = 0,2

57 fM / fA = 0,3

58 fM / fA = 0,35

59 fM / fA = 0,4

60 fM / fA = 0,45

61 fM / fA = 0,5

62 fM / fA = 0,95

63 fM / fA = 0,95 fX fY fAY fAX fX fY

64 fM / fA = 0,35

65 fM / fA = 0,4

66 fM / fA = 0,5

67 fM / fA = 0,35

68 fM / fA = 0,4

69 fM / fA = 0,45

70 fM / fA = 0,5

71 Amostragem com Função de Reconstrução Triangular

72 fM / fA = 0,35

73 fM / fA = 0,35 fX fY fAY fAX fX fY

74 fM / fA = 0,3

75 fM / fA = 0,35

76 fM / fA = 0,4

77 fM / fA = 0,45

78 fM / fA = 0,5

79 “Aliasing” Espacial: Efeito “Moirée”
Imagem Original Imagem Amostrada

80 “Aliasing” Espacial: Efeito “Moirée”
Imagem Original Imagem Amostrada e reconstruída

81 Espectro 2-D da Imagem Amostrada
fX fY fAY fAX fX fY

82 Redução do “Aliasing” Espacial por Filtragem
Imagem Filtrada por Imagem Amostrada abertura equivalente e reconstruída

83 Espectro 2-D da Imagem Filtrada
fX fY fX fY fAY fAX Filtragem espacial Amostragem

84 Amostragem e Reconstrução
Abertura Equivalente de Captura Imagem Função de Reconstrução Pixel Estrutura de Amostragem Espacial

85 Amostragem e Reconstrução
No domínio Espacial: Convolução da imagem com a abertura equivalente de captura Amostragem Convolução da amostra com a função de Reconstrução No domínio da Freqüência: Filtragem pela MTF do processo de captura Amostragem (translação e replicação espectral) Filtragem pela MTF do processo de reconstrução

86 Reprodução de uma Imagem com Função de Reconstrução Quadrada

87 Reprodução de uma Imagem com Função de Reconstrução Gaussiana

88 John Lennon

89 Padrão de Teste de Resolução Espacial

90 Amostragem Temporal

91 Espectro Tri-dimensional (Espaço / Tempo)
ft fy b y c fx a t x Imagem com Movimento Espectro Tri-dimensional

92 “Aliasing” Temporal: Efeito “Roda de Carroça”
Uma Rotação de 85 graus em sentido Horário... ...confunde-se com uma rotação de 5 graus... ...em sentido anti-horário.

93 Redução do “Aliasing” Temporal pelo Controle do Tempo de Exposição

94 Persistência Luminosa da Imagem

95 Efeito Visual da Persistência

96 Telecinagem com Pull-down 3:2

97 Efeito da Telecinagem 3:2

98 Resumo Processos diferentes de limitação de banda nas dimensões T, x e y Características perceptuais diferentes para essas dimensões “Aliasing” pode ser aceitável em relação à perda de definição espacial ou temporal

99 Radiodifusão de TV Monocromática (Padrão “M”)
Modulação AM Vestigial Negativa

100 Resposta em Freqüência Ideal do Receptor de TV
Portadora de vídeo Portadora de áudio Portadora de vídeo (canal superior) Portadora de áudio (canal inferior) 50% 0.75 MHz 4,2 MHz 6 MHz

101 Espectro de um Sinal de TV Analógica

102 Padrões e Sistemas Padrão: Banda passante, disposição das portadoras dentro do canal, frequencias nominais dos canais B, D, G, H, I, K, K1, L, M, N Sistema: Formato de varredura e codificação da Cor NTSC, SECAM, PAL

103 Padrões e Sistemas M= 60 Hz; demais padrões = 50 Hz Padrão
Banda do Canal (MHz) Portadora de Vídeo Portadora de Áudio Banda do Vídeo Banda Vestigial Fator Gama B 7,0 1,25 +5,5 5,0 -0,75 2,8 D, K 8,0 +6,5 6,0 G H -1,25 I 5,5 K1, L M, N +4,5 4,2 2,2 M= 60 Hz; demais padrões = 50 Hz

104 Padrões e Sistemas Analógicos no Mundo
País Padrão Sistema Fv (Hz) Brasil, Vietnã M PAL 60 Argentina, Paraguai, Uruguai N 50 Chile, Peru, Venezuela, Equador, Colombia NTSC EUA, Canadá, México, Coréia do Sul China, Coréia do Norte, Congo D Rússia, Ucrânia, Bulgária SECAM França L Itália, Áustria, Alemanha, Dinamarca, Líbano, Israel, Hungria, Bósnia, Kuwait, Portugal B/G Grécia Inglaterra, Hong Kong, Angola, África do Sul, Irlanda I Gabão, Guiana, Taiti, Nigéria, Ruanda K

105 Alguns Formatos de Varredura para Monitores de Vídeo
Padrão Resolução V x H Freq. Vert. (Hz) Freq. Hor. (kHz) Varredura Bw (MHz) CGA 60 15.75 progress. 3.2 VGA 31.5 progr. 13 VESA 72 37.8 16 SVGA 75 46.8 25 XGA 87 35.5 entrelac. 23 71 76.0 63 86 45.8 40 Mac II 68.7 50 UXGA 93,6 100

106 TV de Alta Definição: “Hi-Vision”

107 Dimensionamento do Ângulo de Visualização para a “Hi-Vision”

108 Dimensionamento do Ângulo de Visualização para a “Hi-Vision”

109 Ocupação do Campo Visual

110 Relação de Aspecto da TV de Alta Definição
Compatibilidade com imagens 4:3 16 4  3 4  3 (12  9) 4  3 9 4  3

111 Relação de Aspecto da TV de Alta Definição
Compatibilidade com formatos de Cinema

112 TV de “Mesma Definição”
1,778 : 1 1080 480 1’ 640 1920

113 Imagem Hi-Vision

114 Formatos de TV de Alta Definição
Resolução da Imagem (H x V): 1920 x 1080 , 1280 x 720 Taxa de Imagens por segundo: 60, , 50, 30, , 25, 24, Varredura Progressiva (p) e Entrelaçada (i) Frequência de Amostragem (pixel), MHz: 148.5, , , Formatos Preferenciais ( MHz): 1080i (29.97) 720p (59.94)

115 No Futuro ?

116 Cinema Digital 1,896 : 1 2160 1080 ~65O 1920 4096

117 “4k” (falso UHDV) 1,778 : 1 2160 1080 ~60O 1920 3840

118 UHDV (8k) – Ultra High Definition Video (2005)
1,778 : 1 4320 1080 >90O 1920 7680

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

120 UHDV (8k)

121 UHDV (8k)