Formatos de Vídeo Digital

Apresentação em tema: "Formatos de Vídeo Digital"— Transcrição da apresentação:

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

2 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 Degradações do Sinal Analógico

4 O Sinal Digital na TV Processamento de Sinal Armazenamento Transmissão Digital

5 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 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 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 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 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 (Não percam próximos capítulos..)
Transmissão Digital (Não percam próximos capítulos..)

11 Digitalização de Vídeo
Amostragem Temporal (quadros) Amostragem Espacial Vertical (varredura) Amostragem Espacial Horizontal ( fA ) Quantização

12 Relação Sinal / Ruído na Quantização
fS/2 f fS fV

13 Relação S / R com “Headroom”
VT VB-VP

14 Ponderação pela MTF da Visão
onde f1= 270kHz, f2 = 1.37MHz e f3 = 390kHz f

15 Relação S / R de Quantização Total
fS VT 8 bits 2 fV 100 IRE MTF

16 Amostragem da Luminância (sem fator Gama)
Escala Linear em “Lightness” (Percepção Subjetiva de Intensidade)

17 Amostragem da Luminância
Sinal de Luminância quantizado

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

19 Amostragem da Luminância (com fator Gama)
Escala Linear em “Lightness” (Percepção Subjetiva de Intensidade), corrigida por fator 

20 Amostragem da Luminância (com fator Gama)
Sinal de Luminância com correção gama, quantizado

21 Amostragem da Luminância (com fator Gama)
Sinal de Luminância equivalente

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

23 Critérios de Amostragem de Vídeo
Vídeo é amostrado na forma perceptual (com correção Gama) Taxa de Amostragem obedece critério de Kell ( fA  3 fM) para imagens “naturais” Filtro “anti-aliasing” não pode afetar os transientes espaciais (p. ex.: gaussiano )

24 Estruturas de Amostragem Espacial

25 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 Estruturas de Amostragem Espacial
HDTV (SMPTE 274M) 1920 x 1080 i 1280 x 720 p

27 Estrutura de Amostragem 4 : 4 : 4
=Crominância = Luminância

28 Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 2
( Rec. 601 ) =Crominância = Luminância

29 Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (MPEG-2)
=Crominância = Luminância

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

31 Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (DV)
=Crominância = Luminância

32 Estrutura de Amostragem 4 : 1 : 1
=Crominância = Luminância

33 Interfaces de Video Digital

34 Rec. ITU-R Rec. 601 (“D-1”) Originalmente CCIR-601
“Digital Components” ou “4:2:2” Amostragem separada de Y’, CB e CR fA = 13.5 MHz (Y’) e 6.75 MHz (CB , CR) 8 bits (extensão para 10 bits) Interface física: ECL, balanceado, 8/10 bits + clock

35 Rec. CCIR-601 (“D-1”) Componentes Analógicas:
Y’ = 0,299 R’ + 0,587 G’ + 0,114 B’ PB = – 0,169 R’ – 0,331 G’ + 0,5 B’ PR = 0,5 R’ – 0,419 G’ – 0,081 B’

36 Rec. CCIR (“D-1”) Componentes Digitalizadas: (8 bits)

37 Estrutura de Amostragem D-1 (4:2:2)
Seqüência de Amostras CB CR CY Componentes: Y’ CB (B’-Y’) CR (R’-Y’) 148 ns 74 ns

38 Digitalização de uma Linha de Vídeo

39 Intervalo de Retraço Horizontal D-1

40 Bloco Delimitador de Amostras Ativas
Bit 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Preâm-bulo Dados Campo 0/1 Blank Vertical SAV / EAV P3 P2 P1 P0

41 Compatibilidade do D-1 para 50 / 60 Hz
Retraço Linha visível fV=59.94 Hz fH = kHz 138 Amostras 720 amostras (CY) 63.56 s fV=50.0 Hz fH = kHz 144 Amostras 720 amostras (CY) 64.0 s fA = 13.5 MHz

42 Padrão de Barras Digitalizado por D-1

43 Padrão de Vídeo Digital “D-2”
“Digital Composite” Amostragem do Sinal de Vídeo Composto fA = MHz (4 x fSC) 8 / 10bits Interface física: ECL, balanceado, 8/ 10 bits + clock (similar à D-1)

44 Níveis de Quantização para D-2

45 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’ PB’PR’ fA = MHz (Y’) e MHz (PB’,PR’) 8 ou 10 bits Interface física: Serial, coaxial, 1,483 Gb/s

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

47 Colorimetria para HDTV (ITU Rec. 709)
Componentes Analógicas: Y’ = 0,2126 R’ + 0,7152 G’ + 0,0722 B’ PB = – 0, R’ – 0, G’ + 0,5 B’ PR = 0,5 R’ – 0, G’ – 0, B’

48 Padrão HDTV Digital (SMPTE 274 M)

49 Colorimetria para HDTV (ITU Rec. 709)
Componentes Digitalizadas:

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

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

52 Interface Serial CCIR-656
8 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 Dicionário de Código de Grupo 8/9 CCIR
8 bits 9 bits+ 9bits- 00 0FE 101 37 196 - 01 027 38 026 1D9 02 1D8 39 08C 173 03 033 3A 02C 1C3 04 1CC 3B 098 167 (Trechos)

54 Interface SDI (Serial Digital Interface)
10 bits 270 MB/s (Y’:CB:CR 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 Scrambler para Interface SDI

56 Sinais Patológicos para Teste de SDI
1 bit CB CR CY 300 198 19 bits 20 bits CB CR CY 200 110 20 bits

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

58 Interface HD-SDI (SMPTE 292M)
10 bits 1.485 GB/s (Y’:CB:CR 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 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 DVI – Digital Visual Interface
Transmissão por fonte de corrente balanceada

61 DVI – Digital Visual Interface

62 DVI – Digital Visual Interface
Decodificação T.M.D.S.

63 DVI – Digital Visual Interface
Pixel Clock Pixel Clock 25~165 MHz Canal Clock PLL PLL Dados Pixel (24 bits) (24 bits) Serializador Decodificador 3 canaisTMDS Transmissor Receptor

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

65 HDMI – High Definition Multimedia Interface

66 Conectores DVI e HDMI

67 Interfaces para Video Comprimido

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

69 Vídeo Sobre IEEE1384 Pacotes isócronos IEEE1394 D D Pacote MPEG-2
188 bytes Time Code 192 bytes Blocos 24 24 24 24 24 24 24 24 Pacotes isócronos IEEE1394 D D

70 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 Interface DVB-SPI Pacotes de Transporte MPEG-2

72 Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI

73 Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 188 bytes

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

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

76 Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI – temporização de
Clock e Dados

77 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 Pinagem do Conector DVB-SPI

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

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

81 Dicionário de Código 8 / 10 8 bits 10 bits+ 10 bits- 00 18B 274 37 059
3A9 01 22B 1D4 38 0C9 339 02 12B 2D4 39 169 269 03 314 31B 47 385 075 04 0AB 354 K.28.5 305 0FA (Trechos)

82 Interface ASI Pacotes completos Bytes intercalados

83 Processamento Digital de Vídeo

84 Processamento de Vídeo: TBC
Shift Register A/D D/A VCO PLL Separador de sincronismo Ref. Freq.

85 Processamento de Vídeo: Frame Buffer
Dados Endereço Video In Video 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 Redutor de Ruído Digital
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 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 (xR, yR)  (xE, yE)

88 Exemplo: Translação TY TX yE xE

89 Generalização para 3 Dimensões
(Projeção em x, y  zR = 0 )

90 Escalamento em x, y SY SX

91 Rotações nos Eixos x, y, z

92 Operações Conjugadas

93 Perspectiva xE, yE, zE z y x  xR yR Plano de Projeção Ponto de
Observação

94 Transformações de Perspectiva


95 Interpolação e Decimação Espaciais
B

96 Transcrição de Formatos de Varredura
Estrutura de Amostragem de Entrada Estrutura de Amostragem de Saída Interpolação Bilinear y t

97 “Chroma Key” Decodi-ficador Compa-rador 1o. Plano Chave Referência
Imagem Composta Plano de Fundo

98 Multi-percurso e Equalização
SINAL RECEBIDO SINAL PROCESSADO t1 k1 k2 kn t2 tn SINAL TRANSMITIDO t1 -k1 t2 -k2 tn -kn Modelo da Distorção por Multi-percurso Equalizador Adaptativo no Receptor

99 Necessidade de Compressão de Dados
Taxa de Bits para Codificação Rec. 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

100 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 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 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 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.