127/04/23
TVDIGITAL
Paulo Ernesto Moreira
2
CONVERSÃO ANALÓGICO - DIGITAL
TÉCNICAS DE COMPRESSÃO
PRINCIPAIS PADRÕES
Seqüência de Abordagem
327/04/23
Forma de Aquisição e Principais Fontes
AQUISIÇÃO : As variações de luminosidade são convertidas em sinal elétrico
CÂMERAS E SCANNERS Principal componente : CCD Charge - Coupled Device
4
Sinais de Vídeo e Cor
RGB - Sinais obtidos de cada saída da câmera R Relativo ao vermelho contido na cena G Relativo ao verde contido na cena B Relativo ao azul contido na cena Y Vídeo ou luminância Y = 0,59G + 0,30R +0,11B C Croma ou cor
R - Y ou Cr Croma R sem luminância B - Y ou Cb Croma B sem luminância
527/04/23
Varredura e Resolução
Varredura progresiva : Todas as linhas consecutivamente
Varredura entrelaçada : campo ímpar - apenas as linhas ímpares campo par - apenas as linhas pares
Quadro : todas as linhas - fotograma completo
Pixel - elemento de imagem
Resolução - pixels / linha x nº de linhas
627/04/23
Por que Digital ?
Maior imunidade à ruídos
Possibilidade de controle por “software”
Possibilidade de correção de erros
Permite multiplexar diferentes mídias
Permite acesso condicionado
Facilidade de compressão de dados
727/04/23
DIGITALIZAÇÃO
ConversorAnalógico /
Digital
ConversorDigital /
Analógico
Processamentodo sinaldigital
Sinalanalógico
Sinalanalógico
Diagrama básico de uma comunicação digital
827/04/23
DIGITALIZAÇÃO
SINAIS ANALÓGICOS, DIGITAIS CONTÍNUOS E DISCRETOS
t
t
t
t
x(t)
x(t) x(t)
x(t)
Analógicocontínuo no
tempo
Analógicodiscreto no
tempo
Digitalcontínuo no
tempo
Digitaldiscreto no
tempo
927/04/23
DIGITALIZAÇÃO
A AMOSTRAGEM
t t
Sinal analógico Sinal discreto notempo (PAM)
x(t) x(t)
Pulsos deamostragem
1027/04/23
DIGITALIZAÇÃO
A QUANTIZAÇÃO
1
2
3
4
apro
xim
a pa
ra 1
apro
xim
a pa
ra 2
apro
xim
a pa
ra 3
apro
xim
a pa
ra 3
apro
xim
a pa
ra 4
apro
xim
a pa
ra 4
1
2
3
4
tt
Sinal com erro de quantização
pass
o
1127/04/23
DIGITALIZAÇÃO
A CODIFICAÇÃO
1
2
3
4
t
Código bináriobits “0” e “1”
Amostras quantizadas
000
001
010
011
100
Sequência transmitida:
000001010011100
Sinal elétrico
1227/04/23
DIGITALIZAÇÃO
BITS
BYTES
TAXA DE BITS: Tb
TAXA DE SÍMBOLOS: Ts
1327/04/23
720 Pixels 360 Pixels 360Pixels
486Linhas
486Linhas
486Linhas
Luminancia(Y)
Croma(Cr)
Croma(Cb)
"Picture Rate": 60 campos por segundo
"Active Picture Bit-rate":8 bits (720+360+360) x 486 x 8 x 30 = 168Mbps
Formatos e Notação A : B : C
Ex. 4:2:2 4 amostras para Y 2 amostras para Cr 2 amostras para Cb
1427/04/23
Parâmetro
Luminância ( Y )
Sinaisdiferença de cor
Cr e Cb(cada)
Taxa do sinal composto(não comprimido)
Amostraspor linhas
Amostragem(freq)
Codificação Taxa de saida
858
429
13,5MHz
6,75MHz 8-bit PCM
8-bit PCM 108 Mbps
54 Mbps
216 Mbps
Freqüência de Amostragem
Altas taxas de bits: Necessidade de compressão
1527/04/23
SEQUÊNCIA DE PIXELS IGUAIS
Redundância Espacial
Área com pixels iguais (luminância)
1627/04/23
Redundância Espacial
Área com pixels iguais (luminância e croma)
1727/04/23
quadro 1 quadro n quadro ( n + m)
Redundância Temporal
Toda ou parte da imagem repetida em quadros adjacentes
Luminância
1827/04/23
Redundância Temporal
Toda ou parte da imagem repetida em quadros adjacentes
Luminância e croma
C I S C O H A L L C I S C O H A L L C I S C O H A L L C I S C O H A L L
Frame 1Frame 2Frame 3Frame 4
1927/04/23
Técnicas de Compressão
Sub-amostragem (sub-sampling)
2027/04/23
Técnicas de Compressão
Quantização grosseira (coarse quantization) Redução dos tons de cinza
2127/04/23
retardo( 1 pixel )
-
+
+
+
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. .. . . . ........ . . .. . ..
. .... ....... .
. . . . .. ...
. .. . . . . .
. . ... .. .
entr. saidacodificador
sinal de entrada
sinal de saida
Técnicas de Compressão
Differential Pulse Code Modulation - DPCM Codificação da diferença entre amostras
2227/04/23
BLOCORESULTANTE
ÀREADE
BUSCA
D
BLOCO ANTERIOR
BLOCODESLOCADO D
Dx
Dy
D : VETOR DE MOVIMENTO
Técnicas de Compressão
Compressão entre quadros (Interframes)
Casamento de blocos (Block Matching)
Vetor movimento (Motion Vector)
2327/04/23
SÍMBOLO PROBOCORRÊNCIA
S
S
S
S
1
2
3
4
p
p
p
p
=
=
=
=
1
2
3
4
0,60
0,20
0,15
0,05 1
01
0
1
0
0,20
0,40
1,0
Huffman Normal
0
10
110
111
00
01
10
11bits/simbbits/simb
1,6 2L = p1.S1 + p2.S2 + p3.S3 + p4.S4COMPMED
ALGORÍTMO
Técnicas de Compressão
Codificação por entropia Codificação “Run-lenght” Codificação de Huffman
2427/04/23
domínio do tempo domínio do tempodomínio da freqüência
t f
F F
Técnicas de Compressão
Transformadas : Domínio do tempo Domínio da freqüência
Objetivo Descarte de coeficientes menos significativos
2527/04/23
F (u,v ) = C (u) C (v)4
J=0 K=0
7 7
f (j,k) cos (2j + 1) u (2k+ 1) vcos16 16
TRANSFORMADA DIRETA :
ONDE :C (u) , C (v ) = 1
2para u,v = 0
C (u) , C (v ) = 1 para u,v = 0
Técnicas de Compressão
DCT Transformada Discreta de Co-seno : Matriz 8x8 pixels Matriz 8x8 coeficientes Geração de coeficientes descorrelacionados Energia concentrada sobre alguns coeficientes Coeficientes nulos ou quase nulos
2627/04/23
139 144 149 153 155 155 155 155144 151 153 156 159 156 156 156150 155 160 163 158 156 156 156159 161 162 160 160 159 159 159159 160 161 162 162 155 155 155161 161 161 161 160 157 157 157162 162 161 163 162 157 157 157162 162 161 161 163 158 158 158
f ( j , k ) =
1260 -23 -11 -7 -1 2 -1 -3
-1 -17 -9 -2 -1 0 0 2
-6-2 0 1 2 0-4
-12 -5-3 2 1 2 0-1-2
2-3 0 1 0-1 0 2
-2 0-1 0-1 1 2 1
-3 0-1 0 1 1 1-1
1-1 0 0 1-1-1 0
F (u , v ) =
Técnicas de Compressão
DCT : Transformada direta
2727/04/23
C00 C01 C02 C03
C11 C12
C21
C10
C20
C30
...
... ......
......
...
......
* C00 : Coeficiente DC; descreveo brilho médio do bloco
*
Técnicas de Compressão
DCT : Efeito dos coeficientes bases da DCT
2827/04/23
Técnicas de Compressão
DCT : Efeito dos coeficientes bases da DCT
2927/04/23
168 67 12 5 3 2 1 1
4532 5 5 2 2 1 2
73522211
33521111
22211121
21111111
11124448
11211110
11188888
11188888
1128888
18
14488
181818
44488181832
888
1818183232
1818181832323232
11111000
168 67 12 2 0 0 0 0
4532500000
73500000
33200000
22000000
00000000
00000000
00000000
coeficientes DCT tabela de quantização coeficientes quantizados
c( i , j ) Q( i , j ) qc ( i , j ) = c ( i , j ) / Q ( i , j )
DC
AC 77
AC 01
AC 10168 67 12 2 0 0 0 0
4532500000
73500000
33200000
22000000
00000000
00000000
00000000
coeficientes quantizados
qc ( i , j ) = c ( i , j ) / Q ( i , j )
seqüência : 168 ; 45 ; 67 ; 12 ; 32 ; 7 ; 3 ; 3 ; 5 ; 2 ; 0 ; 0 ; 5 ; 3 ; 2 ; 0 ; 2 ; 2 EOB
Técnicas de Compressão
DCT Tabela de Quantização Varredura em zig-zag
3027/04/23
DCT
DCT
QUANTIZADOR CODIFICADORPOR ENTROPIA
TABELA TABELA
DADOSCOMPRIMIDOS
8X8 blocos
imagem
codificador baseado na DCT
DADOSCOMPRIMIDOS IDCT
TABELATABELA
DESQUANTIZADOR DECODICADORPOR ENTROPIA
decodificador baseado na DCT
(dados)
dadosreconstruidos
(imagem)
Técnicas de Compressão
DCT : Transmissão e Recepção
3127/04/23
Formaçãodos sinaisY, Cr e Cb
R GB
YCr
Cb
Divisãoem
blocos
Bloco8x8
pixels DCT
8x8coeficientes
de freq. Quantz
Coeficientesquantizados
Zig-Zag
cod. RLE(coef. AC )
cod. Huffman
0100111.....("bitstream")
cod. DPCM(coef. DC )
Padrão JPEG
Joint Photograph Expert Group Imagens estáticas Compressão “intraframe” Técnicas : DCT , DPCM , Entropia
3227/04/23
Y Y
Y Y
CrCb
MACROBLOCO
Padrão H.261
Vídeo Conferência em RDSI Compressão intraframe DCT Compressão interframe Macrobloco Vetor movimento - “motion vector” Taxa de bits : px64kbps ( p 1 a 30 )
3327/04/23
quadro anterior
quadro atual codificdiferença
codificação domacrobloco
vetor movimento
bloco alvo
área semelhante
PADRÃO H.261
Compressão interframe
3427/04/23
I P P P PI IP P
PADRÃO H.261
I-frames compressão intraframe
P-frames compressão interframe
3527/04/23
PADRÃO MPEG
Moving Pictures Experts Group
Objetivo Especificação do conjunto de técnicas para a compressão de
vídeo/áudio - sintaxe
Aberto à inovações : Admite a criação de sistemas proprietários
Técnicas : Intraframe DCT , Run-length , Entropia Interframe Macrobloco , Vetor movimento
Taxa de compressão até 200 :1
3627/04/23
PADRÃO MPEG MPEG 1
Objetivo inicial Armazenamento CD Vídeo
Modo de varredura : Não entrelaçada
Formato típico : 320 x 240 pixels ; 30 quadros /s
Qualidade de imagem : Igual ao VHS
Taxa de bits : 1,5 Mbps (típica)
3727/04/23
PADRÃO MPEG MPEG 2
Objetivo inicial TV digital (com qualidade normal)
Aplicações Transmissão via satélite (DTH) TV a cabo ( CATV) TV digital em broadcasting (HDTV / SDTV) Servidores de vídeo
Modo de varredura Entrelaçada
Taxa de bits 4 - 100Mbps ( conforme aplicação)
Escalabilidade Admite diversos modos
3827/04/23
********************
****B BB B B BPP P
P
ORDEM NATURAL
ORDEM DE TRANSMISSÃO
I
I
B
B B B
B
B
B B
P
PP
1
1 2
2 3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
PADRÃO MPEG MPEG 2
Frames codificados de 3 modos I ( intraframes ) com base em si mesmo P (predicted) com base em I - frame B (bidirectional) com base em 2 P ou I, P frames
3927/04/23
.... ....Video Sequence
Group of Picture
.....
YCr
Cb
Picture Slice Macroblock Block
8x8 pixels
PADRÃO MPEG MPEG 2
Hierarquia de dados Cada nível transporta um cabeçalho
4027/04/23
DCT QUANTZ
QUANTZINVERS
DCTINVERS
VLCHUFFMAN-
+
MOVIM.ESTIM.
MOVIM.COMP.
BUFFER
VETOR DE MOVIMENTO
IMAGEM PREDITA
CONTROLE DE TAXA
ENTR.
PADRÃO MPEG MPEG 2
Codificador
4127/04/23
Buffer Demux Decod.Huffman
Quantzinvers.
DCTinvers. +
Compens.movim.
Buffer doframe
anteriorBuffer do
frameposterior
vetor movimento
saída
Decod.Huffman
PADRÃO MPEG MPEG2
Decodificador:
4227/04/23
PADRÃO MPEG MPEG 4
PERFIL
NÍVEL
BAIXO
PRINCIPAL
ALTO1440
ALTO
SIMPLES PRINCIPAL PERFIL4:2:2 ALTOSNR ESPACIAL
I. P. B.
4:2:21920 x 1080
I. P. B.
4:2:01920 x 1152
4:2:0 4:2:21920 x 1152100 Mbps
I. P. B.300 Mbps 90 Mbps
I. P. B.
4:2:01440 x 1152
60 Mbps
4:2:0 4:2:21440 x 1152
80 Mbps I. P. B.
4:2:0 4:2:2720 x 57620 Mbps
I. P. B.
4:2:0 1440 x 1152
60 Mbps I. P. B.
4:2:0 720 x 57615 Mbps
I. P. B.
4:2:2720 x 60850 Mbps
I. P. B.
4:2:0 720 x 57615 Mbps
I. P. B.
4:2:0 720 x 57615 Mbps
I. P.
4:2:0 352 x 2884 Mbps
I. P. B.
4:2:0 352 x 2884 Mbps
I. P. B.
PERFIS E NÍVEIS
4327/04/23
PADRÃO MPEG MPEG 4
Objetivo inicial Vídeo conferência com baixas taxas de bits
Aplicações Vídeo - telefone Recuperação de banco de dados Teleshopping Vigilância
Características Robustez à erros Operação com formas diferentes de dados
Taxa de bits 4,8 - 64kbps ( inicialmente ) - 1,8Mbps ( nova versão )
4427/04/23
PADRÃO MPEG MPEG 4
A B C D E F G HIJKL
M Amostras já codificadas
Amostras já codificadas
Bloco de 4X4 Pixels
81
6
4507
3
Direção de codificação dos nove modos
COMPRESSÃO INTRA FRAME
4527/04/23
MPEG - 4
A B C D E F G HIJKL
M A B C D E F G HIJKL
M
Modo 0 - Vertical Modo 1 - Horizontal
A B C D E F G HIJKL
M
Modo 2 – DC (média)
A B C D E F G HIJKL
M
Modo 3 – Diag. p/baixo à esquerda
COMPRESSÃO INTRA FRAME
4627/04/23
MPEG - 4
COMPRESSÃO INTRA FRAME
H H H H
V V V V
Modo 0 - Vertical Modo 1 - horizontal Modo 2 – DC (média) Modo 3 - Planar
...... ......
Média entreo conteúdo de
V e H
H : linha já tratadaV : coluna já tratada
MACROBLOCOS DE 16 x 16 PIXELS
4727/04/23
MPEG - 4
COMPRESSÃO INTER FRAME
1616
8 8
88
8
8
44
44
1
0 00 0
0 00 0
1
1
1
2
2 3
3
1
PARTIÇÃO DE MACROBLOCOS
SUBPARTIÇÃO DE MACROBLOCOS
4827/04/23
SISTEMAS DE TRANSMISSÃO
Sistemas no mundo
ATSC (USA) – modulação 8VSB DVB – modulação COFDM ISDB – modulação BST - OFDM
No Brasil :
ISDB – T : transmissão terrestre ( TV aberta )
DVB – C : transmissão via cabo
DVB – S : transmissão via satélite
4927/04/23
ÁUDIO
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
Fundamentos da Compressão
Codificação por Sub-bandas
Modelo psico-acústico do Mascaramento
Codificação com Preditor
Compactação (sem perdas)
5027/04/23
ÁUDIO
Fundamentos da Compressão
A compressão de áudio é justificada pela limitação de banda e capacidade de dispositivos de armazenamento.
A compressão de áudio explora a limitação da percepção auditiva humana
A faixa audível para o ouvido humano vai de 16Hz a 20kHz.
O ouvido humano é mais sensível na faixa de 2 a 4kHz.
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
5127/04/23
ÁUDIO
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
Maior sensibilidade
16Hz – 20kHz
2kHz – 4kHz
Varia de indivíduo para indivíduo e com
a idade
5227/04/23
ÁUDIO
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
Modelo psicoacústico
10,02
0,05
0,1 0,2 0,5 2 5 10 20
0
20
40
60
80
Freqüência (kHz)
Níve
l (dB
)
5327/04/23
ÁUDIO
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
Modelo psicoacústico
1002
005
0,1 0,2 0,5 2 5 10 20
0
20
40
60
80
Freqüência (kHz)
Níve
l (dB
)
Tons com amplitude e freqüência inaudíveis, podem ser eliminados
5427/04/23
ÁUDIO
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
Modelo psicoacústico
0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20
20
40
60
80
0
A amplitude do sinal provoca
“deformação” na curva
“máscara”
dB
5527/04/23
ÁUDIO
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
Modelo psicoacústico
Limiar de mascaramento
Tom de mascaramento
Tons mascarados
f(Hz)
5627/04/23
ÁUDIO
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
Separação em sub-bandas
F1
F2
F3
....
Fn....
Banco de Fitros
Sinal de entrada
5727/04/23
ÁUDIO
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
Separação em sub-bandas
5kHz
10kH
15kHz
0
0,0110Informação no domínio do tempo
FFT/
DCT
5827/04/23
ÁUDIO
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
Separação em sub-bandas
5kHz
15kHz
0
tom mascarado, pode ser eliminado
10kHz
5927/04/23
ÁUDIO
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
Efeito máscara no tempo
Pós mascaramento
Pré mascaramento
150ms
200ms
20ms
máscara
Tempo (ms)
Níve
l (dB
)
6027/04/23
ÁUDIO
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
Principais padrões para compressão de áudio:
MPEG-1 Layer I: ISO / IEC 11172 - Parte 3
MPEG-1 Layer II: ISO / IEC 11172 - Parte 3*
MPEG-1 Layer III (MP3): ISO / IEC 11172 - Parte 3
MPEG-2 Layer I, II e III:ISO 13818 - Parte 3
MPEG-2 AAC (Advanced Audio Code): Derivado do MPEG-2 Layer III*
Dolby Digital AC-3*
6127/04/23
ÁUDIO
COMPRESSÃO DE ÁUDIO
Principais padrões para compressão de áudio:Características MPEG-1
Layer IIMPEG-2 BC MPEG-2
AACDolby AC-3
Canais Mono ou Stereo
Mono ou Stereo
Multicanal 5.1
Multicanal até 48
Mono ou Stereo
Multicanal 5.1
Amostragem 32, 44.1 e 48kHz
16, 20,05 e 24kHz
32, 44.1 e 48kHz
8 a 96kHz
32, 44.1 e 48kHz
32, 44.1 e 48kHz
Taxa de Bits 32 a 384kbps
96 a 256kbps
320 a 640kHz
320 a 640kbps
320 a 640kbps
320 a 640kbps
Aplicações
VCD, SVCD
DVD DVD Ipod, PS3
DVD DVD e Blue-Ray
TVD Broadcas
t
TVD Broadcas
t
TVD Broadcas
t
TVD Broadcas
t
TVD Broadcas
t
TVD Broadcas
t
6227/04/23
O SISTEMA BRASILEIRO
DIAGRAMA EM BLOCOS
Codificação de vídeo
Codificação de dados
Codificação de som
mul
tiple
xado
r
....
Mul
tiple
xado
r de
TSTS..Processamento
hierárquico..Correção de erro
..Modulação..Entrelaçamento..Gerador de sinal
TMCC..Estrutura de
quadro
IFFT
SINAL DE TRANSMISSÃO
OFDM
TMCC: Transmission and Multiplexing Configuration ControlIFFT: Inverse Fast Fourier Transform
vídeo
som
dados
TS: Transport Stream
Codificação de fonte Codificação de canal
....
6327/04/23
O SISTEMA BRASILEIRO
Modulação com multi-portadoras
6427/04/23
O SISTEMA BRASILEIRO
Transmissão com banda segmentada - BST
segmentosSegmentos
6527/04/23
O SISTEMA BRASILEIRO
Transmissão com banda segmentada - BST