COMPRESSO DE FILMES GRUPO Alessandra Antunes Vargas Anderson

COMPRESSÃO DE FILMES GRUPO: Alessandra Antunes Vargas Anderson Konzen Débora Rampanelli Lucia S. Saldivar Dezembro/2000

Tópicos abordados • Técnicas de Codificação • Normas – Histórico – Características Principais • Compressão MPEG • Aplicações – DVD – Di. VX

Introdução Compressão de Vídeo/Som é usado para: - Televisão Digital/HDTV - Teleconferência - Transmissão de Imagens em Redes de Comunicação - Armazenamento de Imagens

CODIFICAÇÃO: Principais Ferramentas • Pulse Code Modulation (PCM) • Preditiva – Diferenças Espaciais – Inter-trama compensação de movimento • De Transformada • Entrópica

Esquemas Híbridos de Codificação de Transformada associada à transmissão de diferenças no tempo compensação de movimento. • Pulse Code Modulation (PCM) Representação discreta no tempo e discreta na amplitude.

• Codificação Preditiva DPCM (Differential Pulse Code Modulation) Prediz cada amostra a ser codificada, usando valores de amostras já codificadas. Codifica apenas o erro de predição. Baseia-se no pressuposto da redundância do sinal (no espaço e/ou no tempo). • Eficiência: proporcional à precisão das predições. • Desvantagem: Propagação de erros, sendo necessário o uso de técnicas não preditivas.

• CODIFICAÇÃO DE DIFERENÇAS ESPACIAIS Aplicado à uma imagem fixa, cada amostra é predita usando as amostras vizinhas no espaço e já codificadas. Explora a redundância espacial contida na imagem. • CODIFICAÇÃO INTER-TRAMA Cada amostra k de de uma seqüência de imagens é codificada com a predição da amostra correspondente na imagem anterior, k-1. Explora a redundância temporal, transmitindo o erro onde houve mudança.

• CODIFICAÇÃO INTER-TRAMA COMPENSAÇÃO DE MOVIMENTO Melhora da codificação inter-trama, considerando o movimento existente. Diminuição do erro de predição, a partir da detecção e compensação do movimento, baseando em imagens passadas, futuras ou ambas. Divisão das imagens em blocos, sendo cada bloco estimado em um vetor de movimento.

Exemplo

• Codificação de Transformada Converte um bloco de amostras num bloco de coeficientes. Obtida através da quantificação dos coeficientes significativos em termos energéticos. Explora a correlação espacial das amostras. Maior interesse: Transformadas com interpretação na freqüência. Cada coeficiente transporta a energia de uma combinação de freqüências horizontais e verticais, correspondendo à variação espacial do sinal. Quantifica os sinais de modo seletivo, de acordo com a sensibilidade do sistema visual humano. • Transformada de Cosseno Discreta: melhor desempenho em compactação de energia.

DCT - Exemplo

• Codificação Entrópica Atribui a cada símbolo (gerado por qualquer técnicas de compressão) uma palavra de código, tendo em conta a distribuição estatística da ocorrência dos vários símbolos. Todas as normas internacionais usam a codificação entrópica, normalmente a codificação de Huffman ou codificação aritmética. Principal aspecto: Reversibilidade

Primeira Geração de Normas de Codificação Digital de Imagem e Vídeo

Primeira Geração de Normas de Codificação Digital de Imagem e Vídeo

Principais Normas de Codificação Digital de Imagens e Vídeo • ITU-R 601 - Codificação de sinais televisivos em estúdio. - Sinal de luminância, Y, e dois de crominância, U e V, amostrados a uma frequência, de 13. 5 e 6. 75 MHz, respectivamente. - Não estabelece qualquer método de compressão de informação limitando-se a usar PCM. • ITU-T H. 120 - Transmissão de videoconferência através das linhas digitais da 1ª. hierarquia. - Usa o preenchimento condicional, uma forma particular de DPCM onde se envia o erro de predição se este for superior a um dado limite. - Ainda não usava compensação de movimento. • ITU-T H. 261 - Codificação de sinal de vídeo com taxas de px 64 Kbits/s, 1<= p <= 30. - Consagra, pela primeira vez, o esquema de codificação híbrida.

Principais Normas de Codificação Digital de Imagens e Vídeo • ISO/JPEG - Codificação de imagens fixas. - Algoritmo de codificação para imagens fotográficas multi-nível (tons de cinza) ou a cores baseado na codificação de transformada. - Foram definidos quatro modos principais de operação: sequencial, progressivo, hierárquico e sem perdas. • ISO/MPEG 1 - Resposta à crescente procura de uma norma para gravação digital de vídeo. - Mesmo esquema de codificação híbrida que a norma H. 261. - Como é usada para gravação permite que a codificação não seja em tempo real, podendo manipular-se cuidadosamente a distribuição dos recursos (bits) disponíveis, aumentando com isso a qualidade subjetiva final. - Imagens não entrelaçadas com resolução espacial CIF, a 25 Hz. - Norma de codificação de áudio e norma de sistema, definindo a multiplexagem e a sincronização dos sinas de vídeo e áudio. A codificação de áudio pode ser feita segundo vários modos, usando débitos binários entre 32 e 448 kbit/s, e um ou dois canais.

Principais Normas de Codificação Digital de Imagens e Vídeo • ISO/MPEG 2 ou ITU-T H. 262 - Norma de codificação para a televisão digitais, sinais áudio-visuais digitais. - Mesmas ferramentas de codificação que a norma MPEG 1. - Destinava-se a média resolução, mas foi estendida também para alta definição. -Taxas entre 4 e 10 Mbit/s para média resolução e aproximadamente 4 vezes maior para alta definição. - Perfis (codificação) e níveis (resolução, débito binário e complexidade). - Considera para áudio taxas entre 32 e 344 Kbit/s (como a norma MPEG 1), mas permite o uso de um a cinco canais de áudio. • ITU- T H. 263 - Melhores desempenhos que a norma H. 261 para as taxas mais baixas de uso desta norma, ou seja, 64 e 128 kbit/s = melhoria da codificação híbrida. - Comunicações vídeo-telefônicas a taxas muito baixas. - Aplicações não só em vídeo-telefonia na rede analógica mas também na vídeo-telefonia em redes móveis e controle remoto áudio-visual.

A Norma ISO/MPEG 4 -A Revolução Tranqüila- Áreas consideradas pela norma MPEG 4 • Objetivo da norma MPEG 4: solução das expectativas criadas na referida convergência dos três mundos, especificando uma norma de representação de informação áudio-visual com potencialidades em termos de interatividade, elevada compressão e acesso universal. Mais ainda, de modo a levar em conta a rápida evolução dos métodos, do hardware e do software, a norma deverá apresentar boas capacidades em termos de flexibilidade e extensibilidade, ou seja, uma revolução tranqüila.

Funcionalidades da norma MPEG 4 • Interatividade com base nos conteúdos - capacidade de interagir com os "objetos"/conteúdos áudio-visuais da cena. - acesso a bases de dados multimídia com base em conteúdos, e a manipulação de conteúdos ou a representação integrada de informação natural e sintética • Elevada compressão - codificação de cenas com múltiplas perspectivas/vistas, chamadas sequências estereoscópicas, abrindo novas perspectivas em termos do “realismo” das aplicações. - aplicações de entretenimento, de simulação de treino, por exemplo de aviões, e genericamente as apresentações multimídia, destinadas à educação. • Acesso universal - escalabilidade de conteúdos: informação de vídeo organizada em termos de "objetos", tendo cada objeto maior ou menor prioridade consoante a sua importância na cena e sendo cada objeto representado de modo adequado às suas características próprias; isto significa que um objeto em movimento deverá ter maior resolução temporal do que um objeto parado na cena e vice-versa. No fundo, a escalabilidade de conteúdos implica uma "descrição organizada da cena" onde os métodos e parâmetros da representação são adaptados a cada unidade de conteúdo.

Exemplo da interatividade com base nos conteúdos: A- Original decodificada B- Decodificada e manipulada Cada objeto é codificado em vetores de bits separados. - Forma, transparência, coordenadas espaciais, parâmetros descritivos como zoom, rotação, translação, etc. são incluídos nesse vetor de bits. - O usuário pode decodificar a sequência original ou manipulá - la através de operações simples de edição, sem a necessidade de outra codificação. -

Compressão MPEG Utiliza dois tipos de métodos de compressão: • Interframe - Baseada em técnicas de predição e interpolação • Intraframe

Codificação Preditiva É um tipo de codificação interframe, onde apenas as diferenças entre os quadros atual e anterior são codificadas. Predição Bidirecional Também é do tipo interframe e codifica o quadro atual baseado nas diferenças entre o atual, o passado e o próximo quadro do vídeo. Este tipo de codificação interframe é chamado de motion-compensated interpolative enconding.

Tipos de quadros codificados: • I-frames (codificação intraframe) • P-frames (codificação preditiva) • B-frames (codificação bidirecional) I-frame contém um simples quadro codificado. P-frame é construído predizendo as diferenças entre o quadro atual e o anterior I- ou P-frame. B-frame é construído dos dois mais próximos P- ou I-frames. O B-frame deve ser posicionado entre estes I- ou P-frames.

Exemplo de uma seqüência de quadros MPEG

Mas o dado MPEG não é decodificado e mostrado na mesma seqüência em que foi codificado. Por causa do B-frame se referir a dois quadros por predição, ambos quadros devem ser decodificados antes. No exemplo, o I-frame é decodificado primeiro. Mas antes dos B-frames serem decodificados, o P-frame deve ser decodificado e guardado na memória com o I-frame. Depois disso é que os B-frames são decodificados. No exemplo, a cadeia de quadros é: IBBPBBPBBI mas é decodificada assim: IPBBPBBIBB E finalmente mostrada na seqüência original.

Uma vez os quadros construídos, temos uma compressão DCT, similar à utilizada nas arquivos JPEG, onde a codificação interframe reduz a redundância temporal e a codificação DCT reduz a redundância espacial. A sincronização entre áudio e vídeo é feita através de marcadores de tempo que são afixados durante a codificação nos identificadores de blocos.

Algumas “features” do algoritmo de codificação do MPEG 4 • Padrão MPEG-1 Y: U: V representação de intensidade de luminância e crominância no formato 4: 2: 0, cada pixel quantizado em 8 bits. O tamanho do quadro e a frequência dependem da aplicação. • É compatível com as codificações Intra (I), de predição temporal (P) e predição bi-direcional (B) de quadros. • Baseado em blocos de 8 x 8 pel e/ou macro-blocos de 16 x 16 pel- com estimação e compensação de movimento. • Codificação de textura em I, P e B-VOP's usando a DCT, seguida da quantização MPEG-1/2 ou H. 261/3. • Eficiente predição de DC- e AC-coeficientes da DCT em frames Intra codificados (VOP's). • Pedaços de macroblocos adaptativos, marcas de movimento e tratamento de bits para ressincronização em ambientes propensos a erros.

DVD • O que é DVD • O caminho do CD ao DVD • Novas Tecnologias (Divx)

CARACTERÍSTICAS DO DVD • • • Primeiro meio de distribuição projetado para vídeo digital 17 bilhões de bytes (9 horas de filme) Mesmo diâmetro e espessura de um CD DVD players capazes de reproduzir CD’s Assim como o CD, durável e tolerante à pó, sujeira e impressões digitais • Utiliza padrão de codificação MPEG-2

CAMINHO DO CD AO DVD • Há 14 anos foi lançado o Compact Disk, que tem desfrutado de muito sucesso • Música, aplicações em computação( CD-ROM), imagens(Photo CD) e vídeo games. • Desde sua introdução, vemos significativos avanços na tecnologia que suporta o CD. • Estes avanços tormaram-se brincadeira quando anunciada a próxima geração de meios óticos. • Este foi o início do DVD.

O QUE É NOVO E DIFERENTE? • O DVD suporta 4, 7 Gbytes por camada • Permite dupla camada em um único lado • Comparação do tamanho das cavidades do CD versus DVD:

Comparação do tamanho das cavidades do CD versus DVD:

VANTAGENS DO DVD-ROM • • • Maior capacidade Compatibilidade reversa Transferência de dados mais rápida Capacidade futura de regravação Custo acessível

DESVANTAGENS DO DVD • Preocupação nas grandes empresas, no sentido de frear a falsificação e também para controlar o momento do lançamento dos filmes em cada mercado. • Zonas definidas: • 1) América do Norte • 2) Japão, Europa, Oriente Médio e África do Sul • 3) Ásia Sul • 4) Austrália, Nova Zelândia, América do Sul e América Central • 5) Ásia Norte e África Norte • 6) China

DIVX; -) • • Pode ser o novo Napster para filmes Combina a tecnologia MP 3 e MPEG-4 É um CODEC (programa de compressão) Usado com outros utilitários, tornaria possível copiar um filme de um DVD e gerar um filme para ser gravado num CD-ROM ou facilitar a transmissão pela internet. • Mesmo com uma conexão de 1, 544 Mbps são necessários 45 minutos para transmitir um filme de 2 horas em Div. X; -)

• Já há briga na justiça por causa do decodificador De. CSS • A popularidade atingida pela codificação MPEG-4, que já “transitou” para o público é enorme. • O MPEG-4 poderá revolucionar a breve prazo a multimídia no mundo informático e na internet.

Bibliografia - Mitchell, Joan L. ; Pennebaker, W. ; Fogg, C. ; Le. Gall, D. MPEG Video Compression Standard. ITP. 1996. - www. img. lx. pt/~fp/artigo 52. htm - www. co. it. pt/seminarios/ondulas/compressao/index. html - amalia. img. lx. it. pt/~fp/artigo 92. htm - www. bsi. com. br/bsi/servicos/servdvd. html - www. hometheater. com. br/artigos