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Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2007 1

VDEO DIGITAL

PRINCPIOS DE TELEVISO DIGITAL Guido Stolfi 04/2008

1. Introduo: Sinais Digitais x Analgicos

Um sinal eltrico denominado analgico quando reproduz uma informao atravs da variao de algum parmetro de forma anloga informao original. Um microfone, por exemplo, produz um sinal eltrico cuja tenso Vo anloga presso sonora incidente PS.

J em um sistema de modulao FM, a freqncia do sinal transmitido que varia de forma anloga informao modulante.

Como tal, um sinal analgico pode assumir infinitos valores, em infinitos instantes de tempo, dentro de determinados intervalos. Podemos dizer ento que o sinal analgico equivale a uma funo contnua y = f(t) , definida para todos os valores da varivel contnua t.

Um sinal digital (do latim digitus = dedos), por outro lado, pode assumir apenas valores pertencentes a um conjunto finito de smbolos (p. ex. 0 ou 1 para um sinal binrio), e esses valores so atribudos apenas em determinados instantes dentro de um intervalo de tempo. O sinal digital portanto equivale a uma seqncia enumervel de smbolos discretos, ou, em outras palavras, a uma seqncia ordenada de

nmeros inteiros.

O processo denominado digitalizao, pelo qual um sinal analgico convertido para o domnio digital, compreende assim dois processos independentes, que sero detalhados adiante:

Amostragem

Quantizao.

1.1 Degradaes do Sinal Analgico

Uma das foras mais importantes que movem as tcnicas das Telecomunicaes em direo ao domnio digital deve-se ao fato de que todo sinal analgico est sujeito a 4 categorias de degradaes, que o afetam em maior ou menor grau sempre que transportado, processado ou armazenado:

Rudo: aleatrio, cumulativo, inerente aos processos fsicos envolvidos na circulao da corrente eltrica;

Distoro no-linear: presente em todos os elementos ativos de circuitos, amplificadores, processadores, etc.;

Interferncias: ingresso de sinais indesejados, geralmente de origem conhecida; identificveis, porm de difcil ou impossvel eliminao;

Perdas: atenuao, limitao de resposta em freqncia, disperso temporal, defasagem, etc.

3

Fig. 1.1 Sinal Analgico em um Microfone

Fig. 1.2 Sinal Digitalizado

Fig. 1.3 Degradaes de um Sinal Analgico

M

t

Vo

t

PS

t

Vo

t

202 275 100 43 52

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


A codificao digital proporciona muitas vantagens no tratamento e distribuio de sinais de vdeo: alm da imunidade s degradaes listadas acima, os equipamentos que operam no domnio digital podem realizar, de forma eficiente, funes de processamento de imagem que seriam praticamente impossveis de executar na forma analgica. Entre estas funes encontram-se, por exemplo, transformaes espaciais e a extrao das componentes visualmente relevantes de uma imagem, o que fundamental para a implementao de processos de compresso de dados.

Os desenvolvimentos de tcnicas de compresso de dados, aplicveis a seqncias de imagens em movimento, bem como de cdigos de correo de erros e processos eficientes de modulao, tornaram vivel a radiodifuso de programas de TV em formato digital. Hoje existem vrios sistemas digitais em operao, seja por satlite, cabo ou radiodifuso terrestre, apresentando vantagens em relao aos canais analgicos, tanto na qualidade de imagem (pela imunidade a rudos), como na variedade de programas disponveis (pelo aumento da capacidade do canal de comunicao conseguido pela compresso), alm de permitir a interoperabilidade com servios adicionais de comunicao de dados.

A aplicao dos processos digitais na transmisso e radiodifuso de sinais de TV ser detalhada oportunamente em outros mdulos do curso; neste texto vamos nos restringir aos conceitos de amostragem, quantizao e processamento digital de sinais de vdeo.

2. Amostragem O processo de amostragem consiste em tomar os valores de uma funo contnua, s(t), apenas para valores discretos de t, correspondentes a mltiplos de uma unidade T, denominada Perodo de Amostragem, resultando assim em uma seqncia de valores numricos (amostras), associadas aos instantes nT.

s(n) = s(nT)

A varivel t em geral corresponde ao tempo, mas pode representar uma dimenso linear, por exemplo x,y no caso da amostragem de uma imagem.

Denomina-se freqncia de amostragem ao inverso do perodo T: fA = 1/T

Fig. 2.1 Amostragem de um Sinal Contnuo (T = 20 ms)

2.1 Expresso Matemtica do Processo de Amostragem O sinal amostrado pode ser obtido de forma conveniente, do ponto de vista da anlise matemtica, como o resultado da multiplicao do sinal contnuo original, s(t), com uma funo de amostragem a(t), constituda de uma seqncia peridica de impulsos:

+

=

==n

A nTttaondetatsts )()()()()(

O impulso (t) corresponde a uma funo hipottica cujo valor zero para t 0 , mas cuja rea unitria, ou seja, (t) tende a infinito para t = 0.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Fig. 2.2 Amostragem como Produto com Impulsos Peridicos

2.2 Reconstruo de um Sinal Amostrado Pela expresso deduzida acima, um sinal amostrado possui valor igual a zero para t nT. Esse sinal no tem significado fsico; ele no pode ser convertido diretamente para o formato da informao contnua (anloga) original. Para que um sinal amostrado possa ser transformado novamente em um sinal contnuo, necessrio aplicar um processo complementar amostragem. O processo de reconstruo do sinal consiste na substituio de cada amostra sA(nT) por um pulso contnuo h(t-nT), posicionado em um ponto correspondente ao instante nT, com amplitude proporcional a sA(nT).

Esta operao consiste na convoluo do sinal sA(nT) com uma funo h(t), denominada funo de reconstruo:

A expresso acima corresponde resposta de um sistema linear (p. ex. um filtro), caracterizado por uma resposta ao impulso h(t), quando excitado com um sinal de entrada sA(t). Ou seja, cada impulso correspondente a uma amostra sA(nT) provoca uma resposta da forma h(t) com amplitude correspondente. Os pulsos h(t) podem ou no ter durao maior que T, ou seja, as respostas de cada amostra podem se superpor.

Fig. 2.3 Reconstruo de um Sinal Amostrado

A escolha da funo de reconstruo determina de certo modo a semelhana obtida em relao ao sinal original. A figura 2.4 apresenta alguns exemplos de reconstruo:

a) usando uma funo retangular, com largura igual a T: neste mtodo no h superposio das respostas ao impulso; esta forma conhecida como topo plano ou sample and hold;

b) usando um pulso triangular, com largura igual a 2T: aqui ocorre superposio entre duas amostras, e o efeito equivale a efetuar a interpolao linear entre as amostras originais;

c) usando um pulso gaussiano, da forma h = exp(-kt2) : tambm ocorre superposio, teoricamente infinita.

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0- 1 . 5

- 1

- 0 . 5

0

0 . 5

1

1 . 5

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0- 1 . 5

- 1

- 0 . 5

0

0 . 5

1

1 . 5

)(ts

)( nTt

=

)(nTsA

)()()()()( thnTsdthsts AAR == +

h(t) sA(nT) sR(t) sA(nT) h(t)

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


(a)

(b)

(c)

Fig. 2.4 Reconstruo de um Sinal Amostrado: (a)= Pulso retangular; (b)= Triangular; (c)= Gaussiano

2.3 Teorema da Amostragem As condies tericas para que o processo de amostragem permita uma reconstruo perfeita do sinal original, ou seja, sem perdas, esto expressas no Teorema da Amostragem, consolidado por Claude Shannon em 1948, a partir de embasamento obtido por Nyquist (1928) e V. A. Kotelnikov (1933). Este teorema estabelece que:

a) A reconstruo exata de um sinal amostrado possvel se o sinal for limitado em freqncia, e a taxa de amostragem for maior que o dobro da freqncia mxima contida no sinal:

MAXA ff >2

b) A funo de reconstruo ideal h(t) da forma

Isso equivale a dizer que um sinal deve ser limitado em banda antes de ser amostrado, para que ele possa ser reconstrudo perfeitamente mais tarde. A banda de freqncias ocupada pelo sinal deve ser menor que a metade da freqncia de amostragem. Este critrio conhecido como critrio de Nyquist para a freqncia de amostragem.

O teorema da amostragem pode ser demonstrado a partir da interpretao dos sinais no domnio da freqncia. A figura 2.5 apresenta um sinal s(t) e seu espectro S(f) (ou seja, sua representao no domnio da freqncia):

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-20

-10

0

10

20

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

( )( ) T

txondexxth =

=sen)(

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Fig. 2.5 Sinal s(t) e seu espectro S(f)

J o espectro A(f) da funo de amostragem, a(t),tambm assume a forma de uma seqncia de impulsos, espaados de fA = 1/T em freqncia:

Fig. 2.6 Funo de Amostragem a(t) e seu espectro A(f)

O sinal amostrado, sA(nT), igual ao produto de s(t) por a(t); portanto, o espectro de sA(nT) equivale convoluo dos espectros S(f) e A(f):

Fig. 2.7 Sinal amostrado sA(nT) e seu espectro SA(f)

O espectro do sinal amostrado consiste da replicao do espectro do sinal original, transladado sobre todos os mltiplos da freqncia de amostragem. Podemos observar que no ocorrer superposio do espectro original com os espectros replicados, caso a maior freqncia do sinal original seja menor que a metade da freqncia de amostragem (50 Hz, no caso do exemplo das figuras acima).

A reconstruo perfeita, nesse caso, possvel aplicando um filtro passa-baixas ideal, com freqncia de corte igual metade da freqncia de amostragem, como apresentado na figura 2.8.

Ocorre que a resposta ao impulso de um filtro passa-baixas ideal da forma

Portanto a reconstruo pode ser representada no domnio do tempo como a convoluo do sinal amostrado, sA(nT), com uma funo da forma sen(x)/x, como apresentado na figura 2.9.

Evidentemente, a reconstruo ideal em geral hipottica, pois a funo de reconstruo necessria infinita em t (tem durao de a + ).

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 5000

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500

20

40

60

80

100

120

140

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 5000

20

40

60

80

100

( )( ) T

txondexxth =

=sen)(

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Fig. 2.8 Reconstruo por Filtro Passa-Baixas Ideal

Fig. 2.9 Reconstruo no Domnio Temporal por h(t) = sen(x)/x

2.4 Rebatimento Espectral Quando a restrio do Teorema da Amostragem no obedecida, ocorre superposio dos espectros replicados sobre o espectro do sinal original. Essa situao denominada rebatimento espectral ou aliasing. A conseqncia desta superposio que toda componente do sinal original com freqncia fM, maior que fA /2, d origem a uma componente espria com freqncia igual a fA - fM.

Esta componente ter freqncia menor que fA / 2, e portanto ser indistinguvel de uma eventual componente de mesma freqncia que estivesse presente no sinal original. A figura 2.10 apresenta um exemplo, no qual um sinal senoidal de freqncia igual a 8 Hz amostrado com taxa de 10 Hz. Aps a reconstruo, resulta em um sinal senoidal de freqncia igual a 2 Hz.

2.5 Critrios Prticos para Sistemas de Amostragem Excetuando casos especiais, os sistemas amostrados seguem o diagrama da fig. 2.11. O sinal contnuo a ser amostrado aplicado a um filtro passa-baixas, denominado filtro anti-aliasing, cuja funo impedir que eventuais componentes com freqncia maior que fA / 2 passem para a etapa de amostragem.

O sinal filtrado ento amostrado com fA , e posteriormente (aps o processamento, armazenamento ou transmisso) retornado forma analgica, atravs de um filtro de reconstruo.

Uma vez que um filtro anti-aliasing ideal no pode ser realizado fisicamente, em geral adota-se uma resposta (realizvel) do tipo apresentado na figura 2.11(b), que caracterizado por uma faixa de passagem

- 5 0 0 - 4 0 0 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 00

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

- 5 0 0 - 4 0 0 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 00

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 00

0 . 5

1

1 . 5

)(RS

)(H

=

)(AS

)(tsA

)(th

=

)(tsR

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0- 1 . 5

- 1

- 0 . 5

0

0 . 5

1

1 . 5

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0- 1 . 5

- 1

- 0 . 5

0

0 . 5

1

1 . 5

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0- 0 . 5

0

0 . 5

1

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


(que compreende as freqncias de interesse); por uma faixa de rejeio (freqncias a serem suprimidas, em geral acima de fA / 2), e por uma faixa de transio, na qual o filtro atua atingindo a atenuao especificada. Em geral, quanto menor a faixa de transio, mais difcil a implementao do filtro, e e pior a resposta temporal do mesmo. Em sistemas onde a resposta aos transitrios importante (como o caso do vdeo), a faixa de transio deve ser maior. No caso do udio, onde a resposta em freqncia importante e a resposta temporal no significativa, so aceitos filtros com faixa de transio menor.

Fig. 2.10 Exemplo de Rebatimento Espectral (aliasing)

Fig. 2.11 Sistema Amostrado e Filtro Anti-aliasing

A tabela 2.1 apresenta as caractersticas de alguns sistemas amostrados usuais, onde podemos verificar que o critrio de Nyquist obedecido com margens de segurana variveis, conforme a aplicao.

Sistema fM fA fA / fM udio CD 20 kHz 44,1 kHz 2,205 Telefonia 3,4 kHz 8 kHz 2,35 Vdeo Digital SD 4,2 MHz 13,5 MHz 3,21

Tabela 2.1 Alguns Sistemas Amostrados

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

1 . 2

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0- 1 . 5

-1

- 0 . 5

0

0 . 5

1

1 . 5

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0- 1 . 5

-1

- 0 . 5

0

0 . 5

1

1 . 5

)(ts

)(ta

)(nTsA

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-0 . 5

0

0 . 5

1

1 . 5

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0- 1 . 5

- 1

- 0 . 5

0

0 . 5

1

1 . 5

)(th

)(ts R

s(t)

a(t)

sA(t) sR(t)

Filtro anti-aliasing

Filtro de reconstruo

Funo de amostragem

h(t)

Faixa de Passagem

Faixa de Transio

Faixa de Rejeio

0 fM fAfA / 2

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


2.6 Critrio de Kell O critrio de Nyquist representa uma situao limite, que s pode ser atingida com o uso de um filtro ideal (ou quase). Nos casos em que o filtro de reconstruo no pode ser especificamente implementado, como ocorre freqentemente em sistemas de visualizao de imagem, esse critrio no proporciona resultados satisfatrios.

A figura 2.12 apresenta um exemplo no qual o critrio de Nyquist atendido ( fA = 2,2 fM) e, no entanto, devido ao uso de uma funo de reconstruo retangular, a supresso das componentes replicadas no satisfatria, resultando em batimentos.

Fig. 2.12 Amostragem Segundo o Critrio de Nyquist (fA = 2,2 fM)

Em 1934, R. D. Kell realizou pesquisas tentando determinar a resoluo mxima que poderia ser obtida em um sistema de varredura, aplicado televiso. O fator de Kell, obtido experimentalmente, define a relao entre a freqncia de amostragem terica obtida pelo critrio de Nyquist e a freqncia mnima vivel (para reduzir os efeitos de batimento). Valores experimentais esto na faixa de 0,64 a 0,8, e dependem das funes de reconstruo intrnsecas dos processos de reproduo de imagem em estudo.

Podemos combinar o fator de Kell com o critrio de Nyquist, chegando a um critrio de Kell (emprico): fA 3 fM.

A figura 2.13 mostra um sinal amostrado com fA = 3,3 fM e reconstrudo com pulso retangular. Podemos notar que a ocorrncia de mximos e mnimos preservada para todos os ciclos do sinal original.

Conforme apresentado na Tabela 2.1, a amostragem de sinais de vdeo em geral feita considerando o critrio de Kell.

Fig. 2.13 Amostragem Segundo o Critrio de Kell (fA = 3,3 fM)

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-1 .5

-1

-0 .5

0

0 .5

1

1 .5

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-1 .5

-1

-0 .5

0

0 .5

1

1 .5

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-1 .5

-1

-0 .5

0

0 .5

1

1 .5

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-1 .5

-1

-0 .5

0

0 .5

1

1 .5

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


3. Quantizao As amostras de um sinal analgico so representadas por nmeros reais, podendo assumir infinitos valores dentro de um determinado intervalo. O processo de quantizao corresponde converso desses valores reais em nmeros inteiros, atribuindo um mesmo valor numrico QN a todas as amplitudes dentro de um intervalo [vN, vN + v]. Ou seja, equivale a arredondar a amostra para o valor inteiro mais prximo.

A distncia entre os valores sucessivos de quantizao (QN e QN+1) denominada passo de quantizao. Quando o passo constante, dizemos que a quantizao uniforme. (Alguns sistemas de digitalizao utilizam quantizao no linear, onde o passo varivel em funo da amplitude do sinal).

Fig. 3.1 Quantizao de um Sinal Analgico

O processo de quantizao introduz um erro no sinal resultante, eQ(t) = sQ(t) s(t), tanto maior quanto maior o passo de quantizao. Em sistemas com quantizao uniforme, o erro limitado em amplitude entre Q/2 e +Q/2. Para sinais irregulares, e com Q suficientemente pequeno, o erro de quantizao no correlacionado com o sinal e pode ser modelado como um sinal aleatrio, com densidade espectral de potncia uniforme, e com amplitude pico-a-pico igual a Q. Em outras palavras, o processo introduz um rudo aleatrio, que passa a ser denominado rudo de quantizao. A figura 3.2 apresenta o erro de quantizao, seu histograma de amplitudes e o espectro, para o caso exemplificado na fig. 3.1. Nessas condies, a potncia do rudo de quantizao pode ser expressa por:

Fig. 3.2 Erro de Quantizao (a), Histograma (b) e Espectro (c)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-10

-5

0

5

10

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-10

-5

0

5

10

)(tsQ

)(ts

( Q = 1 )

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-0.5

0

0.5

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.60

2

4

6

8

10

12

14

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

5

10

15

20

25

30

)()()( tstste QQ = (a)

(b) (c)

==2

2

22

12

Q

QQ

QdssP

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


3.1 Quantizao no Conversor A/D O dispositivo eletrnico responsvel pela quantizao de um sinal eltrico o Conversor Analgico-Digital, ou A/D. Na maioria dos casos, este dispositivo converte sinais de entrada (contidos dentro de uma faixa de tenso de pico-a-pico, SP-P, denominada fundo de escala) para uma palavra digital expressa na forma binria, com um nmero n de bits. Desta forma, um conversor A/D possui 2n nveis de quantizao, em geral uniformemente espaados, com passo de quantizao Q = SP / 2n .

Neste caso, podemos estabelecer que a potncia de pico do sinal ser PP = SP2 = Q2 22n-2 . Como a potncia do rudo de quantizao pode ser modelada por PQ = Q2 / 12, ento a relao Sinal / Rudo mxima que pode ser obtida em um processo de quantizao desse tipo ser dada por

Ou, expressa em decibis, teremos:

Podemos estabelecer ento, como regra prtica, que a relao Sinal/Rudo melhora em 6 dB para cada bit adicional fornecido pelo conversor A/D. Por exemplo, conversores A/D com 8 bits (256 nveis de quantizao) podem alcanar relao S/R mxima de 52,9 dB. Sistemas de 16 bits (65536 nveis) podem atingir at 101 dB.

3.2 Converso A/D de Sinais de Vdeo Uma vez que a potncia de um sinal de vdeo no tem um significado fsico/sensorial direto (ao contrrio do udio), costuma-se caracterizar o rudo pela a relao entre a amplitude pico-a-pico mxima do sinal de vdeo (100 unidades IRE) e a amplitude eficaz do rudo de quantizao, medida dentro da banda passante nominal (4,2 MHz para NTSC e PAL-M). Desta forma, o rudo de quantizao (no ponderado) em funo do nmero de bits n expresso por:

Este valor deve ainda ser ajustado em funo da relao entre a freqncia mxima do sinal fV e a freqncia de Nyquist (fA / 2), uma vez que a potncia do rudo de quantizao distribuda uniformemente de 0 a fA / 2, enquanto que o sinal de interesse atinge fV :

Alm disso, outro fator que deve ser considerado que o fundo de escala VT do conversor A/D deve prever uma margem de segurana alm da excurso nominal VB-VP do sinal de vdeo (margem denominada headroom). VB e VP correspondem aos nveis de branco e preto (100 e 0 IRE).

Fig. 3.3 Correo pela Freqncia de Amostragem

Fig. 3.4 Correo pela Margem de Headroom

nnn

Q

P

QQ

PP 222

2

222

2321212

2==

=

dB77,402,6

)3log(10)2log(20)3log(10)2log(10 2

+=

+=+=

n

nRS n

dBn

nRS n

8,1002,6

)12log(10)2log(20)12log(10)2log(10 2

+=

+=+=

f

fA/2

fA fV

++=

V

A

ffdBn

RS

2log108,1002,6

)(log202

log108.1002.6 dBVV

Vffn

QS

PB

T

V

A

e

++=

VB-VP VT

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Finalmente, para que a medida tenha significado prtico, deve ser levada em conta a resposta em freqncia espacial da percepo visual humana, considerando condies de visualizao tpicas.

A funo de transferncia utilizada para modelar a resposta da viso, proposta pela CCIR, :

onde f1= 270kHz f2 = 1.37MHz f3 = 390kHz

O efeito desta ponderao espectral equivale a acrescentar 6,81 dB na relao S/R calculada. A expresso final para a relao S/R de um sistema de converso A/D de vdeo com 8 bits, por exemplo, dada ento por:

A converso com 8 bits suficiente para aplicaes em que o processo de digitalizao ocorre apenas uma vez, como o caso em receptores de TV ou equipamentos de captura de vdeo para PCs. Aplicaes profissionais exigem pelo menos 10 bits, para contemplar a possibilidade de vrias converses A/D e D/A em cascata.

3.2.1 Correo Gama Deve-se ressaltar que a expresso acima significativa apenas quando o sinal digitalizado corresponde percepo visual de luminosidade, ou seja, obtido a partir da luminncia corrigida atravs do fator gama ( V = A B ). Dessa forma, espera-se que cada passo de quantizao seja menor que um passo de diferena apenas perceptvel na luminosidade, tanto para as partes claras como escuras da imagem.

4. Amostragem Bidimensional Uma imagem pode ser descrita como uma funo bidimensional f(x,y), definida dentro de um intervalo correspondente s dimenses da mesma. No caso de uma imagem colorida, a funo retorna 3 componentes: (R, G, B) = f(x,y) ou (Y, U, V) = f(x,y). O que diferencia uma imagem de uma funo f(x,y) o fato de que o receptor final da informao o sistema visual humano, ou seja, os parmetros pelos quais a imagem deve ser analisada devem corresponder s caractersticas da viso.

Assim sendo, a escolha da estrutura de amostragem e dos parmetros de quantizao para a digitalizao de uma imagem deve estar subordinada s caractersticas de resoluo espacial da viso, as quais dependem fortemente das condies esperadas para a visualizao dessa imagem.

Por exemplo, uma imagem destinada a ser impressa em um documento ser visualizada em condies de iluminao apropriadas para a leitura, e poder ser observada a uma distncia da ordem de 20 a 50 cm. Nessas condies, a imagem deve ser descrita na forma de refletncia relativa, e amostrada com resoluo de vrias centenas de pontos por polegada.

A amostragem de um sinal bidimensional est sujeita s mesmas degradaes que foram descritas para o caso de um sinal unidimensional. Por exemplo, o rebatimento espectral manifesta-se na forma de interferncias conhecidas como figuras de Moire. O filtro anti-aliasing normalmente realizado pela abertura equivalente de captura, enquanto que a funo de reconstruo pode ser intrnseca ao processo de reproduo, como o caso do spot profile de um cinescpio.

4.1 Resoluo da Imagem na TV Para podermos definir a estrutura de amostragem para uma imagem de TV, precisamos analisar a relao entre o tamanho aparente da imagem (ou seja, o ngulo subentendido pela tela, observada a uma distncia padro de visualizao) e as caractersticas de acuidade visual do observador, necessrias para garantir uma qualidade aceitvel. Em especial, devemos analisar a evoluo dos critrios que levaram definio dos padres de TV atualmente utilizados.

( ) dB

ff

ff

ff

fA

+

+

+

= 2

3

2

2

2

1

10

1

11

log10

dB18.6381.6714.022.1log20

4.85.13log108.10802.6 =+

++=

QRS

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Uma vez que o cinema originalmente (por volta de 1930) adotava relao de aspecto de 4:3 (largura x altura), a TV estabeleceu a mesma proporo de imagem, garantindo compatibilidade tanto com o material disponvel para exibio quanto com os equipamentos existentes (especialmente lentes).

Por outro lado, critrios de aceitao do produto determinaram que um sistema de TV deveria contemplar a reproduo de imagens, subentendendo um ngulo de viso de cerca de 10 graus no sentido horizontal e 7,5 graus na vertical. Isto corresponde a uma tela de 40 x 30 cm a uma distncia aproximada de 2 metros do observador. Esta dimenso suficiente para exibir a fisionomia de uma pessoa, distncia na qual costumamos conversar com pessoas (vide figura 4.1).

Sabe-se que, na prtica, a condio preferida de visualizao de uma imagem de TV convencional corresponde a uma distncia d entre o observador e a tela igual a 7 vezes a altura H da imagem.

Isto significa que as condies tpicas de visualizao so bastante prximas das condies assumidas no desenvolvimento da TV convencional; ou seja, os ngulos a e b podem ser assumidos como sendo respectivamente 7,5 e 10 graus.

Com essas dimenses, se considerarmos que a resoluo espacial da viso da ordem de 1,5 minuto de grau, e considerando o critrio de Kell para amostragem espacial, seriam necessrias cerca de 640 amostras no sentido horizontal e 480 no sentido vertical. Essa estrutura de amostragem constitui a base do que se denomina TV convencional, ou Standard Definition (SDTV) .

O padro CCIR-601 (atualmente ITU-R Rec. 601) estabelece 482 linhas, com 720 pontos por linha, como estrutura de amostragem para a parte visvel das imagens de SDTV.

4.2 TV de Alta Definio Pesquisas feitas no Japo pela NHK, na dcada de 70, identificaram a viabilidade de um formato de TV capaz de proporcionar uma nova experincia visual ao espectador, similar sensao conferida pelo cinema de tela larga. Estas pesquisas culminaram com a adoo de uma tela com propores de 16:9, dimensionada para visualizao sob um ngulo horizontal de 30 graus, num formato denominado Hi-Vision.

Este formato (atualmente classificado como HDTV ou TV de Alta Definio), alm de aproveitar melhor o material cinematogrfico disponvel, abrangeria ainda parte do campo de viso perifrica do observador, o que proporciona um nvel mais intenso de iluso de realidade, atravs da manipulao da sensao de movimento e referncias espaciais do espectador. A recomendao SMPTE 274M estabelece duas resolues para amostragem de sinais de HDTV: 1080 linhas com 1920 pontos por linha (preferencial para imagens com entrelaamento) e 720 linhas por 1280 pontos (para imagens com varredura progressiva).

A figura ao lado mostra as propores relativas dos formatos de TV convencional e HDTV, bem como formatos correntes de filmes cinematogrficos de tela larga.

Fig. 4.1 Condies de Visualizao da TV

L H

d

a b

TV (4:3)

HDTV (16:9)

Cinemascope (2.35:1)

Cinema (1.85:1)

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


4.3 Medida Objetiva de Resoluo Espacial: CTF e MTF A caracterstica subjetiva associada resoluo espacial a nitidez de uma imagem. Ela pode ser descrita como a resposta a transies ou contornos entre regies claras e escuras da imagem; pode ser associada ao contedo espectral em altas freqncias espaciais (numa analogia com o "tempo de subida" do sinal de luminosidade).

Um critrio objetivo para definirmos a nitidez de um processo de reproduo de imagens dado pela curva de resposta em freqncia espacial do sistema, que recebe o nome de "resposta de abertura" ou Funo de Transferncia de Modulao (MTF).

A figura 4.2 mostra o que ocorre, por exemplo, em uma cmara de TV ao ser focalizado um padro de linhas alternadas com contraste mximo (preto/branco). A cmara no realiza a amostragem da luminncia da imagem em um ponto de dimenses infinitesimais, mas sim dentro de uma regio definida como "abertura equivalente". A forma da abertura equivalente est associada funo do filtro anti-aliasing normalmente utilizado em sistemas amostrados.

A resposta da cmara ser ento proporcional luminncia mdia calculada dentro dessa abertura. Enquanto a largura das linhas da imagem for maior que o dimetro da abertura equivalente, o sinal gerado pela cmara preservar o contraste total da imagem (ponto A na figura). medida que as linhas tornam-se mais estreitas, a resposta diminui em amplitude (pontos B e C). Quando o contraste atingir o nvel de rudo da imagem, dizemos que foi alcanada a resoluo limite do sistema.

Quando a luminncia das linhas possui forma de onda retangular, a curva de resposta obtida denominada funo de transferncia de contraste (CTF). Quando as linhas usadas no teste possuem variao senoidal de luminncia, a resposta obtida a MTF do sistema.

A B

C

A B

C

CTF

Nmero de Linhas

Resoluo Limite

RudoMTF ou

Fig. 4.2 Funo de Transferncia de Contraste

Podemos notar que isso corresponde a uma convoluo da imagem original por uma resposta ao impulso bidimensional, que abertura equivalente do sistema. No domnio das freqncias espaciais, o espectro da imagem resultante ser o produto do espectro da imagem original pela resposta em freqncia espacial do sistema, que dada pela prpria MTF.

A MTF de uma associao srie de dois ou mais elementos (por exemplo: lente + cmara + canal de comunicao + monitor + viso humana) o produto das MTF individuais de cada elemento.

Usualmente, a curva de resposta em freqncia dada em funo do nmero de linhas (brancas + pretas) que cabem na dimenso vertical da imagem. Cada 2 linhas (1 preta e 1 branca) correspondem a um ciclo de freqncia espacial (Fig. 4.3)

Na definio dos parmetros de um sistema de televiso, importante dimensionarmos a MTF global de modo que a nitidez da imagem final seja compatvel com a percepo de detalhes proporcionada pela acuidade da viso humana (Figura 4.4).

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


0100200300400

10 100 1000Linhas de TV

MTF

Fig. 4.3 Medida da Resoluo Espacial Fig. 4.4 MTF da Viso Humana

4.4 Processos Envolvidos na Amostragem Espacial A figura abaixo apresenta os conceitos envolvidos na amostragem de uma imagem bidimensional. A abertura equivalente de captura corresponde a um filtro passa-baixas, que em princpio evita a ocorrncia de rebatimento espectral. Aplicada sobre um ponto (x, y) pertencente estrutura de amostragem, a abertura de captura fornece uma amostra (elemento de imagem, ou pixel). A funo de reconstruo, por sua vez, transforma o pixel em uma rea finita de imagem, com intensidade proporcional ao valor do pixel, de modo a preencher a estrutura de amostragem na imagem reconstruda.

Fig. 4.5 Amostragem e Reconstruo de uma Imagem

Na figura 4.6, temos uma comparao de 2 funes de reconstruo (retangular e gaussiana) aplicadas em uma imagem, com a mesma estrutura de amostragem espacial..

Fig. 4.6 Reconstruo Retangular (a) e Gaussiana (b) de uma Imagem Original (c)

V

V

Imagem

Estrutura de Amostragem Espacial

Abertura Equivalentede Captura

Pixel

Funo de Reconstruo

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


4.5 Efeitos de Rebatimento Espectral No processo de amostragem bidimensional, o espectro (bidimensional) da imagem original replicado ao longo dos mltiplos das freqncias espaciais de amostragem (fAX e fAY). Caso a imagem possua componentes acima da metade das freqncias de amostragem, ocorrer superposio (rebatimento) espectral, resultando no surgimento de sinais esprios em outras freqncias (fig. 4.7). Estes sinais so conhecidos como figuras de Moire, exemplificadas na figura 4.8.b. A aplicao de funes de reconstruo no elimina essas componentes. Apenas a filtragem do sinal original (fig. 4.8.c) pode reduzir as componentes que podem provocar aliasing, como pode ser visto em 4.8.d.

Fig. 4.7 Rebatimento Espectral na Amostragem Bidimensional

Fig. 4.8 a) Imagem Original; b) Amostrada e Reconstruda (com Aliasing); c) Imagem Filtrada; d) Amostrada e Reconstruda (Aliasing Reduzido)

fX

fY

fX

fY

fAY

fAX

(a) (b)

(c) (d)

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


5. Amostragem temporal Se uma imagem pode ser entendida como uma projeo ptica de uma regio do espao sobre um plano, podemos generalizar dizendo que a representao de uma imagem em movimento um evento contnuo ocorrendo em um espao tridimensional:

u = f (x, y, t) (luminncia dimenso horizontal, vertical e temporal).

No entanto, um sinal eltrico, na forma pela qual pode ser transmitido por um canal de comunicao convencional, unidimensional (voltagem tempo). O processo de varredura a forma utilizada para reduzir a dimensionalidade daquele evento, criando um sinal anlogo unidimensional. No caso da televiso, consiste de 2 etapas:

1. Amostragem temporal: diviso da imagem em fotogramas ou quadros (frames) sucessivos, assim como o caso do cinema;

2. Amostragem Espacial (Varredura ou "Raster Scan"): diviso da imagem em linhas horizontais, ao longo das quais feita a medida da luminosidade. O sinal temporal resultante denominado sinal de vdeo.

5.1 Critrios de Resoluo Temporal Na padronizao de um sistema de televiso, h 3 critrios importantes que influenciam a escolha da taxa de amostragem temporal:

Remanncia da viso: a iluso de movimento contnuo obtida quando temos seqncias sucessivas com mais do que 15 a 20 quadros por segundo (O cinema usava inicialmente 12 a 16 fotogramas por segundo; atualmente usa 24);

Cintilao: a freqncia acima da qual nossa viso deixa de perceber cintilao na imagem depende de vrios fatores, entre os quais a luminosidade e a extenso visual do objeto pulsante. A tabela 5.1 mostra a relao entre a luminncia da tela de um monitor de vdeo e as correspondentes freqncias crticas de cintilao, para 95% da populao (ISO/TC159/1987), referentes a campos de viso de 10 e 70 graus. No caso do cinema, operando em baixos nveis de luminncia, 48 imagens por segundo so suficientes, e so obtidas por dupla exposio de cada fotograma. Para TV seria desejvel mais do que 60 imagens / segundo.

Batimentos e interferncias com a rede de distribuio de energia eltrica: seja na iluminao do estdio ou nos circuitos do receptor de TV, a interferncia com a freqncia da rede eltrica causaria flutuaes de luminosidade ou padres no-estacionrios na imagem, caso a amostragem temporal fosse feita em outra freqncia.

Luminncia da Tela (Nits)

rea da Pupila (mm2)

Iluminamento Retinal (Trolands)

Freq. Crtica p/ 10o (Hz)

Freq. Crtica p/ 70o (Hz)

10 10.75 19.63 215 392 48.4 54.4 60.6 66.9 30 9.08 15.21 544 912 57.6 62.8 70.2 75.5 100 8.04 11.34 1608 2268 68.9 71.9 81.8 84.9 300 7.07 9.62 4242 5772 78.2 81.3 91.4 94.6

1000 6.16 12320 88.9 102.4 3000 4.52 27120 96.7 110.5

10000 3.14 62800 105.1 119.2

Tabela 5.1 - freqncias Crticas de Cintilao

Tempo

Fig. 5.1 - Varredura e Amostragem Temporal

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Esses fatores levaram adoo da taxa de 60 imagens por segundo na Amrica do Norte, Japo e Brasil, entre outros, e de 50 imagens por segundo na Europa e na maioria dos demais pases, em conformidade com a freqncia utilizada na distribuio de energia eltrica.

5.2 Estrutura de Amostragem Espacio-Temporal A estrutura de amostragem temporal da varredura entrelaada pode ser representada pela figura 5.2, onde cada ponto corresponde a uma linha de varredura. Para simplificao, estamos analisando apenas uma coordenada espacial (y) e a coordenada temporal (t).

Fig. 5.2 - Estrutura de Amostragem Temporal com Entrelaamento

A amostragem de um objeto em movimento se dar em posies diferentes a cada campo e a cada linha, de modo que um quadro completo, obtido pela superposio de dois campos, se apresentar como na fig. 5.3.

Pela observao da figura 5.2, podemos prever que um objeto que se mova verticalmente com velocidade equivalente a uma linha por campo ser representado sempre com metade da resoluo vertical; para esse objeto, a estrutura de linhas de varredura ser visvel. Esta velocidade corresponde velocidade vertical crtica para essa amostragem.

Fig. 5.3 - Amostragem Entrelaada de Objeto em Movimento

5.3 Anlise Espectral do Processo de Amostragem Vamos inicialmente analisar o processo de amostragem atravs de uma projeo simplificada (uma coordenada espacial e uma temporal, e desprezando a inclinao percebida na fig. 5.2). A figura 5.4-a representa um padro de amostragem no entrelaado, enquanto que na fig. 5.4-b temos uma varredura entrelaada, obtida pela remoo alternada de metade das linhas verticais.

A amostragem regular da fig. 5.4-a faz com que o espectro (no caso, bi-dimensional) do sinal amostrado seja repetido em torno de uma matriz retangular de freqncias espacio-temporais (Fig. 5.5-a). Por outro lado, a varredura entrelaada corresponde a um espectro com estrutura losangular (Fig. 5.5-b), onde as distncias entre as freqncias de amostragem so menores do que no caso da varredura progressiva. Percebe-se ento que a chance de ocorrer aliasing (rebatimento espectral) maior no sistema entrelaado.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


t

y

a) Varredura Progressiva

t

y

b) Varredura Entrelaada

Fig. 5.4 - Estruturas de Varredura

F

F

t

y

a) Varredura Progressiva

F

F

t

y

b) Varredura Entrelaada

Fig. 5.5 - Espectro Bi-Dimensional de uma Imagem Amostrada

No domnio das freqncias temporais, o aliasing pode ser associado com efeitos estroboscpicos percebidos em movimentos peridicos, ou na inverso do sentido aparente de movimento em estruturas espacialmente peridicas dotadas de movimento uniforme (efeito "roda de carroa" - figura 5.6).

Uma Rotao de 85 graus em sentido Horrio...

...confunde-se com uma rotao de 5 graus..

...em sentido

anti-horrio.

Fig. 5.6 - Efeito Roda de Carroa (Sub-Amostragem Temporal)

O controle do rebatimento espectral decorrente da amostragem temporal muito mais difcil de ser implementado do que no caso da amostragem espacial ou unidimensional. A limitao do contedo de freqncia temporal de uma imagem em movimento pode, em parte, ser obtida controlando-se o tempo de exposio de cada quadro (velocidade do obturador ou abertura temporal do sistema). Um sistema de aquisio que faa a amostragem instantnea da luminosidade em cada ponto da imagem ir manter o contedo espectral at altas freqncias, estando mais sujeito ao aliasing temporal do que um sistema que responda pela luminosidade mdia em cada ponto dentro de um intervalo de tempo igual ao perodo de varredura (fig. 5.7). Neste caso, a uma abertura temporal retangular corresponde uma resposta em freqncia da forma sen(x)/x, com freqncia de corte tanto maior quanto menor for o tempo de exposio em relao ao perodo de amostragem.

No entanto, a filtragem temporal prejudica a resoluo espacial de objetos em movimento, o que pode ser percebido quando o observador acompanha visualmente a trajetria destes objetos.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


fechado ("pull-down")aberto

Obturador da Cmera com Abertura Mxima

Fig. 5.7 - Reduo de Aliasing Temporal pelo Controle do Tempo de Exposio

5.4 Reconstruo Temporal: Persistncia Luminosa Quando a imagem apresentada em um cinescpio na forma de impulsos luminosos de curta durao, o fenmeno de remanncia faz com que tenhamos a impresso de movimento contnuo. Se a percepo de movimento feita pelo mecanismo visual de Movimento Ocular, essa sensao ocorre na medida em que o olho acompanha a trajetria mdia de um objeto, recebendo estmulos visuais consistentes com a idia de movimento. Isto vale para estmulos instantneos, como o caso de um cinescpio. Caso a imagem na tela apresente persistncia elevada (como ocorre em um visor LCD ou Plasma), perceberemos um movimento relativo entre a imagem (que permanece esttica na tela) e a trajetria mdia do olho (em movimento linear), refletindo-se numa perda de definio espacial (figura 5.8).

Nos cinescpios usados em TV adotam-se fsforos com persistncia de 0,1 a 1 ms no mximo. Monitores de computador para artes grficas podem usar persistncias maiores para minimizar cintilao, porm perdendo definio com imagens em movimento.

T ra je t r ia d o O b je to

T ra je t r ia M d ia

M o v im e n to A p a re n te n a T V M o v im e n to O rig in a l

Im a g e m co m P e rs is t n c ia

T e m p o

Fig. 5.8 - Imagem com Persistncia

Um problema semelhante ocorre na transcrio de formatos diferentes de amostragem temporal, e pode ser exemplificado pela telecinagem, que consiste na apresentao de filmes cinematogrficos atravs da TV. Como o cinema produzido a 24 quadros por segundo, usa-se normalmente o esquema da figura 5.9 para efetuar a reamostragem temporal. Neste processo, denominado Pull-down 2-3, o primeiro

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


fotograma reproduzido em 2 campos consecutivos; o fotograma seguinte ocupa 3 campos; e assim por diante. Dessa forma, a taxa mdia de fotogramas permanece em 24 imagens por segundo.

Fig. 5.9 - Telecinagem com Pull-Down 2-3

No entanto, ao ser transcrita a imagem de um objeto em movimento, a imagem percebida apresentar oscilaes em relao trajetria mdia, provocando perda de resoluo espacial (ver figura 5.10).

Trajetria do Objeto

24 fotogramas por segundo

Trajetria Mdia

TV 60 campos por segundo

Movimento Aparente na TV Movimento Original

Fig. 5.10 - Perda de Resoluo na Telecinagem

6. Interfaces Padronizadas de Vdeo Digital Para proporcionar uma interface consistente (evitando assim a degradao cumulativa provocada pela concatenao de conversores A/D e D/A em equipamentos diferentes), foram institudos alguns formatos padronizados de vdeo digital, compreendendo sistemas de amostragem (estruturas espaciais e temporais de amostragem) e interfaces fsicas.

6.1 Estruturas de Amostragem Espacial Considerando que a resoluo espacial da viso humana muito menor para as componentes de crominncia do que para a luminncia, muitos sistemas utilizam estruturas espaciais diferentes para esses sinais. Em geral, a denominao das estruturas usuais indica a proporo relativa das amostras de luminncia (Y) e de crominncia (CR e CB). A figura 6.1 apresenta algumas estruturas usadas em interfaces de vdeo digital.

A estrutura 4:4:4, utilizada em equipamentos profissionais com alta qualidade de imagem, efetua a amostragem das componentes de luminncia (pontos pretos) e crominncia (crculos brancos) nas mesmas posies, para todos os elementos de imagem. Exemplos dessa estrutura so as interfaces RGB de placas de vdeo, interfaces DVI e HDMI, e processadores de vdeo profissionais.

1 2 3 4

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

Cinema (24 Fotogramas Por Segundo)

TV (60 Campos Por Segundo)

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


A estrutura 4:2:2 utilizada nas interfaces baseadas na recomendao CCIR-601, na qual as componentes de crominncia (Cr e Cb) so amostradas a cada 2 amostras de luminncia (Y).

A estrutura 4:1:1 usada em equipamentos digitais domsticos, como o formato de gravao DV-25.

Os padres MPEG-1 e MPEG-2 usam disposio espacial diferente para as estruturas de amostragem denominadas 4:2:0, nas quais feita interpolao vertical e horizontal das componentes de crominncia. J na estrutura 4:2:0 utilizada em um formato DV, as amostras de crominncia (Cr e Cb) ocorrem em linhas alternadas.

6.2 Padro D-1 (CCIR-601 / ITU-R-BT.601) tambm chamado de "Digital Components", ou 4:2:2, numa referncia proporo entre o nmero de amostras nas componentes Y, PR e PB. Efetua a amostragem independente das componentes de luminncia (com taxa de amostragem de 13.5 MHz) e de crominncia (taxa de amostragem de 6.75 MHz cada uma). A quantizao feita com 8 bits, sendo que o nvel de preto (0 IRE) corresponde ao nvel de quantizao 16, e o branco (100 IRE) corresponde a 219, deixando uma margem de segurana para evitar saturao com sinais de amplitudes maiores. Os cdigos 00 e 255 so reservados para sincronismo.

Revises mais recentes do padro CCIR-601 permitem digitalizao com 10 bits; os valores especificados acima correspondem aos 8 bits mais significativos.

O padro D-1 proporciona qualidade de imagem excelente para TV convencional, sendo adequado para aplicaes em estdio. A interface fsica (definida pelo padro SMPTE 125M) paralela, balanceada e sncrona (clock de 27 MHz), utilizando um conector DB-25 cuja pinagem est indicada na Tabela 2.1. Os nveis de tenso correspondem a nveis lgicos ECL ( -0.8 / -1.85 V).

A taxa de amostragem corresponde a 720 pixels de luminncia e 360 2 pixels de crominncia (total de 1440 amostras) durante a parte ativa de cada linha (53.33s), sendo que este valor adequado tanto para sistemas em 60Hz como para 50Hz. No caso de NTSC e PAL-M, a linha completa corresponde a 858 ciclos de 13,5 MHz, sendo que 138 ciclos correspondem ao retrao horizontal. No caso de sistemas a 50 Hz (PAL europeu), a linha horizontal completa corresponde a 864 ciclos, com 144 ciclos reservados para retrao horizontal.

4 : 4 : 4 4 : 2 : 2 (Rec. 601) 4 : 1 : 1

4 : 2 : 0 (MPEG-1) 4 : 2 : 0 (MPEG-2) 4 : 2 : 0 (DV)

Fig. 6.1 Estruturas de Amostragem Espacial

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Pino Sinal Pino Sinal Pino Sinal 1 Clock 10 Bit 2 19 Retorno Bit 6 2 Terra A 11 Bit 1 20 Retorno Bit 5 3 Bit 9 (MSB) 12 Bit 0 (LSB) 21 Retorno Bit 4 4 Bit 8 13 Blindagem 22 Retorno Bit 3 5 Bit 7 14 Retorno Clock 23 Retorno Bit 2 6 Bit 6 15 Terra B 24 Retorno Bit 1 7 Bit 5 16 Retorno Bit 9 25 Retorno Bit 0 8 Bit 4 17 Retorno Bit 8 9 Bit 3 18 Retorno Bit 7

Tabela 6.1 - Pinagem do Conector SMPTE 125M Paralelo (D-1)

As amostras so intercaladas, na seqncia CB CY CR CY - CB CY CR -... onde o grupo CB CY CR corresponde a amostras espacialmente coincidentes de luminncia e crominncia (co-localizadas), enquanto que o elemento CY seguinte corresponde a uma amostra de luminncia avulsa intercalada (ver Figura 6.2). As componentes CY, CB e CR correspondem aos valores quantizados, obtidos a partir das componentes analgicas Y, PB e PR correspondentes. As componentes analgicas Y, PR e PB so calculadas a partir dos estmulos R, G e B (pr-corrigidos pelo fator gama) pelas expresses abaixo:

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

Fig. 6.2 - Estrutura de amostragem 4 : 2 : 2 para componentes no D-1

O intervalo de retrao horizontal substitudo por um bloco de dados ("blanking digital") delimitado por cdigos de sincronismo (4 bytes). Estes cdigos contm dados que identificam o campo (par ou mpar), o perodo de retrao vertical, e o incio e fim do trecho ativo da linha (SAV - Start of Active Video / EAV - End of Active Video). Nas figuras 6.3 e 6.4 temos detalhes temporais da codificao do sinal de vdeo, enquanto que a figura 6.5 mostra os valores de luminncia e crominncia digitalizados correspondentes a um padro de barras coloridas com amplitude de 100% (100 IRE pico).

A tabela 6.2 mostra a codificao dos blocos delimitadores do "blanking digital" e da parte ativa de vdeo. Estes blocos consistem de um prembulo (3 bytes) e de um byte de dados . A Tabela 6.3 mostra os bits de paridade P3 a P0 que compem o byte de dados.

Bit No. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1

Prembulo 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Dados 1 Campo 0/1

Blank Vertical

SAV / EAV

P3 P2 P1 P0

Tabela 6.2 - Bloco Delimitador de amostras ativas

Y

PB

PR

Seqncia de Amostras

Componentes:

(B-Y)

(R-Y)

148 74

CB CRCY CY CB CRCY CY

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Fig. 6.3 - Formato de Dados e Relaes Temporais no Padro CCIR-601

Fig. 6.4 - Formato de Dados e Relaes Temporais no Padro CCIR-601 Detalhe do Intervalo de Retrao Horizontal

Fig. 6.5 - Padro de Barras Digitalizado conforme CCIR-601 (D-1)

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Bits do Byte de Dados

9 (MSB)

8 Campo

V. B. SAV/ EAV

P3 P2 P1 P0 1 0

(LSB) 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0

Tabela 6.3 - Clculo dos bits de paridade (P3 a P0) no Byte de dados

6.3 Padro D-2 (Digital Composto)

Este formato, mais econmico que o D-1, digitaliza diretamente o sinal de vdeo composto. Para o NTSC, a taxa de amostragem de 14.31818 MHz (correspondente a 4 a freqncia da sub-portadora de cor), e a quantizao de 8 ou 10 bits. A interface fsica idntica do D-1. A figura 6.6 mostra os nveis de quantizao correspondentes para um sinal NTSC.

6.4 Padro D-6 (SMPTE 274M - HDTV Digital) Para a TV de alta definio, adotou-se um padro de 1080 linhas ativas com 1920 pixels por linha, baseado no padro de vdeo analgico HDTV SMPTE 240M, cujas caractersticas esto resumidas na tabela abaixo.

Nmero de linhas: 1125 totais (entrelaadas), 1080 linhas ativas Freqncia de Amostragem: 74.25 MHz (Luminncia); 37.125 MHz (Crominncia) Padro de Amostragem: 4:2:2 Durao da linha: 29.63 s (2200 amostras totais, 1920 amostras ativas) Resoluo: 8 ou 10 bits

Este padro especifica a funo a ser utilizada na correo gama das componentes R, G e B:

As componentes analgicas Y, PB e PR so obtidas pelas expresses:

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

A figura 6.7 apresenta os valores de luminncia e crominncia digitalizados, correspondentes a um padro de barras coloridas com amplitude de 100% (100 IRE pico), digitalizado com 10 bits.

Fig. 6.6 - Nveis de Quantizao para D-2

=

1018,0099,1

018,005,4'

45,0 VV

VVV

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


O cdigo EAV recebe mais duas palavras adicionais (LN0 e LN1), que transportam uma contagem seqencial das linhas, e 4 palavras de CRC (YCR0, YCR1, CCR0, CCR1) para deteco de erros nas seqncias de luminncia e crominncia.

Fig. 6.7 - Padro de Barras Digitalizado conforme SMPTE 274M (HDTV)

6.5 Interface Serial CCIR-656 Para simplificar a interconexo de equipamentos de vdeo, padronizou-se uma interface serial destinada a atender amostragem D-1 a 8 bits, permitindo transmisso por um cabo coaxial de 75 ohms. Esta interface, hoje obsoleta, opera a 243 Mb/s, sendo que cada byte de dados convertido para um smbolo de 9 bits (codificao de grupo 8/9) com a inteno de conservar a componente CC prxima de zero e garantir boa quantidade de transies lgicas para permitir recuperao de clock.

6.6 Interface SDI - Serial Digital Interface (SMPTE 259M) Este padro foi desenvolvido para permitir transmisso serial de sinais de vdeo, digitalizados com 10 bits, atravs de cabo coaxial de 75 Ohms, admitindo atenuao de at 30 dB.

Para garantir componente CC zero e presena de transies suficientes para recuperao de relgio, sem no entanto aumentar a taxa de bits, utilizado embaralhamento (scrambling) atravs de um randomizador, apresentado na fig. 6.8, alm de codificao diferencial (bits "1" so transmitidos como transies). A interface opera a 270 Mb/s para sinais CCIR-601 (D-1), ou 143 Mb/s para Digital Composto (D-2). A amplitude nominal do sinal SDI de 800 mVpp em 75 Ohms.

Estas caractersticas possibilitam, em tese, que o sinal SDI trafegue pelas matrizes de comutao atualmente usadas para distribuir sinais de vdeo composto.

A taxa de erros depende fortemente da atenuao no cabo de transmisso; na fig. 6.9 temos valores de BER em funo do comprimento do cabo, para um tipo de cabo coaxial comumente usado em estdios.

O padro SDI prev a capacidade de transmisso de udio digital, na forma de pacotes enviados durante os perodos de apagamento H e V. O sinal de udio pode ser amostrado a 32 kHz ou 48 kHz, com 16 bits, em at 4 canais.

D D D D D D D D D D

EntradaSerial Sada

"Scrambler" Cod. Diferencial

Fig. 6.8 - Randomizador e Codificador SDI

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

105 110 115 120 125

Comprimento do cabo (m)

Erro

s po

r seg

undo

Fig. 6.9 - Taxa de erros para SDI comprimento de cabo

A interface serial utilizada para HDTV (HD-SDI) demanda uma taxa de transmisso de 1,485 Gb/s para quantizao de 10 bits.

6.7 Interface DVI (Digital Visual Interface) A interface DVI foi desenvolvida para interligar equipamentos de vdeo com dispositivos de apresentao de imagem que sejam intrinsecamente digitais, como por exemplo monitores de Plasma ou Cristal Lquido (LCD). Deste modo, evitam-se os problemas decorrentes da converso D/A no equipamento gerador, seguida de converso A/D, eventualmente com taxa diferente, no dispositivo de apresentao. largamente usada para interligar interfaces grficas de microcomputadores com monitores digitais.

O padro DVI utiliza 3 canais em paralelo para transmitir as informaes de R, G e B, digitalizadas em 8 bits. A transmisso serial, balanceada, a taxas que podem alcanar 1,6 Mb/s, sendo que a informao digital codificada por um processo denominado T.M.D.S., ou Transistion Minimized Differential Signalling. Neste processo, uma palavra de 8 bits convertida em 10 bits de forma a minimizar a quantidade de transies, o que garante menor ocupao espectral do sinal transmitido.

Alm dos 3 canais de informao de imagem, o padro DVI utiliza um canal de clock, na taxa de amostragem (1/10 da taxa de bits). As caractersticas do PLL a ser utilizado no decodificador, para multiplicar o clock e obter a freqncia de transmisso de bit (fig. 6.12) , so especificadas no padro, de modo a suportar condies de instabilidade de freqncia que podem existir no equipamento codificador.

Fig. 6.12 Interface DVI

1 / dia

1 / hora

1 / minuto

1 / segundo

1 / frame

PLL

Serializador

Clock de Pixel

Dados de Pixel

(24 bits)

25~165

PLL

Decodificador

Transmissor Receptor

(24 bits)

3 canais TMDS

Canal de Clock

Clock de Pixel

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


6.8 Interface HDMI (High Definition Multimedia Interface) Esta interface derivada do padro DVI, utilizando o mesmo processo de codificao (T.M.D.S.) e de transmisso serial balanceada, porm visando aplicao em equipamentos de entretenimento. Alm de utilizar um conector de menores dimenses, acrescenta a possibilidade de transmitir udio digital, multiplexado com os canais de vdeo RGB.

Alm disso, implementa um canal bidirecional de controle (de baixa velocidade), atravs do qual ambos os equipamentos, gerador e apresentador de imagem, estabelecem as respectivas capacidades de resoluo espacial, visando compatibilidade de formatos de gerao e de exibio de sinal.

6.9 Interfaces para Vdeo Comprimido

6.9.1 Vdeo Sobre IEEE1394 (Firewire, I-Link) O padro IEEE1394 define uma interface sncrona bidirecional com taxas de transmisso da ordem de 100 a 400 Mb/s (800 Mb/s conforme IEEE1394-B). A interface fsica consiste de 3 pares de sinais, sendo um par para alimentao CC, e dois pares para dados e strobe. A codificao usada apresentada na figura ao lado; os dados so transmitidos em NRZ, balanceado, enquanto que o par de strobe apresenta uma transio sempre que no houver uma transio no par de dados.

As transaes ocorrem atravs de pacotes de dados, precedidos de etapas de arbitragem e prefixos (endereos de origem e destino, cdigos de transao), e finalizados por CRC.

A interface IEEE1394 (Firewire) usada como meio de transporte para vdeo digital comprimido, conforme formatos IEC61883-4 (Transporte de pacotes MPEG-2 DVB), DirecTV e DV (Digital Vdeo IEC61883-2). No caso do MPEG-2, os pacotes de 188 bytes so acrescidos de um prefixo de descrio de tempo real (data/hora/frame) e depois repartidos em blocos de 24 bytes, que so transportados por pacotes iscronos.

Fig. 6.11 Vdeo Comprimido (MPEG-2) sobre Pacotes Iscronos Firewire

6.9.2 Interface DVB-SPI (Synchronous Parallel Interface) Esta interface padronizada pelo consrcio europeu DVB (Digital Vdeo Broadcasting) conforme norma ETSI - EN50083-9, com a finalidade de interligar equipamentos de transmisso que utilizam o protocolo de transporte por pacotes (Transport Stream) definido no padro MPEG-2.

188 bytes

192 bytes

24 24 24 24 24 24 24 24

Pacote MPEG-2

Time Code

Blocos

D DPacotes iscronos IEEE1394

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Fisicamente, consiste de uma interface paralela, na qual trafegam 8 bits, clock, sincronismo de pacote e um sinal indicando que h dados vlidos. Estes 11 sinais utilizam nveis lgicos LVDS (diferenciais).

A figura 6.12 apresenta formas de onda correspondentes a um modo de operao da interface, na qual um pacote de 188 bytes complementado por 16 bytes de enchimento.

A tabela 6.4 apresenta a pinagem do conector DVB-SPI (conector tipo DB-25).

Fig. 6.12 Sinais na Interface DVB-SPI Modo 204 Bytes c/ Enchimento

Pino Sinal Pino Sinal Pino Sinal 1 Clock A 10 D0 A (LSb) 19 D4 B 2 Terra 11 DVALID A 20 D3 B 3 D7 A (MSb) 12 PSYNC A 21 D2 B 4 D6 A 13 Blindagem 22 D1 B 5 D5 A 14 Clock B 23 D0 B (LSb) 6 D4 A 15 Terra 24 DVALID B 7 D3 A 16 D7 B (MSb) 25 PSYNC B 8 D2 A 17 D6 B 9 D1 A 18 D5 B

Tabela 6.4 Pinagem do Conector DVB-SPI

6.9.3 Interface ASI Asynchronous Serial Interface Esta interface, tambm especificada na norma ETSI - EN50083-9, a verso serial da interface DVB-SPI, operando taxa fixa de 270 Mbits/s. As caractersticas fsicas so semelhantes interface SDI, com a diferena que os dados relativos ao Transport Stream so transmitidos em pacotes. Aqui aplicada uma converso de 8 para 10 bits, alm da inserzo de cdigos especiais para enchimento e sincronismo de pacotes.

7. Processamento Digital de Vdeo 7.1 Frame Buffer

Um componente central dos equipamentos processadores de vdeo que operam na forma digital o frame buffer, ou memria de armazenamento de imagem. Este bloco funcional normalmente implementado por um banco de memria RAM com duplo acesso, ou seja, a escrita e a leitura de informao podem ocorrer simultaneamente e so controladas por unidades de endereamento independentes.

A figura abaixo mostra um diagrama de blocos de um Frame Buffer configurado como sincronizador de vdeo. O sinal digitalizado (por exemplo, em componentes YUV) armazenado em uma memria com capacidade pelo menos para um quadro completo (~700 kBytes para CCIR-601). Os ponteiros de endereamento para escrita e leitura so gerados independentemente, sincronizados respectivamente pelo sinal de vdeo da entrada e pelo sincronismo geral externo (Genlock). O endereamento pode ser linear ou segmentado, ou seja, separado em coordenadas (x, y), onde x = nmero do pixel dentro de uma linha horizontal e y = nmero da linha no sentido vertical.

Dados Video In Video Out

Genlock

Memria

RAM

A/D

Separador de Sincronismo

D/A

Separador de Sincronismo

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Fig. 7.1 Frame Buffer

7.2 Redutor de Rudo Um mtodo de reduo de rudo aplicvel a imagens de vdeo explora na alta correlao existente entre pixels adjacentes, tanto no sentido espacial como no temporal, para imagens naturais. Equipamentos redutores de rudo digitais efetuam uma mdia ponderada entre pixels prximos, em linhas e quadros consecutivos. Utilizam para isso um Frame Buffer com sadas mltiplas, atrasadas de 1 ou mais pixels, linhas e/ou campos, as quais so combinadas.

Fig. 7.2 Redutor Digital de Rudo

7.3 Transformaes Geomtricas Para criar efeitos de perspectiva, rotao ou deformao da imagem, necessrio introduzir um processador de geometria no endereamento de leitura do Frame Buffer. Este processador mapeia o sistema de coordenadas da imagem reproduzida (xR, yR) sobre as coordenadas da imagem de entrada (xE, yE) atravs de um algoritmo apropriado.

Por exemplo, uma translao da imagem original implementada pelas seguintes equaes:

YRE

XRE

TyyTxx

==

Na forma matricial, podemos expressar estas equaes como:

=

11001

R

R

Y

X

E

E yx

TT

yx

Endereo Ponteiro de Escrita

Ponteiro de Leitura

d

c

b +

aDados

Endereo

Video In Video Out

Memria

RAM

A/D

Separador Sincronismo

Ponteiro de Escrita

D/A

TY

TX

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Vrios efeitos (transformaes) podem ser concatenados em uma nica matriz; para isso podemos em primeiro lugar generalizar o espao da imagem como possuindo 3 dimenses (sendo que a imagem reproduzida ter sua coordenada zR = 0), e adotando matrizes quadradas para representar as transformaes individuais. Assim sendo, a translao nas dimenses x, y e z ser efetuada por uma matriz T dada por:

RER

R

R

Z

Y

X

E

E

E

vTvzyx

TTT

zyx

=

=

11000100010001

1

Uma expanso ou compresso da imagem nos eixos x, y e z corresponde ao uso de uma matriz de transformao de escala S dada por:

=

10000100000000

1

1

Y

X

SS

S

A rotao de uma imagem em torno dos eixos x, y e z feita pelas seguintes matrizes:

=

10000cossen00sencos00001

11

11

R

=

10000cos0sen00100sen0cos

11

11

R

=

1000010000cossen00sencos

R

Vrias transformaes podem ser concatenadas calculando-se o produto das matrizes correspondentes a cada transformao, na ordem especificada. Por exemplo, uma seqncia de translao, escalamento e rotao no eixo z ser definida por

( )( )( ) ER vTSRv =

Para criar efeitos de perspectiva, necessrio considerar a projeo de um espao tridimensional (coordenadas xE, yE, zE) sobre um plano de projeo (coordenadas xR, yR, ). Esta projeo corresponde a uma transformao no-linear, dada por

SY

SX

xE, yE, zE

z

x

xR

yR

Plano de Projeo Ponto de

Observao

E

ER

E

ER

zyyzxx

=

=

E

ER

E

ER

zyy

zxx

=

=

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


7.4 Interpolao e Decimao As operaes de escalamento podem exigir interpolao de amostras (quando a distncia entre os pixels nas coordenadas de sada menor que a distncia correspondente na imagem de entrada) ou decimao (no caso inverso).

Na figura abaixo, a grade (+) representa a estrutura de amostragem da imagem de sada, enquanto que (o) representa a estrutura da imagem de entrada, sujeita a uma transformao de perspectiva. O pixel A deve ser calculado a partir da mdia ou decimao de vrios pixels da imagem original, enquanto que o pixel B deve ser interpolado a partir dos valores dos 4 pixels vizinhos na imagem original. Nestes processos deve ser prevista filtragem para evitar aliasing espacial.

7.5 Transcrio de Formatos

O processo de transcrio consiste na converso entre formatos de vdeo diferentes. Por exemplo, a exibio em PAL-M ou NTSC de um sinal originado em PAL-B (50 Hz) exige que seja feita uma converso de formato. Este processo envolve interpolao de quadros e decimao de linhas (o formato PAL-B possui 576 linhas visveis que devem ser reduzidas para 480 linhas no PAL-M). Normalmente, feita uma decimao usando um filtro FIR com 3 a 4 coeficientes no sentido vertical (linhas consecutivas), seguido de uma interpolao linear entre 2 campos consecutivos; ou ento, uma interpolao bilinear entre as 4 linhas mais prximas (em 2 campos consecutivos).

Fig. 7.7 Converso de Formatos

7.6 Chroma Key O recurso de Chroma Key usado para inserir uma imagem (primeiro plano) sobre outra imagem (plano de fundo), usando a informao de crominncia como chave para efetuar a comutao entre as imagens.

Fig. 7.6 Interpolao e Decimao

Estrutura de Amostragem de

Sada

Estrutura de Amostragem de

Entrada

Interpolao Bilinear y

t

A

B

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Fig. 7.8 Chroma Key

Uma cmera focaliza os elementos do primeiro plano sobre um fundo uniforme, com uma cor de referncia, geralmente azul ou verde. Um circuito compara em tempo real o sinal de vdeo com a cor de referncia; se coincidir, a imagem de segundo plano selecionada. Caso contrrio, a imagem do primeiro plano escolhida.

O mesmo princpio usado para inserir caracteres, smbolos ou vinhetas, gerados por computador, sobre uma imagem de vdeo. Neste caso, os caracteres ou smbolos so armazenados em um Frame Buffer atravs de acesso direto memria. Um determinado valor de luminncia e/ou crominncia interpretado como transparente e provoca o chaveamento do sinal de vdeo ao qual os caracteres sero superpostos.

7.7 Processamento no receptor de TV: Equalizao de Multi-percurso Alguns receptores de TV incorporam um filtro equalizador que permite reduzir o efeito das distores por multi-percurso resultantes de reflexes em obstculos, veculos, etc. (fantasmas). Este filtro baseia-se em um modelo de resposta finita ao impulso para o canal de transmisso (ver figura 3.7). Cada reflexo do sinal transmitido corresponde a um atraso tn e a uma atenuao kn. No receptor, implementado um filtro complementar. O correto funcionamento deste filtro depende da determinao dos valores de tn e kn, o que pode ser feito por autocorrelao do sinal recebido.

Alguns sistemas dependem da transmisso de um sinal de referncia especfico (GCR Ghost Cancelling Reference) no intervalo de retrao vertical; outros sistemas utilizam a forma de onda da linha 3 (incio do sincronismo vertical), na qual ocorre um degrau isolado, que pode ser tomado como referncia.

Fig. 7.9 Equalizao de Multi-percurso

Plano de Fundo

1o. Plano

Chave

Decodi-ficador

Compa-rador

Referncia

Imagem Composta

t1

k1

k2

kn

t2

tn

SINAL TRANSMITIDO

t1

-k1

-k2

-kn

t2

tn

SINAL PROCESSADO

SINAL RECEBIDO

Modelo da Distoro por Multi-percurso

Equalizador Adaptativo no Receptor

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


8. Requisitos de Banda Passante para Transmisso 8.1 Transmisso Analgica

O sistema original de TV comercial (Padro M para TV preto-e-branco) adotou uma resoluo vertical mxima de 340 linhas para o contedo da imagem, sendo que so necessrias na prtica 480 linhas de varredura para reproduzir adequadamente imagens com essa freqncia espacial. Este valor consistente com o critrio de Kell, como visto anteriormente.

Se considerarmos que a resoluo no sentido horizontal deve ser equivalente vertical, a TV deve ser capaz de reproduzir 4/3 340 = 453 linhas verticais alternadas dentro da largura da imagem; isso equivale a 453 semiciclos de um sinal senoidal. O sinal de vdeo a ser transmitido (considerando 480 linhas de amostragem e 60 quadros de varredura) ocuparia assim uma banda de:

B MHzW = =12

453 480 60 6 52,

8.1.1 Tempo de Retrao Por outro lado, nos receptores utilizavam-se predominantemente cinescpios (tubos de raios catdicos - TRC) nos quais um feixe de eltrons, com intensidade modulada pelo sinal de vdeo, varre uma tela foto-emissora (chamada de fsforo). A deflexo do feixe de eltrons no TRC feita atravs de campos magnticos, produzidos por bobinas de deflexo, nas quais injetam-se correntes com forma de onda semelhante a um dente-de-serra.

A indutncia dessas bobinas impede que a corrente de deflexo inverta a polaridade instantaneamente ao final de cada linha de varredura; torna-se necessrio admitir um tempo de retrao, durante o qual o sinal de vdeo deve manter-se em apagamento. O retrao horizontal foi adotado como sendo da ordem de 20% do tempo de varredura, enquanto que o retrao da varredura vertical de cerca de 9%.

Considerando a necessidade desta margem de segurana devida ao retrao, a banda Bw ocupada pelo sinal de vdeo seria de

( )B MHzW =

=

12

453 1 2 480 1 09 60 8 5, , ,

Este valor excessivamente alto, especialmente considerando a tecnologia de radiodifuso disponvel na dcada de 40 (mesmo usando modulao AM-VSB). Assim sendo, para proporcionar uma reduo nos requisitos de banda passante, adotou-se o processo de entrelaamento (figura 8.1).

Fig. 8.1 - Entrelaamento

Tempo de Varredura

Tempo de Retrao

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


8.1.2 Entrelaamento Reproduzindo alternadamente apenas as linhas mpares e depois as pares de uma estrutura de varredura, separadas assim em campo mpar e campo par, consegue-se reduzir a taxa de imagens para 30 quadros completos por segundo, mantendo no entanto uma amostragem temporal de 60 campos por segundo. Uma vez que o olho humano no sensvel cintilao de detalhes de pequenas dimenses, o entrelaamento no perceptvel para imagens "normais", que so caracterizadas por contornos suaves e no alinhados com a estrutura de varredura. Evidentemente este argumento no vlido para imagens sintticas, como em monitores de computador, que podem ser fortemente alinhadas com a estrutura de varredura. Neste caso, demanda-se varredura progressiva (no entrelaada).

O entrelaamento obtido na prtica fazendo com que a freqncia da varredura horizontal seja um mltiplo mpar da freqncia de quadro (30 Hz). Considerando 480 linhas ativas e um perodo de retrao vertical de 9%, adotou-se no padro M 525 linhas por quadro, ou seja, 262,5 linhas por campo. (Figura 5.1)

Com o entrelaamento, a ocupao de banda do sinal de vdeo passa a ser de

( )B MHzW = + =

12

12

453 20% 525 60 4 2,

8.1.3 Modulao Vestigial O sinal de vdeo composto transmitido utilizando modulao em amplitude negativa; isto , o pico de amplitude da portadora (potncia mxima) corresponde ao nvel de sincronismo (-40 IRE), enquanto que a potncia mnima corresponde ao nvel de branco (100 IRE). Deste modo, a potncia de pico do transmissor constante, independente do contedo da imagem. Alm disso, reduzida a influncia do rudo no sincronismo do receptor.

A modulao AM de um sinal de TV, com banda de 4,2 MHz, exigiria mais de 8,4 MHz de banda total. Para reduzir a banda ocupada, o sinal modulado sofre uma filtragem vestigial, pela qual a banda lateral inferior limitada em 750 kHz abaixo da portadora (fig. 8.2). Considerando bandas de guarda entre os canais adjacentes, e considerando que o sinal de udio transmitido por uma portadora independente (modulada em FM numa freqncia 4,5 MHz acima da portadora de vdeo), a programao de TV no padro M pode ser veiculada atravs de um canal de 6 MHz de banda total.

Em situaes normais, a maior parte da energia irradiada concentra-se em freqncias prximas da portadora de vdeo (at ~ 100 kHz, veja fig. 8.3). Para essas freqncias, a modulao essencialmente AM.

4,2 MHz

-4,2 MHz

Vdeo Composto (Banda Base)

+4,2 MHz

-0,75 MHz+4,5 MHz

fo

Modulao AM

Modulao VSB + udio

0

Fig. 8.2 - Modulao AM-VSB para Radiodifuso de TV

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Fig. 8.3 - Espectro tpico de um sinal de TV

8.2 Transmisso Digital A necessidade de compresso de dados decorre da enorme quantidade de informao resultante da digitalizao de um sinal de vdeo, utilizando os critrios relevantes de amostragem. Considerando por exemplo o sinal de vdeo digitalizado conforme Rec. 601, os requisitos de transmisso (apenas relativos parte ativa da imagem, sem considerar o retrao ou os canais de udio) seriam dados por:

1 linha = 720 amostras de Luminncia + 2 360 amostras de crominncia = 1440 amostras

1440 amostras/linha 482 linhas 29,97 quadros/s = 20.801.578 amostras/s

20.801.578 amostras/s 8 bits = 166,4 Mb/s

No caso do padro D-2, temos:

1 linha (parte visvel) = 51 s ; Taxa de Amostragem = 14,31818 MHz

14,31818 MHz 51 s = 730 amostras / linha

730 482 linhas 29,97 quadros/s = 10.545.244 amostras/s

8 bits = 84,36 Mb/s

J para o caso da HDTV em 8 bits no padro SMPTE 274M, teramos:

1920 pixels 1080 linhas 29.97 quadros = 62.145.792 pixels/s

8 bits (1 + 1/2 + 1/2) = 994,3 Mb/s

Estes valores tornam praticamente invivel a radiodifuso no formato digital, uma vez que demandam canais de comunicao com banda passante muito elevada. Como comparao, as capacidades nominais de alguns canais tpicos (atualmente usados para transmisso de TV analgica), operando com modulao adequada para transmisso digital, esto apresentadas na tabela abaixo:

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Meio Relao S/R Modulao Taxa Bruta Taxa Lquida Cabo Coaxial > 30 dB 256-QAM 42.88 Mb/s 38 Mb/s Radiodifuso > 15 dB 8-VSB 38 Mb/s 19 Mb/s Radiodifuso > 20 dB OFDM x 64-QAM 30 Mb/s 22 Mb/s

Satlite (DTH) > 6 dB QPSK 45 Mb/s 30 Mb/s

Tabela 8.1 Capacidades de Canais de Comunicao

(Taxa Bruta = Taxa Lquida + Cdigos de Correo de Erros)

Para permitir a radiodifuso de TV digital atravs dos canais disponveis, torna-se necessrio adotar processos de compresso com perdas, baseados na reduo de redundncia temporal (semelhana entre quadros consecutivos de uma imagem) e espacial (correlao entre pixels adjacentes). Estes processos devem obviamente levar em conta as caractersticas da percepo visual humana para permitir altas taxas de compresso (maiores que 50:1 para radiodifuso de HDTV) apresentando, no entanto, reduzida visibilidade dos erros provocados na reconstruo da imagem.

9. Referncias Digital Image Processing - Rafael C. Gonzales, Richard E. Woods - Addison Wesley, 1992

Digital Video and HDTV Charles Poynton Morgan Kaufmann, 2003

Digital Visual Interface Rev. 1.0 Digital Display Working Group Standard, 1999

NAB Engineering Handbook J. Whitaker, ed. - National Association of Broadcasters, 1999

Signals & Systems Alan Oppenheim, Alan Willsky Prentice Hall, 1997

Television Engineering Handbook - K. Blair Benson, ed. - Mc Graw-Hill, 1985

The Digital Interface Handbook F. Rumsey, J. Watkinson Focal Press, 1995

Video Editing and Post Production J. R. Caruso, A. E. Arthur Prentice Hall, 1992

Video Engineering - Andrew F. Inglis, Arch C. Luther - Mc Graw-Hill, 1996

1. introdução: sinais digitais x analógicosgstolfi/mack/ap3_videodigital_m8.pdf · a aplicação...

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