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Guido Stolfi 1 / 103
Formatos de Vídeo Digital
Televisão Digital
Guido Stolfi
Mackenzie
4 / 2008
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.
Guido Stolfi 3 / 103
Degradações do Sinal Analógico
Guido Stolfi 4 / 103
O Sinal Digital na TV
• Processamento de Sinal
• Armazenamento
• Transmissão Digital
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
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
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
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”
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)
Guido Stolfi 10 / 103
Transmissão Digital
(Não percam próximos capítulos..)
Guido Stolfi 11 / 103
Digitalização de Vídeo
• Amostragem Temporal (quadros)
• Amostragem Espacial Vertical (varredura)
• Amostragem Espacial Horizontal ( fA )
• Quantização
Guido Stolfi 12 / 103
Relação Sinal / Ruído na Quantização
)(2
log108.1002.6
2log10)12log(10)2log(20)(
dBF
Fn
Q
S
ouF
FdB
Q
S
V
S
e
V
Sn
e
ffSfV
fS/2
Guido Stolfi 13 / 103
Relação S / R com “Headroom”
S
Qn
F
F
V
V VdB
e
S
V
T
B P
6 02 10 8 10
220. . log log ( )
VB-VPVT
Guido Stolfi 14 / 103
Ponderação pela MTF da Visão
onde f1= 270kHz, f2 = 1.37MHz e f3 = 390kHz
dB
ff
ff
ff
fA
2
3
2
2
2
1
10
1
11
log10
f
Guido Stolfi 15 / 103
Relação S / R de Quantização Total
S
QdB
e
6 02 8 10 8 10
143
8 420
122
0 7146 81 6343. . log
.
.log
.
.. .
8 bits
fS
2 fV
VT
100 IRE MTF
Guido Stolfi 16 / 103
Amostragem da Luminância (sem fator Gama)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Escala Linear em “Lightness”(Percepção Subjetiva de Intensidade)
Guido Stolfi 17 / 103
Amostragem da Luminância
Sinal de Luminância quantizado
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Guido Stolfi 18 / 103
Amostragem da Luminância
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Percepção correspondente ao sinal de luminância quantizado (sem fator gama)
Guido Stolfi 19 / 103
Amostragem da Luminância (com fator Gama)
Escala Linear em “Lightness”(Percepção Subjetiva de Intensidade), corrigida por fator
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Guido Stolfi 20 / 103
Amostragem da Luminância (com fator Gama)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Sinal de Luminância com correção gama, quantizado
Guido Stolfi 21 / 103
Amostragem da Luminância (com fator Gama)
Sinal de Luminância equivalente
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Guido Stolfi 22 / 103
Amostragem da Luminância (com fator Gama)
Percepção correspondente ao sinal de luminância quantizado (com fator gama)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
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 ( fA 3 fM) para imagens “naturais”
• Filtro “anti-aliasing” não pode afetar os transientes espaciais (p. ex.: gaussiano )
Guido Stolfi 24 / 103
Estruturas de Amostragem Espacial
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
Guido Stolfi 26 / 103
Estruturas de Amostragem Espacial
• HDTV (SMPTE 274M)
– 1920 x 1080 i
– 1280 x 720 p
Guido Stolfi 27 / 103
Estrutura de Amostragem 4 : 4 : 4
=Crominância = Luminância
Guido Stolfi 28 / 103
Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 2
=Crominância = Luminância
( Rec. 601 )
Guido Stolfi 29 / 103
Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (MPEG-2)
=Crominância = Luminância
Guido Stolfi 30 / 103
Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (MPEG-1)
=Crominância = Luminância
Guido Stolfi 31 / 103
Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (DV)
=Crominância = Luminância
Guido Stolfi 32 / 103
Estrutura de Amostragem 4 : 1 : 1
=Crominância = Luminância
Guido Stolfi 33 / 103
Interfaces de Video Digital
Guido Stolfi 34 / 103
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
Guido Stolfi 35 / 103
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’
Guido Stolfi 36 / 103
Rec. CCIR-601 (“D-1”)
• Componentes Digitalizadas:
128)''(100
160
128)''(100
128
)'(16'100
219
YRC
YBC
IREunidadesemYYC
R
B
Y
(8 bits)
Guido Stolfi 37 / 103
Estrutura de Amostragem D-1 (4:2:2)
Y’
CB
CR
Seqüência deAmostras
Componentes:
(B’-Y’)
(R’-Y’)
148 ns 74 ns
CB CRCY CY CB CRCY CY
Guido Stolfi 38 / 103
Digitalização de uma Linha de Vídeo
Guido Stolfi 39 / 103
Intervalo de Retraço Horizontal D-1
Guido Stolfi 40 / 103
Bloco Delimitador de Amostras Ativas
Bit 9 8 7 6 5 4 3 2
1 1 1 1 1 1 1 1
Preâm-bulo
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
Dados 1 Campo
0/1 Blank
Vertica
l
SAV /
EAV P3 P2 P1 P0
Guido Stolfi 41 / 103
Compatibilidade do D-1 para 50 / 60 Hz
720 amostras (CY)
144 Amostras
63.56 s
fV=59.94 HzfH =15.734 kHz
720 amostras (CY)
138 Amostras
64.0 s
Retraço Linha visível
fA = 13.5 MHz
fV=50.0 HzfH =15.625 kHz
Guido Stolfi 42 / 103
Padrão de Barras Digitalizado por D-1
Guido Stolfi 43 / 103
Padrão de Vídeo Digital “D-2”
• “Digital Composite”
• Amostragem do Sinal de Vídeo Composto
• fA = 14.32 MHz (4 x fSC)
• 8 / 10bits
• Interface física: ECL, balanceado, 8/ 10 bits + clock (similar à D-1)
Guido Stolfi 44 / 103
Níveis de Quantização para D-2
60
4
200
255Branco Máximo
Apagamento
Tôpo do Sincronismo
Máximo
Guido Stolfi 45 / 103
Padrão HDTV Digital (SMPTE 274 M)
• 1125 linhas totais (1080 ativas)• 2200 amostras por linha (1920 ativas)• Duração da Linha: 29.63 s
• Interface Analógica: Componentes Y’ PB’PR’
• fA = 74.18 MHz (Y’) e 37.09 MHz (PB’,PR’)
• 8 ou 10 bits • Interface física: Serial, coaxial, 1,483 Gb/s
Guido Stolfi 46 / 103
Fator Gama para HDTV (ITU Rec. 709)
1018,0099,1
018,005,4
'45,0 VV
VV
V
( V = R, G, B )
Guido Stolfi 47 / 103
Colorimetria para HDTV (ITU Rec. 709)
Componentes Analógicas:
• Y’ = 0,2126 R’ + 0,7152 G’ + 0,0722 B’
• PB = – 0,114572 R’ – 0,385428 G’ + 0,5 B’
• PR = 0,5 R’ – 0,454153 G’ – 0,045847 B’
Guido Stolfi 48 / 103
Padrão HDTV Digital (SMPTE 274 M)
Guido Stolfi 49 / 103
Colorimetria para HDTV (ITU Rec. 709)
• Componentes Digitalizadas:
128)''(7874,0
112
128)''(9278,0
112
)'(16'219
YRC
YBC
1 a 0 de variandoYYC
R
B
Y
Guido Stolfi 50 / 103
Conversão HDTV / SDTV
• Conversão de Rec. 709 para Rec. 601:
709601
'
9834,00725,00
1107,09898,00
1917,00993,01'
R
B
R
B
C
C
Y
C
C
Y
Guido Stolfi 51 / 103
Conversão HDTV / SDTV
• Conversão de Rec. 601 para Rec. 709:
601709
'
0253,107505,00
1146,00186,10
2079,01156,01'
R
B
R
B
C
C
Y
C
C
Y
Guido Stolfi 52 / 103
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
Guido Stolfi 53 / 103
Dicionário de Código de Grupo 8/9 CCIR
8 bits 9 bits+ 9bits- 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)
Guido Stolfi 54 / 103
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
Guido Stolfi 55 / 103
Scrambler para Interface SDI
D D D D D D D D D D
Entrada
Serial Saída
"Scrambler" Cod. Diferencial
Guido Stolfi 56 / 103
Sinais Patológicos para Teste de SDI
CB CRCY CY
300 300198 198
CB CRCY CY
200 200110 110
1 bit
19 bits
20 bits
20 bits
Guido Stolfi 57 / 103
Taxa de Erros x Comprimento de Cabo
0,00001
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
105 110 115 120 125
Comprimento do cabo (m)
Err
os p
or s
egun
do
1 / dia
1 / hora
1 / minuto
1 / segundo
1 / frame
Guido Stolfi 58 / 103
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)
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
Guido Stolfi 60 / 103
DVI – Digital Visual Interface
Transmissão por fonte de corrente balanceada
Guido Stolfi 61 / 103
DVI – Digital Visual Interface
Guido Stolfi 62 / 103
DVI – Digital Visual Interface
DecodificaçãoT.M.D.S.
Guido Stolfi 63 / 103
DVI – Digital Visual Interface
PLL
Serializador
Pixel Clock
Dados Pixel(24 bits)
25~165 MHz
PLL
Decodificador
Transmissor Receptor
(24 bits)
3 canaisTMDS
Canal Clock
Pixel Clock
Guido Stolfi 64 / 103
HDMI – High Definition Multimedia Interface
• Especificação: HDMI – Hitachi– Matsushita– Philips– Silicon Image– Sony– Thomson– Toshiba
Guido Stolfi 65 / 103
HDMI – High Definition Multimedia Interface
Guido Stolfi 66 / 103
Conectores DVI e HDMI
Guido Stolfi 67 / 103
Interfaces para Video Comprimido
Guido Stolfi 68 / 103
Interface IEEE1394 (Firewire)
2 pares para Dados / Strobe balanceados1 par para Alimentação CC100 a 800 Mb/s (IEEE1394-B)
Guido Stolfi 69 / 103
Vídeo Sobre IEEE1384
188 bytes
192 bytes
24 24 24 24 24 24 2424
Pacote MPEG-2
Time Code
Blocos
D DPacotes isócronos IEEE1394
Guido Stolfi 70 / 103
Interface DVB-SPI
• “Synchronous Parallel Interface”
• Rec. ETSI- EN50083-9
• Interface paralela para Pacotes “Transport Stream”
• 8 bits + Clock + Sincronismo
• Interface física: LVDS (balanceado)
• Conector DB-25
Guido Stolfi 71 / 103
Interface DVB-SPI
Pacotes de Transporte MPEG-2
Guido Stolfi 72 / 103
Interface DVB-SPI
Sinais na Interface DVB-SPI
Guido Stolfi 73 / 103
Interface DVB-SPI
Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 188 bytes
Guido Stolfi 74 / 103
Interface DVB-SPI
Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 204 bytes (16 bytes de enchimento)
Guido Stolfi 75 / 103
Interface DVB-SPI
Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 204 bytes (com codificação Reed-Solomon)
Guido Stolfi 76 / 103
Interface DVB-SPI
Sinais na Interface DVB-SPI – temporização de Clock e Dados
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 OhmsAmplitude do Sinal: 247 a 475 mV (Tx)
Guido Stolfi 78 / 103
Pinagem do Conector DVB-SPI
Guido Stolfi 79 / 103
Interface ASI
• “Asynchronous Serial Interface”
• Meio: Cabo Coaxial 75 Ohms
• Taxa de bits: 270 Mb/s
• Amplitude; 800 mVpp (Tx)
Guido Stolfi 80 / 103
Interface ASI
Codificação 8 / 10 bits
Inserção de Sincronismo
(K.28.5)
Conversor Paralelo / série
AmplificadorAcoplamento
Pacotes TS
Saida 75 Ohms
Guido Stolfi 81 / 103
Dicionário de Código 8 / 10
8 bits 10 bits+ 10 bits- 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)
Guido Stolfi 82 / 103
Interface ASI
Pacotes completos
Bytes intercalados
Guido Stolfi 83 / 103
Processamento Digital de Vídeo
Guido Stolfi 84 / 103
Processamento de Vídeo: TBC
Shift RegisterA/D D/A
VCO
PLL
Separador desincronismo
Ref. Freq.
Guido Stolfi 85 / 103
Processamento de Vídeo: Frame Buffer
Dados
Endereço
Video In Video Out
Genlock
Memória
RAM
A/D
Separador de Sincronismo
Ponteiro deEscrita
Ponteiro de Leitura
D/A
Separador de Sincronismo
1 quadro = 720 x 480 x 2 = ~700 kBytes
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 deEscrita
D/A
Filtragem espacial / temporal (intra / inter frames)
Guido Stolfi 87 / 103
Efeitos de Transformações Geométricas
Dados
Endereço
Video In Saída
Genlock
Memória
RAM
A/D
Separador Sincronismo
Ponteiro deEscrita
Ponteiro de Leitura
Interpolação Decimação
Mapea-mento
(xR, yR) (xE, yE)
Guido Stolfi 88 / 103
Exemplo: Translação
TY
TX
YRE
XRE
Tyy
Txx
110
01R
R
Y
X
E
E y
x
T
T
y
x
xE
yE
Guido Stolfi 89 / 103
Generalização para 3 Dimensões
(Projeção em x, y zR = 0 )
RER
R
R
Z
Y
X
E
E
E
vTvz
y
x
T
T
T
z
yx
11000
100
010
001
1
Guido Stolfi 90 / 103
Escalamento em x, y
SY
SX
1000
0100
0010
0001
Y
X
S
S
S
Guido Stolfi 91 / 103
Rotações nos Eixos x, y, z
1000
0cossen0
0sencos0
0001
11
11
R
1000
0cos0sen
0010
0sen0cos
11
11
R
1000
0100
00cossen
00sencos
R
Guido Stolfi 92 / 103
Operações Conjugadas
ER vTSRv
Guido Stolfi 93 / 103
Perspectiva
xE, yE, zE
z
y
x
xR
yR
Plano de Projeção
Ponto de Observação
Guido Stolfi 94 / 103
Transformações de Perspectiva
E
ER
E
ER
z
yy
z
xx
E
ER
E
ER
z
yy
z
xx
Guido Stolfi 95 / 103
Interpolação e Decimação Espaciais
A
B
Guido Stolfi 96 / 103
Transcrição de Formatos de Varredura
Estrutura de Amostragem
de Saída
Estrutura de Amostragem de Entrada
Interpolação Bilinear
y
t
Guido Stolfi 97 / 103
“Chroma Key”
Plano de Fundo
1o. Plano Chave
Decodi-ficador
Compa-rador
Referência
Imagem Composta
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 Distorçãopor Multi-percurso
Guido Stolfi 99 / 103
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 = 10.411.200 pixels/s
8 bits ( 1 + 1/2 + 1/2) = 166,58 Mbit/s
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
= 10.555.800 amostras/s 8 bits = 84,45 Mbit/s
Guido Stolfi 101 / 103
Necessidade de Compressão de Dados
• Taxa de Bits para HDTV (SMPTE-274M)
• 1920 pixels 1080 linhas 30 quadros/s
= 62.208.000 pixels/s
8 bits (1 + 1/2 + 1/2) = 995 Mbit/s
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
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.