COMPRESSÃO DE COMPRESSÃO DE FILMESFILMES

GRUPO:

Alessandra Antunes Vargas

Anderson Konzen

Débora Rampanelli

Lucia S. Saldivar

Dezembro/2000

Tópicos abordados

• Técnicas de Codificação• Normas

– Histórico – Características Principais

• Compressão MPEG• Aplicações

– DVD– DiVX

Introdução

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

CODIFICAÇÃO:Principais Ferramentas

• Pulse Code Modulation (PCM)• Preditiva

– Diferenças Espaciais– Inter-trama– Inter-trama com compensação de

movimento• De Transformada• Entrópica

Esquemas Híbridosde Codificação

Codificação de Transformada associada à transmissão de diferenças no tempo com compensação

de movimento.

• Pulse Code Modulation (PCM)

Representação discreta no tempo e discreta na amplitude.

• Codificação PreditivaDPCM (Differential Pulse Code Modulation)

Prediz cada amostra a ser codificada, usando valores de amostras já codificadas. Codifica apenas o erro de predição.

Baseia-se no pressuposto da redundância do sinal (no espaço e/ou no tempo).• Eficiência: proporcional à precisão das predições.• Desvantagem: Propagação de erros, sendo necessário o uso de técnicas não

preditivas.

• CODIFICAÇÃO DE DIFERENÇAS ESPACIAIS

Aplicado à uma imagem fixa, cada amostra é predita usando as amostras vizinhas no espaço e já codificadas. Explora a redundância espacial contida na imagem.

• CODIFICAÇÃO INTER-TRAMA

Cada amostra k de de uma seqüência de imagens é codificada com a predição da amostra correspondente na imagem anterior, k-1. Explora a redundância temporal, transmitindo o erro onde houve mudança.

• CODIFICAÇÃO INTER-TRAMA COM COMPENSAÇÃO DE MOVIMENTO

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

Exemplo

• Codificação de Transformada

Converte um bloco de amostras num bloco de coeficientes. Obtida através da quantificação dos coeficientes significativos em termos energéticos. Explora a correlação espacial das amostras.

Maior interesse: Transformadas com interpretação na freqüência. Cada coeficiente transporta a energia de uma combinação de freqüências horizontais e verticais, correspondendo à variação espacial do sinal. Quantifica os sinais de modo seletivo, de acordo com a sensibilidade do sistema visual humano.

• Transformada de Cosseno Discreta: melhor desempenho em compactação de energia.

DCT

DCT - Exemplo

• Codificação Entrópica

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

Principal aspecto: Reversibilidade

Primeira Geração de Normasde Codificação Digital de Imagem e

VídeoNorma

Ano(aprox.)

ServiçosAplicações

Débito binárioTécnicas decodificação

ITU-R 601 1982 Televisão em estúdio 216 Mbit/s PCM

ITU-T H.120 1984 Videoconferência 2 Mbit/sDPCM

Codificação entrópica

ITU-T H.261 1990Videotelefonia eVideoconferência

p x 64 kbit/sp = 1, ..., 30

DPCMTransformada DCT

Compensação demovimento

Codificação entrópica

ISO/JPEG 1990 Fotografia - Transformada DCTCodificação entrópica

Primeira Geração de Normasde Codificação Digital de Imagem e

Vídeo Norma

Ano(aprox.) Serviços

AplicaçõesDébito binário Técnicas de codificação

ISO/MPEG 1 1991Gravação em CD-

ROM1.5 Mbit/s

DPCMTransformada DCT

Compensação demovimento

Codificação entrópica

ISO/MPEG 2ITU-T H.262

1993 Televisão de média ealta definição

> 2 Mbit/s

DPCMTransformada DCT

Compensação demovimento

Codificação entrópica

ITU-T H.263 1995Videotelefonia na rede

analógica< 64 kbit/s

DPCMTransformada DCT

Compensação demovimento

Codificação entrópica

Principais Normas de Codificação Digital de Imagens e Vídeo

• ITU-R 601

- Codificação de sinais televisivos em estúdio.

- Sinal de luminância, Y, e dois de crominância, U e V, amostrados a uma frequência, de 13.5 e 6.75 MHz, respectivamente.

- Não estabelece qualquer método de compressão de informação limitando-se a usar PCM.

• ITU-T H.120

- Transmissão de videoconferência através das linhas digitais da 1ª. hierarquia.

- Usa o preenchimento condicional, uma forma particular de DPCM onde se envia o erro de predição se este for superior a um dado limite.

- Ainda não usava compensação de movimento.

• ITU-T H.261

- Codificação de sinal de vídeo com taxas de px64 Kbits/s, 1<= p <= 30.

- Consagra, pela primeira vez, o esquema de codificação híbrida.

Principais Normas de Codificação Digital de Imagens

e Vídeo• ISO/JPEG

- Codificação de imagens fixas.

- Algoritmo de codificação para imagens fotográficas multi-nível (tons de cinza) ou a cores baseado na codificação de transformada.

- Foram definidos quatro modos principais de operação: sequencial, progressivo, hierárquico e sem perdas.

• ISO/MPEG1

- Resposta à crescente procura de uma norma para gravação digital de vídeo.

- Mesmo esquema de codificação híbrida que a norma H.261.

- Como é usada para gravação permite que a codificação não seja em tempo real, podendo manipular-se cuidadosamente a distribuição dos recursos (bits) disponíveis, aumentando com isso a qualidade subjetiva final.

- Imagens não entrelaçadas com resolução espacial CIF, a 25Hz.

- Norma de codificação de áudio e norma de sistema, definindo a multiplexagem e a sincronização dos sinas de vídeo e áudio. A codificação de áudio pode ser feita segundo vários modos, usando débitos binários entre 32 e 448 kbit/s, e um ou dois canais.

Principais Normas de Codificação Digital de Imagens

e Vídeo• ISO/MPEG2 ou ITU-T H.262

- Norma de codificação para a televisão digitais, sinais áudio-visuais digitais.

- Mesmas ferramentas de codificação que a norma MPEG1.

- Destinava-se a média resolução, mas foi estendida também para alta definição.

-Taxas entre 4 e 10 Mbit/s para média resolução e aproximadamente 4 vezes maior para alta definição.

- Perfis (codificação) e níveis (resolução, débito binário e complexidade).

- Considera para áudio taxas entre 32 e 344 Kbit/s (como a norma MPEG1), mas permite o uso de um a cinco canais de áudio.

• ITU- T H.263

- Melhores desempenhos que a norma H.261 para as taxas mais baixas de uso desta norma, ou seja, 64 e 128 kbit/s = melhoria da codificação híbrida.

- Comunicações vídeo-telefônicas a taxas muito baixas.

- Aplicações não só em vídeo-telefonia na rede analógica mas também na vídeo-telefonia em redes móveis e controle remoto áudio-visual.

A Norma ISO/MPEG4-A Revolução Tranqüila-

Áreas consideradas pela norma MPEG4

• Objetivo da norma MPEG4: solução das expectativas criadas na referida convergência dos três mundos, especificando uma norma de representação de informação áudio-visual com potencialidades em termos de interatividade, elevada compressão e acesso universal. Mais ainda, de modo a levar em conta a rápida evolução dos métodos, do hardware e do software, a norma deverá apresentar boas capacidades em termos de flexibilidade e

extensibilidade, ou seja, uma revolução tranqüila.

Funcionalidades da norma MPEG4• Interatividade com base nos conteúdos

- capacidade de interagir com os "objetos"/conteúdos áudio-visuais da cena.

- acesso a bases de dados multimídia com base em conteúdos, e a manipulação de conteúdos ou a representação integrada de informação natural e sintética

• Elevada compressão

- codificação de cenas com múltiplas perspectivas/vistas, chamadas sequências estereoscópicas, abrindo novas perspectivas em termos do “realismo” das aplicações.

- aplicações de entretenimento, de simulação de treino, por exemplo de aviões, e genericamente as apresentações multimídia, destinadas à educação.

•Acesso universal

- escalabilidade de conteúdos: informação de vídeo organizada em termos de "objetos", tendo cada objeto maior ou menor prioridade consoante a sua importância na cena e sendo cada objeto representado de modo adequado às suas características próprias; isto significa que um objeto em movimento deverá ter maior resolução temporal do que um objeto parado na cena e vice-versa. No fundo, a escalabilidade de conteúdos implica uma "descrição organizada da cena" onde os métodos e parâmetros da

representação são adaptados a cada unidade de conteúdo.

Exemplo da interatividade com base nos conteúdos:

- Cada objeto é codificado em vetores de bits separados.- Forma, transparência, coordenadas espaciais,parâmetros descritivos como zoom, rotação, translação, etc. são incluídos nesse vetor de bits.- O usuário pode decodificar a sequência original ou manipulá- la através de operações simples de edição, sem a necessidade de outra codificação.

A- Original decodificada B- Decodificada e manipulada

Compressão MPEG

Utiliza dois tipos de métodos de compressão:

• Interframe- Baseada em técnicas de prediçãoe interpolação

• Intraframe

Codificação Preditiva

É um tipo de codificação interframe, ondeapenas as diferenças entre os quadros atuale anterior são codificadas.

Predição Bidirecional

Também é do tipo interframe e codifica o quadro atual baseado nas diferenças entre o atual, o passado e o próximo quadro do vídeo.Este tipo de codificação interframe é chamado de motion-compensated interpolative enconding.

Tipos de quadros codificados:

• I-frames (codificação intraframe)• P-frames (codificação preditiva)• B-frames (codificação bidirecional)

I-frame contém um simples quadro codificado.

P-frame é construído predizendo as diferençasentre o quadro atual e o anterior I- ou P-frame.

B-frame é construído dos dois mais próximosP- ou I-frames .O B-frame deve ser posicionadoentre estes I- ou P-frames.

Exemplo de uma seqüência de quadros MPEG

Mas o dado MPEG não é decodificado e mostrado na mesmaseqüência em que foi codificado. Por causa do B-frame se referir a dois quadros por predição, ambos quadros devem serdecodificados antes.

No exemplo, o I-frame é decodificado primeiro. Mas antes dos B-frames serem decodificados, o P-frame deve serdecodificado e guardado na memória com o I-frame. Depois disso é que os B-frames são decodificados.

No exemplo, a cadeia de quadros é:I B B P B B P B B Imas é decodificada assim:I P B B P B B I B B

E finalmente mostrada na seqüência original.

Uma vez os quadros construídos, temos uma compressão DCT, similar à utilizada nas arquivos JPEG,onde a codificação interframe reduz a redundânciatemporal e a codificação DCT reduz a redundância espacial.

A sincronização entre áudio e vídeo é feita através demarcadores de tempo que são afixados durante acodificação nos identificadores de blocos.

Algumas “features” do algoritmo de codificação do MPEG4

• Padrão MPEG-1 Y:U:V representação de intensidade de luminância e crominância no formato 4:2:0, cada pixel quantizado em 8 bits. O tamanho do quadro e a frequência dependem da aplicação.

• É compatível com as codificações Intra (I), de predição temporal (P) e predição bi-direcional (B) de quadros.

• Baseado em blocos de 8x8 pel e/ou macro-blocos de 16x16 pel- com estimação e compensação de movimento.

• Codificação de textura em I, P e B-VOP's usando a DCT, seguida da quantização MPEG-1/2 ou H.261/3.

• Eficiente predição de DC- e AC-coeficientes da DCT em frames Intra codificados (VOP's).

• Pedaços de macroblocos adaptativos, marcas de movimento e tratamento de bits para ressincronização em ambientes propensos a erros.

DVD

• O que é DVD

• O caminho do CD ao DVD

• Novas Tecnologias (Divx)

CARACTERÍSTICAS DO DVD

• Primeiro meio de distribuição projetado para vídeo digital

• 17 bilhões de bytes (9 horas de filme)• Mesmo diâmetro e espessura de um CD• DVD players capazes de reproduzir CD’s • Assim como o CD, durável e tolerante à pó,

sujeira e impressões digitais• Utiliza padrão de codificação MPEG-2

CAMINHO DO CD AO DVD

• Há 14 anos foi lançado o Compact Disk, que tem desfrutado de muito sucesso

• Música, aplicações em computação( CD-ROM), imagens(Photo CD) e vídeo games.

• Desde sua introdução, vemos significativos avanços na tecnologia que suporta o CD.

• Estes avanços tormaram-se brincadeira quando anunciada a próxima geração de meios óticos.

• Este foi o início do DVD.

O QUE É NOVO E DIFERENTE?

• O DVD suporta 4,7 Gbytes por camada• Permite dupla camada em um único lado• Comparação do tamanho das cavidades do CD

versus DVD:

Comparação do tamanho das cavidades do CD versus DVD:

VANTAGENS DO DVD-ROM

• Maior capacidade• Compatibilidade reversa• Transferência de dados mais rápida• Capacidade futura de regravação• Custo acessível

DESVANTAGENS DO DVD• Preocupação nas grandes empresas, no sentido

de frear a falsificação e também para controlar o momento do lançamento dos filmes em cada mercado.

• Zonas definidas:• 1) América do Norte • 2) Japão, Europa, Oriente Médio e África do Sul• 3) Ásia Sul • 4) Austrália, Nova Zelândia, América do Sul e

América Central• 5) Ásia Norte e África Norte• 6) China

DIVX;-)

• Pode ser o novo Napster para filmes• Combina a tecnologia MP3 e MPEG-4• É um CODEC (programa de compressão)• Usado com outros utilitários, tornaria possível

copiar um filme de um DVD e gerar um filme para ser gravado num CD-ROM ou facilitar a transmissão pela internet.

• Mesmo com uma conexão de 1,544Mbps são necessários 45 minutos para transmitir um filme de 2 horas em DivX;-)

• Já há briga na justiça por causa do decodificador DeCSS

• A popularidade atingida pela codificação MPEG-4, que já “transitou” para o público é enorme.

• O MPEG-4 poderá revolucionar a breve prazo a multimídia no mundo informático e na internet.

Bibliografia

- Mitchell, Joan L.; Pennebaker, W.; Fogg, C.; LeGall, D.MPEG Video Compression Standard. ITP. 1996.

- www.img.lx.pt/~fp/artigo52/artigo52.htm

- www.co.it.pt/seminarios/ondulas/compressao/index.html

- amalia.img.lx.it.pt/~fp/artigo92/artigo92.htm

- www.bsi.com.br/bsi/servicos/servdvd.html

- www.hometheater.com.br/artigos