Formatos de Vdeo Digital Televiso Digital Guido Stolfi

Formatos de Vídeo Digital Televisão Digital Guido Stolfi Mackenzie 4 / 2008 Guido Stolfi 1 / 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 2 / 103

Degradações do Sinal Analógico Guido Stolfi 3 / 103

O Sinal Digital na TV • Processamento de Sinal • Armazenamento • Transmissão Digital Guido Stolfi 4 / 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 5 / 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 6 / 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 7 / 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 8 / 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 9 / 103

Transmissão Digital (Não percam próximos capítulos. . ) Guido Stolfi 10 / 103

Digitalização de Vídeo • Amostragem Temporal (quadros) • Amostragem Espacial Vertical (varredura) • Amostragem Espacial Horizontal ( f. A ) • Quantização Guido Stolfi 11 / 103

Relação Sinal / Ruído na Quantização f. S/2 f. V f. S f Guido Stolfi 12 / 103

Relação S / R com “Headroom” VT VB-VP Guido Stolfi 13 / 103

Ponderação pela MTF da Visão onde f 1= 270 k. Hz, f 2 = 1. 37 MHz e f 3 = 390 k. Hz f Guido Stolfi 14 / 103

Relação S / R de Quantização Total f. S 8 bits 2 f. V VT 100 IRE MTF Guido Stolfi 15 / 103

Amostragem da Luminância (sem fator Gama) Escala Linear em “Lightness” (Percepção Subjetiva de Intensidade) Guido Stolfi 16 / 103

Amostragem da Luminância Sinal de Luminância quantizado Guido Stolfi 17 / 103

Amostragem da Luminância Percepção correspondente ao sinal de luminância quantizado (sem fator gama) Guido Stolfi 18 / 103

Amostragem da Luminância (com fator Gama) Escala Linear em “Lightness” (Percepção Subjetiva de Intensidade), corrigida por fator Guido Stolfi 19 / 103

Amostragem da Luminância (com fator Gama) Sinal de Luminância com correção gama, quantizado Guido Stolfi 20 / 103

Amostragem da Luminância (com fator Gama) Sinal de Luminância equivalente Guido Stolfi 21 / 103

Amostragem da Luminância (com fator Gama) Percepção correspondente ao sinal de luminância quantizado (com fator gama) Guido Stolfi 22 / 103

Critérios de Amostragem de Vídeo • Vídeo é amostrado na forma perceptual (com correção Gama) • Taxa de Amostragem obedece critério de Kell ( f. A 3 f. M) para imagens “naturais” • Filtro “anti-aliasing” não pode afetar os transientes espaciais (p. ex. : gaussiano ) Guido Stolfi 23 / 103

Estruturas de Amostragem Espacial Guido Stolfi 24 / 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 25 / 103

Estruturas de Amostragem Espacial • HDTV (SMPTE 274 M) – 1920 x 1080 i – 1280 x 720 p Guido Stolfi 26 / 103

Estrutura de Amostragem 4 : 4 =Crominância = Luminância Guido Stolfi 27 / 103

Estrutura de Amostragem 4 : 2 ( Rec. 601 ) =Crominância = Luminância Guido Stolfi 28 / 103

Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (MPEG-2) =Crominância = Luminância Guido Stolfi 29 / 103

Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (MPEG-1) =Crominância = Luminância Guido Stolfi 30 / 103

Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (DV) =Crominância = Luminância Guido Stolfi 31 / 103

Estrutura de Amostragem 4 : 1 =Crominância = Luminância Guido Stolfi 32 / 103

Interfaces de Video Digital Guido Stolfi 33 / 103

Rec. ITU-R Rec. 601 • • • (“D-1”) Originalmente CCIR-601 “Digital Components” ou “ 4: 2: 2” Amostragem separada de Y’, CB e CR f. A = 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 34 / 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 35 / 103

Rec. CCIR-601 (“D-1”) • Componentes Digitalizadas: (8 bits) Guido Stolfi 36 / 103

Estrutura de Amostragem D-1 (4: 2: 2) Seqüência de Amostras CB CY CR CY Componentes: Y’ 148 ns 74 ns CB (B’-Y’) CR (R’-Y’) Guido Stolfi 37 / 103

Digitalização de uma Linha de Vídeo Guido Stolfi 38 / 103

Intervalo de Retraço Horizontal D-1 Guido Stolfi 39 / 103

Bloco Delimitador de Amostras Ativas Bit Preâmbulo Dados 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 1 1 0 0 0 0 1 Campo Blank SAV / P 3 P 2 P 1 P 0 0/1 Vertical EAV Guido Stolfi 40 / 103

Compatibilidade do D-1 para 50 / 60 Hz Retraço 138 Amostras Linha visível 720 amostras (CY) f. V=59. 94 Hz f. H =15. 734 k. Hz 63. 56 s 144 Amostras 720 amostras (CY) 64. 0 s f. V=50. 0 Hz f. H =15. 625 k. Hz f. A = 13. 5 MHz Guido Stolfi 41 / 103

Padrão de Barras Digitalizado por D-1 Guido Stolfi 42 / 103

Padrão de Vídeo Digital “D-2” • • • “Digital Composite” Amostragem do Sinal de Vídeo Composto f. A = 14. 32 MHz (4 x f. SC) 8 / 10 bits Interface física: ECL, balanceado, 8/ 10 bits + clock (similar à D-1) Guido Stolfi 43 / 103

Níveis de Quantização para D-2 Guido Stolfi 44 / 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’ f. A = 74. 18 MHz (Y’) e 37. 09 MHz (PB’, PR’) 8 ou 10 bits Interface física: Serial, coaxial, 1, 483 Gb/s Guido Stolfi 45 / 103

Fator Gama para HDTV (ITU Rec. 709) ( V = R, G, B ) Guido Stolfi 46 / 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 47 / 103

Padrão HDTV Digital (SMPTE 274 M) Guido Stolfi 48 / 103

Colorimetria para HDTV (ITU Rec. 709) • Componentes Digitalizadas: Guido Stolfi 49 / 103

Conversão HDTV / SDTV • Conversão de Rec. 709 para Rec. 601: Guido Stolfi 50 / 103

Conversão HDTV / SDTV • Conversão de Rec. 601 para Rec. 709: Guido Stolfi 51 / 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 52 / 103

Dicionário de Código de Grupo 8/9 CCIR 8 bits 9 bits+ 9 bits- 00 0 FE 101 37 196 - 01 027 - 38 026 1 D 9 02 1 D 8 - 39 08 C 173 03 033 - 3 A 02 C 1 C 3 04 1 CC - 3 B 098 167 (Trechos) Guido Stolfi 53 / 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 m. Vpp • Atenuação tolerada: até 30 d. B • Áudio digital nos intervalos de apagamento Guido Stolfi 54 / 103

Scrambler para Interface SDI Guido Stolfi 55 / 103

Sinais Patológicos para Teste de SDI 1 bit CB 300 CY 198 CR 300 CY 198 19 bits 20 bits CB 200 CY 110 CR 200 CY 110 20 bits Guido Stolfi 56 / 103

Taxa de Erros x Comprimento de Cabo 1 / frame 1 / segundo 1 / minuto 1 / hora 1 / dia Guido Stolfi 57 / 103

Interface HD-SDI (SMPTE 292 M) • • 10 bits 1. 485 GB/s (Y’: CB: CR 4: 2: 2) Codificação semelhante à SDI Cabo Coaxial 75 Ohms, 800 m. Vpp Atenuação tolerada: 20 d. B CRC e número de linha após EAV Alternativa: Fibra Óptica (1310 nm) Guido Stolfi 58 / 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 59 / 103

DVI – Digital Visual Interface Transmissão por fonte de corrente balanceada Guido Stolfi 60 / 103

DVI – Digital Visual Interface Guido Stolfi 61 / 103

DVI – Digital Visual Interface Decodificação T. M. D. S. Guido Stolfi 62 / 103

DVI – Digital Visual Interface Pixel Clock 25~165 MHz Canal Clock PLL Dados Pixel (24 bits) PLL (24 bits) Serializador Decodificador 3 canais. TMDS Transmissor Receptor Guido Stolfi 63 / 103

HDMI – High Definition Multimedia Interface • Especificação: HDMI – Hitachi – Matsushita – Philips – Silicon Image – Sony – Thomson – Toshiba Guido Stolfi 64 / 103

HDMI – High Definition Multimedia Interface Guido Stolfi 65 / 103

Conectores DVI e HDMI Guido Stolfi 66 / 103

Interfaces para Video Comprimido Guido Stolfi 67 / 103

Interface IEEE 1394 (Firewire) 2 pares para Dados / Strobe balanceados 1 para Alimentação CC 100 a 800 Mb/s (IEEE 1394 -B) Guido Stolfi 68 / 103

Vídeo Sobre IEEE 1384 Pacote MPEG-2 188 bytes Time Code Blocos Pacotes isócronos IEEE 1394 192 bytes 24 24 24 D Guido Stolfi 69 / 103

Interface DVB-SPI • “Synchronous Parallel Interface” • Rec. ETSI- EN 50083 -9 • Interface paralela para Pacotes “Transport Stream” • 8 bits + Clock + Sincronismo • Interface física: LVDS (balanceado) • Conector DB-25 Guido Stolfi 70 / 103

Interface DVB-SPI Pacotes de Transporte MPEG-2 Guido Stolfi 71 / 103

Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI Guido Stolfi 72 / 103

Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 188 bytes Guido Stolfi 73 / 103

Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 204 bytes (16 bytes de enchimento) Guido Stolfi 74 / 103

Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 204 bytes (com codificação Reed-Solomon) Guido Stolfi 75 / 103

Interface DVB-SPI Sinais na Interface DVB-SPI – temporização de Clock e Dados Guido Stolfi 76 / 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 Ohms Amplitude do Sinal: 247 a 475 m. V (Tx) Guido Stolfi 77 / 103

Pinagem do Conector DVB-SPI Guido Stolfi 78 / 103

Interface ASI • • “Asynchronous Serial Interface” Meio: Cabo Coaxial 75 Ohms Taxa de bits: 270 Mb/s Amplitude; 800 m. Vpp (Tx) Guido Stolfi 79 / 103

Interface ASI Pacotes TS Codificação 8 / 10 bits Inserção de Sincronismo (K. 28. 5) Conversor Paralelo / série Amplificador Acoplamento Saida 75 Ohms Guido Stolfi 80 / 103

Dicionário de Código 8 / 10 8 bits 10 bits+ 10 bits- 00 18 B 274 37 059 3 A 9 01 22 B 1 D 4 38 0 C 9 339 02 12 B 2 D 4 39 169 269 03 314 31 B 47 385 075 04 0 AB 354 K. 28. 5 305 0 FA (Trechos) Guido Stolfi 81 / 103

Interface ASI Pacotes completos Bytes intercalados Guido Stolfi 82 / 103

Processamento Digital de Vídeo Guido Stolfi 83 / 103

Processamento de Vídeo: TBC A/D Shift Register VCO Ref. Freq. D/A Separador de sincronismo PLL Guido Stolfi 84 / 103

Processamento de Vídeo: Frame Buffer Video In A/D Dados D/A Memória Separador de Sincronismo Separador de Sincronismo Video Out Genlock RAM Ponteiro de Escrita Endereço Ponteiro de Leitura 1 quadro = 720 x 480 x 2 = ~700 k. Bytes Guido Stolfi 85 / 103

Redutor de Ruído Digital Video In A/D Dados Memória Separador Sincronismo RAM Ponteiro de Escrita Endereço a b Video Out + D/A c d Filtragem espacial / temporal (intra / inter frames) Guido Stolfi 86 / 103

Efeitos de Transformações Geométricas Video In A/D Dados Interpolação Decimação Saída Memória Separador Sincronismo Genlock RAM Ponteiro de Escrita Endereço Mapeamento Ponteiro de Leitura (x. R, y. R) (x. E, y. E) Guido Stolfi 87 / 103

Exemplo: Translação TY y. E x. E TX Guido Stolfi 88 / 103

Generalização para 3 Dimensões (Projeção em x, y z. R = 0 ) Guido Stolfi 89 / 103

Escalamento em x, y SY SX Guido Stolfi 90 / 103

Rotações nos Eixos x, y, z Guido Stolfi 91 / 103

Operações Conjugadas Guido Stolfi 92 / 103

Perspectiva y x E , y E , z. E y. R Ponto de Observação z x. R Plano de Projeção x Guido Stolfi 93 / 103

Transformações de Perspectiva Guido Stolfi 94 / 103

Interpolação e Decimação Espaciais A B Guido Stolfi 95 / 103

Transcrição de Formatos de Varredura Estrutura de Amostragem de Entrada Estrutura de Amostragem de Saída Interpolação Bilinear y t Guido Stolfi 96 / 103

“Chroma Key” Decodificador 1 o. Plano de Fundo Referência Comparador Chave Imagem Composta Guido Stolfi 97 / 103

Multi-percurso e Equalização SINAL PROCESSADO SINAL RECEBIDO SINAL TRANSMITIDO t 1 k 1 t 1 -k 1 t 2 k 2 t 2 -k 2 tn kn Modelo da Distorção por Multi-percurso tn -kn Equalizador Adaptativo no Receptor Guido Stolfi 98 / 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) = 166, 58 Mbit/s Guido Stolfi 99 / 103

Necessidade de Compressão de Dados • Taxa de Bits para Codificação D-2: • • 1 linha ativa = 51 s Taxa de Amostragem = 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 100 / 103

Necessidade de Compressão de Dados • Taxa de Bits para HDTV (SMPTE-274 M) • 1920 pixels 1080 linhas 30 quadros/s = 62. 208. 000 pixels/s • 8 bits (1 + 1/2) = 995 Mbit/s Guido Stolfi 101 / 103

Capacidade de Alguns Canais de Comunicação • Cabo Coaxial (Modulação 64 -QAM) – (Relação Sinal/Ruído Maior que 30 d. B) – Taxa Bruta: 43 MBits/s – Taxa Líquida: 38 MBits/s • Radiodifusão / UHF (Modulação 8 -VSB) – (Relação Sinal/Ruído Maior que 15 d. B) – 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 102 / 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. Guido Stolfi 103 / 103