1 31/7/2015 tv digital paulo ernesto moreira. 2 conversÃo analÓgico - digital tÉcnicas de...

127/04/23

TVDIGITAL

Paulo Ernesto Moreira

2

CONVERSÃO ANALÓGICO - DIGITAL

TÉCNICAS DE COMPRESSÃO

PRINCIPAIS PADRÕES

Seqüência de Abordagem

327/04/23

Forma de Aquisição e Principais Fontes

AQUISIÇÃO : As variações de luminosidade são convertidas em sinal elétrico

CÂMERAS E SCANNERS Principal componente : CCD Charge - Coupled Device

4

Sinais de Vídeo e Cor

RGB - Sinais obtidos de cada saída da câmera R Relativo ao vermelho contido na cena G Relativo ao verde contido na cena B Relativo ao azul contido na cena Y Vídeo ou luminância Y = 0,59G + 0,30R +0,11B C Croma ou cor

R - Y ou Cr Croma R sem luminância B - Y ou Cb Croma B sem luminância

527/04/23

Varredura e Resolução

Varredura progresiva : Todas as linhas consecutivamente

Varredura entrelaçada : campo ímpar - apenas as linhas ímpares campo par - apenas as linhas pares

Quadro : todas as linhas - fotograma completo

Pixel - elemento de imagem

Resolução - pixels / linha x nº de linhas

627/04/23

Por que Digital ?

Maior imunidade à ruídos

Possibilidade de controle por “software”

Possibilidade de correção de erros

Permite multiplexar diferentes mídias

Permite acesso condicionado

Facilidade de compressão de dados

727/04/23

DIGITALIZAÇÃO

ConversorAnalógico /

Digital

ConversorDigital /

Analógico

Processamentodo sinaldigital

Sinalanalógico

Sinalanalógico

Diagrama básico de uma comunicação digital

827/04/23

DIGITALIZAÇÃO

SINAIS ANALÓGICOS, DIGITAIS CONTÍNUOS E DISCRETOS

t

t

t

t

x(t)

x(t) x(t)

x(t)

Analógicocontínuo no

tempo

Analógicodiscreto no

tempo

Digitalcontínuo no

tempo

Digitaldiscreto no

tempo

927/04/23

DIGITALIZAÇÃO

A AMOSTRAGEM

t t

Sinal analógico Sinal discreto notempo (PAM)

x(t) x(t)

Pulsos deamostragem

1027/04/23

DIGITALIZAÇÃO

A QUANTIZAÇÃO

1

2

3

4

apro

xim

a pa

ra 1

apro

xim

a pa

ra 2

apro

xim

a pa

ra 3

apro

xim

a pa

ra 3

apro

xim

a pa

ra 4

apro

xim

a pa

ra 4

1

2

3

4

tt

Sinal com erro de quantização

pass

o

1127/04/23

DIGITALIZAÇÃO

A CODIFICAÇÃO

1

2

3

4

t

Código bináriobits “0” e “1”

Amostras quantizadas

000

001

010

011

100

Sequência transmitida:

000001010011100

Sinal elétrico

1227/04/23

DIGITALIZAÇÃO

BITS

BYTES

TAXA DE BITS: Tb

TAXA DE SÍMBOLOS: Ts

1327/04/23

720 Pixels 360 Pixels 360Pixels

486Linhas

486Linhas

486Linhas

Luminancia(Y)

Croma(Cr)

Croma(Cb)

"Picture Rate": 60 campos por segundo

"Active Picture Bit-rate":8 bits (720+360+360) x 486 x 8 x 30 = 168Mbps

Formatos e Notação A : B : C

Ex. 4:2:2 4 amostras para Y 2 amostras para Cr 2 amostras para Cb

1427/04/23

Parâmetro

Luminância ( Y )

Sinaisdiferença de cor

Cr e Cb(cada)

Taxa do sinal composto(não comprimido)

Amostraspor linhas

Amostragem(freq)

Codificação Taxa de saida

858

429

13,5MHz

6,75MHz 8-bit PCM

8-bit PCM 108 Mbps

54 Mbps

216 Mbps

Freqüência de Amostragem

Altas taxas de bits: Necessidade de compressão

1527/04/23

SEQUÊNCIA DE PIXELS IGUAIS

Redundância Espacial

Área com pixels iguais (luminância)

1627/04/23

Redundância Espacial

Área com pixels iguais (luminância e croma)

1727/04/23

quadro 1 quadro n quadro ( n + m)

Redundância Temporal

Toda ou parte da imagem repetida em quadros adjacentes

Luminância

1827/04/23

Redundância Temporal

Toda ou parte da imagem repetida em quadros adjacentes

Luminância e croma

C I S C O H A L L C I S C O H A L L C I S C O H A L L C I S C O H A L L

Frame 1Frame 2Frame 3Frame 4

1927/04/23

Técnicas de Compressão

Sub-amostragem (sub-sampling)

2027/04/23


Quantização grosseira (coarse quantization) Redução dos tons de cinza

2127/04/23

retardo( 1 pixel )

-

+

+

+

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. .. . . . ........ . . .. . ..

. .... ....... .

. . . . .. ...

. .. . . . . .

. . ... .. .

entr. saidacodificador

sinal de entrada

sinal de saida


Differential Pulse Code Modulation - DPCM Codificação da diferença entre amostras

2227/04/23

BLOCORESULTANTE

ÀREADE

BUSCA

D

BLOCO ANTERIOR

BLOCODESLOCADO D

Dx

Dy

D : VETOR DE MOVIMENTO


Compressão entre quadros (Interframes)

Casamento de blocos (Block Matching)

Vetor movimento (Motion Vector)

2327/04/23

SÍMBOLO PROBOCORRÊNCIA

S

S

S

S

1

2

3

4

p

p

p

p

=

=

=

=

1

2

3

4

0,60

0,20

0,15

0,05 1

01

0

1

0

0,20

0,40

1,0

Huffman Normal

0

10

110

111

00

01

10

11bits/simbbits/simb

1,6 2L = p1.S1 + p2.S2 + p3.S3 + p4.S4COMPMED

ALGORÍTMO


Codificação por entropia Codificação “Run-lenght” Codificação de Huffman

2427/04/23

domínio do tempo domínio do tempodomínio da freqüência

t f

F F


Transformadas : Domínio do tempo Domínio da freqüência

Objetivo Descarte de coeficientes menos significativos

2527/04/23

F (u,v ) = C (u) C (v)4

J=0 K=0

7 7

f (j,k) cos (2j + 1) u (2k+ 1) vcos16 16

TRANSFORMADA DIRETA :

ONDE :C (u) , C (v ) = 1

2para u,v = 0

C (u) , C (v ) = 1 para u,v = 0


DCT Transformada Discreta de Co-seno : Matriz 8x8 pixels Matriz 8x8 coeficientes Geração de coeficientes descorrelacionados Energia concentrada sobre alguns coeficientes Coeficientes nulos ou quase nulos

2627/04/23

139 144 149 153 155 155 155 155144 151 153 156 159 156 156 156150 155 160 163 158 156 156 156159 161 162 160 160 159 159 159159 160 161 162 162 155 155 155161 161 161 161 160 157 157 157162 162 161 163 162 157 157 157162 162 161 161 163 158 158 158

f ( j , k ) =

1260 -23 -11 -7 -1 2 -1 -3

-1 -17 -9 -2 -1 0 0 2

-6-2 0 1 2 0-4

-12 -5-3 2 1 2 0-1-2

2-3 0 1 0-1 0 2

-2 0-1 0-1 1 2 1

-3 0-1 0 1 1 1-1

1-1 0 0 1-1-1 0

F (u , v ) =


DCT : Transformada direta

2727/04/23

C00 C01 C02 C03

C11 C12

C21

C10

C20

C30

...

... ......

......

...

......

* C00 : Coeficiente DC; descreveo brilho médio do bloco

*


DCT : Efeito dos coeficientes bases da DCT

2827/04/23


DCT : Efeito dos coeficientes bases da DCT

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Dctjpeg.png

2927/04/23

168 67 12 5 3 2 1 1

4532 5 5 2 2 1 2

73522211

33521111

22211121

21111111

11124448

11211110

11188888

11188888

1128888

18

14488

181818

44488181832

888

1818183232

1818181832323232

11111000

168 67 12 2 0 0 0 0

4532500000

73500000

33200000

22000000

00000000

00000000

00000000

coeficientes DCT tabela de quantização coeficientes quantizados

c( i , j ) Q( i , j ) qc ( i , j ) = c ( i , j ) / Q ( i , j )

DC

AC 77

AC 01

AC 10168 67 12 2 0 0 0 0

4532500000

73500000

33200000

22000000

00000000

00000000

00000000

coeficientes quantizados

qc ( i , j ) = c ( i , j ) / Q ( i , j )

seqüência : 168 ; 45 ; 67 ; 12 ; 32 ; 7 ; 3 ; 3 ; 5 ; 2 ; 0 ; 0 ; 5 ; 3 ; 2 ; 0 ; 2 ; 2 EOB


DCT Tabela de Quantização Varredura em zig-zag

3027/04/23

DCT

DCT

QUANTIZADOR CODIFICADORPOR ENTROPIA

TABELA TABELA

DADOSCOMPRIMIDOS

8X8 blocos

imagem

codificador baseado na DCT

DADOSCOMPRIMIDOS IDCT

TABELATABELA

DESQUANTIZADOR DECODICADORPOR ENTROPIA

decodificador baseado na DCT

(dados)

dadosreconstruidos

(imagem)


DCT : Transmissão e Recepção

3127/04/23

Formaçãodos sinaisY, Cr e Cb

R GB

YCr

Cb

Divisãoem

blocos

Bloco8x8

pixels DCT

8x8coeficientes

de freq. Quantz

Coeficientesquantizados

Zig-Zag

cod. RLE(coef. AC )

cod. Huffman

0100111.....("bitstream")

cod. DPCM(coef. DC )

Padrão JPEG

Joint Photograph Expert Group Imagens estáticas Compressão “intraframe” Técnicas : DCT , DPCM , Entropia

3227/04/23

Y Y

Y Y

CrCb

MACROBLOCO

Padrão H.261

Vídeo Conferência em RDSI Compressão intraframe DCT Compressão interframe Macrobloco Vetor movimento - “motion vector” Taxa de bits : px64kbps ( p 1 a 30 )

3327/04/23

quadro anterior

quadro atual codificdiferença

codificação domacrobloco

vetor movimento

bloco alvo

área semelhante

PADRÃO H.261

Compressão interframe

3427/04/23

I P P P PI IP P

PADRÃO H.261

I-frames compressão intraframe

P-frames compressão interframe

3527/04/23

PADRÃO MPEG

Moving Pictures Experts Group

Objetivo Especificação do conjunto de técnicas para a compressão de

vídeo/áudio - sintaxe

Aberto à inovações : Admite a criação de sistemas proprietários

Técnicas : Intraframe DCT , Run-length , Entropia Interframe Macrobloco , Vetor movimento

Taxa de compressão até 200 :1

3627/04/23

PADRÃO MPEG MPEG 1

Objetivo inicial Armazenamento CD Vídeo

Modo de varredura : Não entrelaçada

Formato típico : 320 x 240 pixels ; 30 quadros /s

Qualidade de imagem : Igual ao VHS

Taxa de bits : 1,5 Mbps (típica)

3727/04/23

PADRÃO MPEG MPEG 2

Objetivo inicial TV digital (com qualidade normal)

Aplicações Transmissão via satélite (DTH) TV a cabo ( CATV) TV digital em broadcasting (HDTV / SDTV) Servidores de vídeo

Modo de varredura Entrelaçada

Taxa de bits 4 - 100Mbps ( conforme aplicação)

Escalabilidade Admite diversos modos

3827/04/23

********************

****B BB B B BPP P

P

ORDEM NATURAL

ORDEM DE TRANSMISSÃO

I

I

B

B B B

B

B

B B

P

PP

1

1 2

2 3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

PADRÃO MPEG MPEG 2

Frames codificados de 3 modos I ( intraframes ) com base em si mesmo P (predicted) com base em I - frame B (bidirectional) com base em 2 P ou I, P frames

3927/04/23

.... ....Video Sequence

Group of Picture

.....

YCr

Cb

Picture Slice Macroblock Block

8x8 pixels

PADRÃO MPEG MPEG 2

Hierarquia de dados Cada nível transporta um cabeçalho

4027/04/23

DCT QUANTZ

QUANTZINVERS

DCTINVERS

VLCHUFFMAN-

+

MOVIM.ESTIM.

MOVIM.COMP.

BUFFER

VETOR DE MOVIMENTO

IMAGEM PREDITA

CONTROLE DE TAXA

ENTR.

PADRÃO MPEG MPEG 2

Codificador

4127/04/23

Buffer Demux Decod.Huffman

Quantzinvers.

DCTinvers. +

Compens.movim.

Buffer doframe

anteriorBuffer do

frameposterior

vetor movimento

saída

Decod.Huffman

PADRÃO MPEG MPEG2

Decodificador:

4227/04/23

PADRÃO MPEG MPEG 4

PERFIL

NÍVEL

BAIXO

PRINCIPAL

ALTO1440

ALTO

SIMPLES PRINCIPAL PERFIL4:2:2 ALTOSNR ESPACIAL

I. P. B.

4:2:21920 x 1080

I. P. B.

4:2:01920 x 1152

4:2:0 4:2:21920 x 1152100 Mbps

I. P. B.300 Mbps 90 Mbps

I. P. B.

4:2:01440 x 1152

60 Mbps

4:2:0 4:2:21440 x 1152

80 Mbps I. P. B.

4:2:0 4:2:2720 x 57620 Mbps

I. P. B.

4:2:0 1440 x 1152

60 Mbps I. P. B.

4:2:0 720 x 57615 Mbps

I. P. B.

4:2:2720 x 60850 Mbps

I. P. B.

4:2:0 720 x 57615 Mbps

I. P. B.

4:2:0 720 x 57615 Mbps

I. P.

4:2:0 352 x 2884 Mbps

I. P. B.

4:2:0 352 x 2884 Mbps

I. P. B.

PERFIS E NÍVEIS

4327/04/23

PADRÃO MPEG MPEG 4

Objetivo inicial Vídeo conferência com baixas taxas de bits

Aplicações Vídeo - telefone Recuperação de banco de dados Teleshopping Vigilância

Características Robustez à erros Operação com formas diferentes de dados

Taxa de bits 4,8 - 64kbps ( inicialmente ) - 1,8Mbps ( nova versão )

4427/04/23

PADRÃO MPEG MPEG 4

A B C D E F G HIJKL

M Amostras já codificadas

Amostras já codificadas

Bloco de 4X4 Pixels

81

6

4507

3

Direção de codificação dos nove modos

COMPRESSÃO INTRA FRAME

4527/04/23

MPEG - 4

A B C D E F G HIJKL

M A B C D E F G HIJKL

M

Modo 0 - Vertical Modo 1 - Horizontal

A B C D E F G HIJKL

M

Modo 2 – DC (média)

A B C D E F G HIJKL

M

Modo 3 – Diag. p/baixo à esquerda


4627/04/23

MPEG - 4


H H H H

V V V V

Modo 0 - Vertical Modo 1 - horizontal Modo 2 – DC (média) Modo 3 - Planar

...... ......

Média entreo conteúdo de

V e H

H : linha já tratadaV : coluna já tratada

MACROBLOCOS DE 16 x 16 PIXELS

4727/04/23

MPEG - 4

COMPRESSÃO INTER FRAME

1616

8 8

88

8

8

44

44

1

0 00 0

0 00 0

1

1

1

2

2 3

3

1

PARTIÇÃO DE MACROBLOCOS

SUBPARTIÇÃO DE MACROBLOCOS

4827/04/23

SISTEMAS DE TRANSMISSÃO

Sistemas no mundo

ATSC (USA) – modulação 8VSB DVB – modulação COFDM ISDB – modulação BST - OFDM

No Brasil :

ISDB – T : transmissão terrestre ( TV aberta )

DVB – C : transmissão via cabo

DVB – S : transmissão via satélite

4927/04/23

ÁUDIO

COMPRESSÃO DE ÁUDIO

Fundamentos da Compressão

Codificação por Sub-bandas

Modelo psico-acústico do Mascaramento

Codificação com Preditor

Compactação (sem perdas)

5027/04/23

ÁUDIO

Fundamentos da Compressão

A compressão de áudio é justificada pela limitação de banda e capacidade de dispositivos de armazenamento.

A compressão de áudio explora a limitação da percepção auditiva humana

A faixa audível para o ouvido humano vai de 16Hz a 20kHz.

O ouvido humano é mais sensível na faixa de 2 a 4kHz.


5127/04/23

ÁUDIO


Maior sensibilidade

16Hz – 20kHz

2kHz – 4kHz

Varia de indivíduo para indivíduo e com

a idade

5227/04/23

ÁUDIO


Modelo psicoacústico

10,02

0,05

0,1 0,2 0,5 2 5 10 20

0

20

40

60

80

Freqüência (kHz)

Níve

l (dB

)

5327/04/23

ÁUDIO



1002

005

0,1 0,2 0,5 2 5 10 20

0

20

40

60

80

Freqüência (kHz)

Níve

l (dB

)

Tons com amplitude e freqüência inaudíveis, podem ser eliminados

5427/04/23

ÁUDIO



0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20

20

40

60

80

0

A amplitude do sinal provoca

“deformação” na curva

“máscara”

dB

5527/04/23

ÁUDIO



Limiar de mascaramento

Tom de mascaramento

Tons mascarados

f(Hz)

5627/04/23

ÁUDIO


Separação em sub-bandas

F1

F2

F3

....

Fn....

Banco de Fitros

Sinal de entrada

5727/04/23

ÁUDIO



5kHz

10kH

15kHz

0

0,0110Informação no domínio do tempo

FFT/

DCT

5827/04/23

ÁUDIO



5kHz

15kHz

0

tom mascarado, pode ser eliminado

10kHz

5927/04/23

ÁUDIO


Efeito máscara no tempo

Pós mascaramento

Pré mascaramento

150ms

200ms

20ms

máscara

Tempo (ms)

Níve

l (dB

)

6027/04/23

ÁUDIO


Principais padrões para compressão de áudio:

MPEG-1 Layer I: ISO / IEC 11172 - Parte 3

MPEG-1 Layer II: ISO / IEC 11172 - Parte 3*

MPEG-1 Layer III (MP3): ISO / IEC 11172 - Parte 3

MPEG-2 Layer I, II e III:ISO 13818 - Parte 3

MPEG-2 AAC (Advanced Audio Code): Derivado do MPEG-2 Layer III*

Dolby Digital AC-3*

6127/04/23

ÁUDIO


Principais padrões para compressão de áudio:Características MPEG-1

Layer IIMPEG-2 BC MPEG-2

AACDolby AC-3

Canais Mono ou Stereo

Mono ou Stereo

Multicanal 5.1

Multicanal até 48

Mono ou Stereo

Multicanal 5.1

Amostragem 32, 44.1 e 48kHz

16, 20,05 e 24kHz

32, 44.1 e 48kHz

8 a 96kHz

32, 44.1 e 48kHz

32, 44.1 e 48kHz

Taxa de Bits 32 a 384kbps

96 a 256kbps

320 a 640kHz

320 a 640kbps

320 a 640kbps

320 a 640kbps

Aplicações

VCD, SVCD

DVD DVD Ipod, PS3

DVD DVD e Blue-Ray

TVD Broadcas

t

TVD Broadcas

t

TVD Broadcas

t

TVD Broadcas

t

TVD Broadcas

t

TVD Broadcas

t

6227/04/23

O SISTEMA BRASILEIRO

DIAGRAMA EM BLOCOS

Codificação de vídeo

Codificação de dados

Codificação de som

mul

tiple

xado

r

....

Mul

tiple

xado

r de

TSTS..Processamento

hierárquico..Correção de erro

..Modulação..Entrelaçamento..Gerador de sinal

TMCC..Estrutura de

quadro

IFFT

SINAL DE TRANSMISSÃO

OFDM

TMCC: Transmission and Multiplexing Configuration ControlIFFT: Inverse Fast Fourier Transform

vídeo

som

dados

TS: Transport Stream

Codificação de fonte Codificação de canal

....

6327/04/23


Modulação com multi-portadoras

6427/04/23


Transmissão com banda segmentada - BST

segmentosSegmentos

6527/04/23


Transmissão com banda segmentada - BST

1 31/7/2015 tv digital paulo ernesto moreira. 2 conversÃo analÓgico - digital tÉcnicas de...

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