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Sistemas Multimídia

Mídias Discretas e Contínuas

Profa. Débora Christina Muchaluat Saade

[email protected]

Departamento de Engenharia de Telecomunicações - UFF

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ü  Classes básicas de tráfego •  CBR, rajada, VBR

ü  Mídias Discretas •  Texto •  Gráficos e Imagens Estáticas

ü  Mídias Contínuas •  Digitalização de Sinais •  Áudio •  Vídeo

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Classes Básicas de Tráfego

ü  Natureza da Fonte de Tráfego ü  3 classes básicas:

•  Tráfego Contínuo com Taxa Constante – Constant Bit Rate (CBR)

•  Tráfego em Rajadas – Bursty

•  Tráfego Contínuo com Taxa Variável – Variable Bit Rate (VBR)

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ü  CBR – Tráfego Contínuo com Taxa Constante •  Taxa média é igual a taxa de pico •  Parâmetros para caracterizar o tráfego

–  Taxa de transmissão ü  Rajada

•  Períodos ativos (há geração de informação) intercalados por períodos de inatividade (fonte não produz tráfego)

•  Taxa média não é importante •  Parâmetros para caracterizar o tráfego

–  Distribuição das rajadas ao longo do tempo –  Duração das rajadas (duração média dos períodos de atividade) –  Taxa de pico atingida durante as rajadas (explosividade da fonte

– burstiness: razão entre a taxa de pico e a taxa média)

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ü  VBR – Tráfego Contínuo com Taxa Variável •  Apresenta variações na taxa de transmissão ao

longo do tempo •  Parâmetros para caracterizar o tráfego

– Taxa média – Variância da taxa de transmissão – Explosividade da fonte – burstiness

•  razão entre a taxa de pico e a taxa média

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ü  Mídias discretas (estáticas) •  Compostas por itens de informação independentes do tempo •  mídia com dimensões unicamente espaciais

–  textos, imagens, gráficos •  tempo não faz parte da semântica da informação

ü  Mídias contínuas (dinâmicas ou dependentes do tempo) •  O tempo ou a dependência temporal entre os itens de

informação fazem parte da própria informação •  mídia com dimensões temporais

–  áudios, vídeos e animações •  tempo faz parte da semântica da informação •  Se a dependência temporal não for respeitada, o significado

pode ser alterado

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Mídias Discretas

ü  Mídias discretas (estáticas) •  Texto •  Gráficos e Imagens Estáticas

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Mídia Texto

ü  Caracteres são convertidos para uma representação com um número fixo de bits

ü  Captura de Texto •  Digitação, OCR (Optical Character Recognition)

ü  Texto não-formatado •  Texto limpo (plaintext) •  Ex.: código ASCII 7 bits / 8 bits, EBCDIC, Unicode

ü  Texto formatado •  Richtext •  Cadeia de caracteres de estilos diferentes (fontes, tamanho,

cor, negrito, itálico, ...) •  Ex.: formatos proprietários de editores de texto, linguagens

de marcação (PS, HTML, latex)

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Requisitos de Comunicação da Mídia Texto

ü  Tráfego gerado em rajada ü  Vazão média depende da aplicação

•  Poucos bps => correio eletrônico •  Mbps => transferência de arquivos

ü  Normalmente, retardo máximo e variação do retardo não são críticos

ü  Erros não são tolerados

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Mídia Imagem

ü  Bloco bidimensional de pixels ou pels (picture elements), sendo cada pixel representado por um número fixo de bits •  RGB, YUV

ü  Captura de Imagens •  Câmera Fotográfica, Scanner, etc.

ü  Tipos •  Gráficos •  Imagens estáticas (fotografias, paisagens)

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Mídia Imagem

VGAVideo Graphics Display

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Mídia Imagem

ü  O olho humano vê uma única cor quando três cores primárias são apresentadas simultaneamente.

ü  Componentes Aditivas partem do preto e vão caminhando em direção ao branco à medida que as cores componentes são acrescentadas. •  R (red), G (green), B (blue) •  Display

ü  Componentes Subtrativas partem do branco e caminham em direção ao preto à medida que as componentes são acrescentadas. •  C (cyan), M (magenta), Y (yellow) •  Impressão

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Mídia Imagem

ComponentesAditivas

RGB

ComponentesSubtrativas

CMY

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Mídia Imagem

ü  Introdução à Tecnologia Raster-scan •  Canhão de elétrons de precisão, ou raster, varre a tela

inteira. •  A tela é composta de um número bem definido de linhas

horizontais. A primeira linha inicia no canto superior esquerdo da tela e a última termina no canto inferior direito. O canhão volta à primeira linha depois da última (Varredura Progressiva).

•  O interior da tela é coberto com uma camada de fósforo sensível à luz, que emite luz quando energizado pelo canhão de elétrons (de acordo com a intensidade do canhão num dado momento).

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Tecnologia Raster-scan

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ü  Monitores coloridos têm 3 tipos de fósforos fluorescentes •  emitem luzes vermelha, verde e azul quando tocadas

por 3 feixes de elétrons – mistura das luzes emitidas produzem pontos de cor

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Mídia Imagem

ü  Estrutura da Imagem •  Resolução geométrica (resolução espacial)

–  Dimensão da matriz de pixels •  Resolução de cor – profundidade do pixel (pixel depth)

–  Número de bits por pixel – determina o número de cores que podem ser reproduzidas em cada pixel

•  12 bits (4 por componente de cor) resulta em 4096 possíveis cores. •  24 bits (8 por componente de cor) resulta em mais de 16 milhões

de cores possíveis (224), porém como o olho humano não consegue distinguir entre este número de cores tão alto, muitas vezes um subconjunto de tais possíveis cores é utilizado (Tabela de Cores ou CLUT – color lookup table).

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Mídia Imagem

ü  Formato da imagem: taxa dada pelo número de linhas na imagem e o número de colunas. •  TV tem formato de imagem 4:3. •  Cinema e TV de tela larga tem formato de imagem 16:9.

ü  Padrões de TV •  NTSC - National Television Standards Committee (525

linhas) mas somente 480 linhas são apresentadas. •  PAL (625 linhas) mas somente 576 linhas são apresentadas. •  CCIR (mesmo que PAL) •  SECAM (mesmo que PAL)

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Mídia Imagem

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Cores

ü  As três propriedades mais importantes, de uma fonte de luz colorida, usadas pelo olho humano são: •  Brilho (brightness)

–  quantidade de energia que estimula o olho e que varia em uma escala de cinza do preto (mais baixo) para o branco (mais alto). É independente da cor da fonte.

•  Matiz (hue) –  Cor real da fonte de luz, cada cor tem uma frequência/

comprimento de onda diferente e o olho determina a cor a partir dela.

•  Saturação (saturation) –  Representa a força ou vida da cor. Uma cor pastel tem um nível

mais baixo de saturação que o vermelho, por exemplo.

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Cores

ü  Luminância •  Brilho = medida da quantidade de luz branca •  0.299R + 0.587G + 0.114B => cor branca •  Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B •  Imagem preto e branco

ü  Crominância •  Matiz e saturação •  Cb = B – Y •  Cr = R – Y

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Cores

ü  Sistema YUV (usado no PAL) •  Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B •  U = 0.493 (B - Y) •  V = 0.877 (R - Y)

ü  Sistema YIQ (usado no NTSC) •  Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B •  I = 0.74 (R - Y) – 0.27 (B – Y) = 0.599R – 0.276G – 0.324B •  Q = 0.48 (R - Y) + 0.41 (B – Y) = 0.212R – 0.528G + 0.311B

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Requisitos de Comunicação da Mídia Imagem

ü  Tráfego gerado em rajada ü  Vazão média depende da aplicação

•  Kbps, Mbps ü  Normalmente, retardo máximo e variação do

retardo não são críticos ü  Tolerância a erros depende da aplicação

•  Imagens estáticas sem compressão toleram •  Imagens médicas ou cartográficas não toleram

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Mídias Contínuas

ü  Mídias Contínuas (dinâmicas ou dependentes do tempo) •  Digitalização de Sinais •  Áudio •  Vídeo

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Tipos de Sinal

ü  Sinal Analógico •  Variação Contínua

ü  Sinal Digital •  Variação Discreta •  Intervalo de Sinalização

Qualquer informação pode ser transmitida através de sinal analógico ou digital

Sinal digital

Sinal analógico

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Sinal Analógico

ü  Amplitude do sinal varia continuamente com o tempo ü  Análise de Fourier é uma técnica matemática que pode

ser usada para mostrar que qualquer sinal analógico, com variação no tempo, é composto de uma soma, possivelmente infinita, de componentes de frequência.

+ + .... +

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Exemplo

ü  Sinal de voz: 50Hz a 10KHz ü  Música de Orquestra: 15Hz a 20KHz

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Gráfico que mostra a “contribuição” de cada frequência componente (harmônico) na construção do sinal resultante. Esta contribuição está intimamente relacionada à amplitude daquela componente.

Exemplo: espectro de um sinal de voz

dB

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4000 Hz

Espectro de um Sinal

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Banda Passante

ü  Banda passante •  intervalo de frequências [fmin, fmax]

ü  Largura de banda •  fmax – fmin

ü  Exemplo: •  Música de Orquestra

– Banda passante: [15Hz, 20KHz] – Largura de banda: ~20KHz

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Digitalização de Sinais

Codificando cada nível com 4 bits:

1100 1110 1110 1110 1010 0011 0001 1001 1010 ...

Na recepção...

15 14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

15 14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

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Codificadores de Sinais

ü  A conversão de um sinal analógico em digital é realizado por um circuito eletrônico chamado Codificador de Sinal.

ü  Composto de dois circuitos principais •  Filtro Limitador de Banda •  Conversor Analógico Digital

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Exemplo

A - Sinal Original

B - Saída do Filtro

C - Relógio de Amostragem

D - Amplitude das Amostras

E - Valor binário da amostra depois da quantização

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Sinal original

Pulsos PAM

Pulsos PCM

Saída PCM 100110011010101010100001101111101

7.0

6.0

4.1 4.5 2.5

5.0

2.2 3.0 1.1

5.0 5.0

100 110 011 010 101 010 100 001 101 111 101 0 1 2 3 4 5 6 7

PCM - Pulse Code Modulation

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Taxa de Amostragem

ü  O teorema de Nyquist diz que, para se obter uma representação precisa de um sinal analógico, a amplitude do mesmo deve ser amostrada a uma taxa igual ou superior a duas vezes a frequência da componente de mais alta frequência do sinal.

ü  A taxa de Nyquist é dada em Hz ou em amostras por segundo (sps) ü  Amostragens abaixo da taxa de Nyquist introduzem componentes de

frequência adicionais ao sinal, causando distorção definitiva no sinal original (alias signal).

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Taxa de Amostragem

ü  O filtro limitador de banda serve para descartar sinais com frequência maior que a usada para cálculo da taxa de Nyquist, por este motivo o filtro limitador de banda também é chamado filtro anti-aliasing.

ü  Para se evitar o problema de sinais alias, a taxa de amostragem é usualmente escolhida de acordo com a banda passante do meio de transmissão ao invés da frequência do sinal. •  O meio de transmissão pode funcionar como um filtro de

sinal.

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Quantização

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Ruído de Quantização

ü  A diferença entre o valor real de uma amostra e seu representante binário é chamado erro de quantização. Como este erro varia de amostra para amostra, a distorção causada por tal erro é chamada ruído de quantização.

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Acesso a Provedor

A/D D/A

Central Central

D/A A/D

A Conversão Analógico/Digital

Gera um Ruído chamado Ruído de Quantização

MODEM

Não é possível mais do que 33.6 kbps !!

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Taxa Máxima de Transmissão: Lei de Shannon

ü  O principal resultado de Shannon (conhecido como a Lei de Shannon) afirma que a capacidade máxima C de um canal (em bps) depende da largura de banda e da razão sinal-ruído•  Exemplo: Um canal de 3.000 Hz com uma razão sinal-ruído

de 30 dB (parâmetros típicos de uma linha telefônica) não poderá, em hipótese alguma, transmitir a uma taxa maior do que aproximadamente 30.000 bps.

C = W log2 (1 + S/N)

W: largura de banda; S/N: razão sinal-ruído 1 dB = 10 log10(S/N)

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Acesso a Provedor

A/D

Central Central

D/A A/D MODEM

Linha Digital (T1 ou E1, p. ex.)

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Acesso a Provedor

A/D

Central Central

D/A A/D MODEM

33.6kbps

~56kbps

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Decodificadores Digitais

ü  É um circuito eletrônico que serve para converter um sinal digital de volta para sua forma analógica. •  Um alto-falante, por exemplo, é um dispositivo analógico,

logo um computador, que é um dispositivo digital, precisa usar um decodificador digital para emitir som através de um alto-falante.

•  Composto por um Conversor Digital/Analógico (DAC) e um filtro passa baixa.

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ü  Normalmente o filtro passa baixa filtra as mesmas frequências do filtro de limitação de banda do codificador digital

ü  Como a maioria das aplicações multimídia implementa comunicação bidirecional, usualmente os codificadores digitais e decodificadores analógicos são construídos em um dispositivo único chamado codificador/decodificador de áudio/vídeo, ou simplesmente codec de áudio/vídeo.

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Mídia Áudio

ü  Mídia Tipicamente Analógica •  Representação Digital, quando necessário para integração

com mídias digitais, através de digitalização do Sinal Analógico por amostragem.

ü  Captura de Áudio •  Microfone

ü  2 tipos de sinais de áudio: •  Sinal de voz:

–  50Hz a 10KHz •  Música

–  15Hz a 20KHz – Estéreo: 2 canais

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Voz PCM

ü  Padrão G.711 usado nas redes telefônicas (PSTN – public switched telephone network)

ü  Banda passante limitada •  200Hz a 3.4KHz

ü  Taxa de amostragem mínima de 6.8KHz ü  Taxa de 8KHz é usada ü  PCM com 8 bits por amostra => taxa de 64Kbps

•  Para reduzir erro de quantização –  quantum não-linear –  Compansão do sinal (circuitos compressor e expansor)

•  Lei A (Europa) •  Lei µ (Estados Unidos e Japão) •  conversão necessária na comunicação entre os dois sistemas

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Áudio Qualidade CD

ü  Padrão CD-DA (CD-digital audio) ü  Banda passante

•  15Hz a 20KHz ü  Taxa de amostragem mínima de 40KHz ü  Taxa de 44.1KHz é usada ü  PCM com 16 bits por amostra ü  Estéreo: 2 canais

•  Taxa por canal: –  44.1 x 103 x 16 = 705.6Kbps

•  Taxa total: –  2 x 705.6kbps = 1.411Mbps

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Áudio sintetizado

ü  Espaço necessário para armazenar áudio sintetizado é 2 a 3 vezes menor que a versão equivalente digitalizada.

ü  Sintetizador segue o padrão MIDI (Music Instrument Digital Interface)

ü  Padrão MIDI define •  Hardware para conectar os equipamentos (portas e cabos) •  Formato de dados para codificar a informação a ser processada pelo

hardware –  Linguagem de descrição de música em binário –  128 instrumentos

•  0 (piano), 40 (violino), 73 (flauta)... –  Sons para efeitos especiais (canhão, aplauso de audiência, ...) –  Formato de dados específico para cada instrumento

•  Áudio gerado é uma sequência de mensagens MIDI •  Gerador de áudio usa amostras de sons produzidas por instrumentos

reais (wavetable synthesis) 55


Requisitos de Comunicação da Mídia Áudio

ü  Natureza do Tráfego •  Sem compactação/compressão

– Contínuo com Taxa Constante – CBR •  Áudio comprimido

– Contínuo com Taxa Variável – VBR – Tráfego em rajada (voz com detecção de silêncio)

•  Reprodução no destino à taxa constante ü  Vazão média depende da aplicação

•  Voz (PCM) – 64Kbps •  Qualidade de CD estéreo – 1.411 Mbps

ü  Tolerância a erros •  Relativamente alta (perdas de 1 a 20% são toleráveis

dependendo de como a voz é codificada)

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Requisitos de Comunicação da Mídia Áudio

ü  Variação estatística do retardo (em redes de pacotes) deve ser compensada

ü  Retardo de transferência máximo é crítico •  Principalmente em conversações

– Retardo < 150 ms não é percebido pelo ouvido humano

– Retardo entre 150 e 400 ms é aceitável – Retardo > 400ms => conversa ininteligível

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Mídia Vídeo

ü  Mídia Tipicamente Analógica •  Representação Digital, quando necessário para

integração com mídias digitais, através de digitalização do Sinal Analógico por amostragem.

ü  Captura de Vídeo •  Câmeras de Vídeo

ü  Estrutura do Vídeo •  Resolução espacial (resolução geométrica +

resolução de cor) •  Resolução temporal (no. de quadros por seg.)

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Difusão de TV

ü  Padrões de TV •  NTSC - National Television Standards Committee (525

linhas) mas somente 480 linhas são apresentadas. •  PAL (625 linhas) mas somente 576 linhas são apresentadas. •  CCIR (mesmo que PAL) •  SECAM (mesmo que PAL)

ü  Formato da imagem •  TV tem formato de imagem 4:3. •  Cinema e TV de tela larga tem formato de imagem 16:9.

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Difusão de TV

ü  Varredura da Tela •  Taxa de refresh mínima deve ser de 50 vezes/seg

para evitar cintilação (flicker) •  Sensação de movimento: 25 quadros/segundo •  Para minimizar o volume de dados transmitido,

cada imagem é transmitida em 2 metades (campo) – 1o. Campo – linhas ímpares – 2o. Campo – linhas pares – Varredura entrelaçada

•  linhas ímpares e pares

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Varredura entrelaçada

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Varredura entrelaçada

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Varredura Entrelaçada

ü  Sistema NTSC •  525 linhas

–  262.5 linhas por campo (240 visíveis) •  30 quadros/seg

ü  Sistema PAL/CCIR/SECAM •  625 linhas

–  312.5 linhas por campo (288 visíveis) •  25 quadros/seg

ü  Brasil – PAL-M •  Padrão americano com sistema de cores Europeu (525 linhas, 30 q/s)

ü  Taxa de refresh •  60/50 campos/seg

ü  Taxa de refresh de quadros •  30/25 quadros/seg

ü  Sensação de 60/50 quadros/seg 63


Cores

ü  Para manter compatibilidade com TV preto e branco •  Luminância (preto e branco) e crominância são combinadas

em um sinal de vídeo composto ü  Sistemas de cores

•  Sistema YUV (usado no PAL) –  Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B –  U = 0.493 (B - Y) –  V = 0.877 (R - Y)

•  Sistema YIQ (usado no NTSC) –  Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B –  I = 0.74 (R - Y) – 0.27 (B – Y) = 0.599R – 0.276G – 0.324B –  Q = 0.48 (R - Y) + 0.41 (B – Y) = 0.212R – 0.528G + 0.311B

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Tipos de Conectores de Vídeo

ü  Composite Video (vídeo composto) ou RCA •  3 componentes (YCrCb) combinadas

ü  S-Video ou Super Video ou S-VHS •  Separa as componentes de luminância e

crominância com resolução máxima de 480/576 linhas

ü  Component Video (vídeo componente) •  Separa as componentes RGB ou YCrCb com

resolução de até 1080 linhas •  3 cabos RCA

ü  Conector RF •  Usado em cabos coaxiais

Vídeo composto

S-Video

Vídeo componente65


Tipos de Conectores de Vídeo

ü  DVI (Digital Visual Interface) •  Somente vídeo

–  DVI-A – analógico –  DVI-D – digital –  DVI-I – pode funcionar como analógico ou digital

•  Single link – 1920x1080 •  Dual link – 2048x1536

ü  HDMI (High Definition Multimedia Interface) •  Vídeo e áudio digital •  Resolução WQXGA (Wide Quad eXtended Graphics Array)

–  2560x1600 – aspect ratio 16:10 •  Ou maiores WQUXGA – 3840x2400 – 16:10

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Vídeo Digital

ü  Olho humano é mais sensível à luminância que a crominância

ü  Sinais de crominância podem ser transmitidos com resolução menor que o de luminância

ü  ITU-R (ITU Radiocommunications Branch) – antigo CCIR •  Padrão para vídeo digital CCIR-601 •  Variantes do padrão para uso em difusão de TV,

videotelefonia e videoconferência •  Formatos de digitalização

–  Formato 4:4:4 •  Baseado nos sinais RGB/YCrCb

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Vídeo Digital

•  Formatos de digitalização – Formato 4:2:2

•  Uso em estúdios de TV (YCrCb) •  banda de 6 MHz para luminância e 3 MHz para

crominância •  Taxa de amostragem de 13.5 Mhz / 6.75 MHz •  702 amostras por linha (52microsseg a 13.5MHz) •  Na prática são 720 amostras para luminância e 360

para cada crominância por linha •  8 bits por amostra (256 níveis) •  Varredura não-entrelaçada (60/50Hz) •  Taxa de 216 Mbps

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Formato 4:2:2

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Vídeo Digital

•  Formatos de digitalização –  Formato 4:2:0

•  Uso para difusão de TV digital (YCrCb)

•  Mesma resolução para luminância e metade para crominância

•  Sistema de 525 linhas –  Y=720x480 –  CrCb=360x240

•  Sistema de 625 linhas –  Y=720x576 –  CrCb=360x288

•  Taxa de 162 Mbps

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Vídeo Digital

ü  Formato HDTV – High Definition Television •  Formato 4:3 – resolução de 1440x1152 pixels •  Formato 16:9 – resolução de 1920x1152 pixels •  Em ambos os casos, 1080 linhas visíveis •  4:2:2 para estúdio (taxa de quadros 50/60Hz) •  4:2:0 para difusão (taxa de quadros 25/30Hz)

ü  Outros Formatos •  SIF, Sistema de 525 linhas: Y=360x240; CrCb=180x120 •  Videoconferência: CIF, 4CIF, 16CIF •  Videotelefonia: QCIF, Sub-QCIF/S-QCIF

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Requisitos de Comunicação da Mídia Vídeo

ü  Natureza do Tráfego •  Sem compactação/compressão

– Contínuo com Taxa Constante – CBR •  Vídeo comprimido

– Contínuo com Taxa Variável – VBR •  Reprodução no destino à taxa constante

ü  Vazão média depende da aplicação ü  Tolerância a erros

•  Erros podem se propagar quando técnicas de compressão são utilizadas

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Requisitos de Comunicação da Mídia Vídeo

ü  Variação estatística do retardo deve ser compensada

ü  Retardo de transferência máximo é crítico •  Comunicação interativa de tempo real

classes básicas de tráfego · ü a taxa de nyquist é dada em hz ou em amostras por segundo (sps)...

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