Prof. Alexandre A. P. Pohl

1. Fundamentos sobre TV DIGITAL Prof. Alexandre A. P. Pohl Departamento de Eletrônica (DAELN)

2. Arquitetura Básica do Sistema Produção de Conteúdo Aplicações Interativas Codif. dados Codif. Áudio Codif. Vídeo Middleware Decodif. Áudio Decodif. Vídeo Camada de Transporte Camada de Transporte Canal de Radiodifusão Descida Codificação de canal, Modulação e transmissão Recepção, demodulação e decodificação de canal Retorno Receptor Transmissor

3. Diagrama de Blocos do Sistema de TV Digital T R A N S M I S S ÂO Sinal • Filtragem • Conversão A / D • Codificação fonte • Codificação de canal • Modulação Digital • Conversão (up) • Amplificação Antena Analógico Canal (Ar) R E C E P Ç Ã O Demodulação Digital Decodificação e Estimação de canal Sinal • Decodificação fonte • Conversão D / A • Filtragem Antena Analógico

4. Desenvolvimento • 1884: Paul Gottlieb Nipkowpatenteou o primeirosistema de TV eletromecânico de varredura.

5. Desenvolvimento • John Logie Baird, inventor escocês, demonstrou, emLondres, um sistemamonocromático de transmissão de imagens (1925) e de imagensemmovimento (1926). Seusistema de varredura (compostopor um conjunto de lentesemespiral) produziaumaimagem com 30 linhas de resolução, suficientepara resolver uma face humana. • Em 1928, Philo Farnsworth fez o primeirosistema de TV operacional com varreduraeletrônica e dispositivos de tomada de imagem e de recepção, queeledemonstroupararepórteresdamídiaem 01-09-1928. Nessaocasiãoforamtransmitidasimagens de um filme

6. No Brasil • A televisão no Brasil começou em 18 de setembro de 1950, trazida por Assis Chateaubriand, que fundou o primeiro canal detelevisão no país, a TV Tupi. • Decreto 4.901 de 26/11/2003 institui o projeto do Sistema Brasileiro de TV Digital. • Entra em operação em dezembro de 2007

7. TV AnalógicaFundamentos

8. Acuidade Visual • A.V. medida como o ângulo subentendido pelo menor detalhe visível de um objeto • Resolução: capacidade de um meio/dispositivo em reproduzir detalhes de um objeto.

9. Resolução em TV • No. de linhas pretas e brancas alternadas que podem ser resolvidas verticalmente em toda a extensão de uma tela (LPH  lines per picture height) Nv: no. elementos da imagem que podem ser distinguidos, dada uma determinada altura e distância de visão. α ângulo mínimo que pode ser resolvido pelo olho humano. n = D/H (distância de visão dividido pela altura da imagem). Exemplo: D = 6 H = 6 x 0,3 = = 1,8 m

10. EXEMPLO • α = 2,91.10-4 radianos (1 minuto de arco) • n = 6 Obs- HDTV, com 1125 ou 1250 linhas por quadro, requer menor distância de visão (n = 3) ou tamanhos maiores de tela para que o olho possa resolver os detalhes.

11. Persistência de Visão • Habilidadehumanaemreter (ou “lembrar”) a impressão visual de umaimagemapóselatersidoretirada. • Emmédia, persistênciadura 0,1s. • A apresentação de quadrossucessivos a umataxa de 10 quadros/s já é suficienteparalevar à ilusão de movimentopercebidapelocérebro.

12. Vídeo Composto contém informações sobre luminância (brilho da imagem) e crominância (matiz e saturação, que são características da cor). Além disso, carrega sinais de sincronismo que permitem o retraço do sinal no processo de varredura na direção horizontal e vertical. 12

13. Varredura • No sistema de TV os elementos de um quadro são disponibilizados em uma tela um após o outro, através de um processo de varredura… • …mas são percebidos ao mesmo tempo devido ao fenômeno de persistência de visão. • Consiste em se “quebrar” a imagem em uma série de linhas horizontais e transmití-las em seqüência (525, NTSC ou 625, PAL).

14. Tipos de Varredura • Intercalada (interlaced) e Progressiva • Intercalada: imagem (quadro) é varrida e sintetizada em dois conjuntos de linhas espaçadas, conhecidos como CAMPOS. • Cada um dos conjuntos compreende metade do no. total de linhas do quadro.

15. 1 3 5 7 9 2 4 6 8 10 Varredura Intercalada campo 1, linhas ímpares - esquerda para direita de cima para baixo - campo 2, linhas pares Sistema NTSC: 525 linhas e 262,5 linhas por campo Sistema PAL: 625 linhas e 312,5 linhas por campo

16. Sincronismo • Assim, em transmissão de sinais de vídeo analógico percebe-se a necessidade de sincronização da varredura do sinal da fonte com a varredura do sinal no destino. • Ela é obtida através de sinais de sincronismo, horizontais e verticais, que são enviados pela fonte junto com o sinal de vídeo capturado.

18. Amostra de uma linha vista em analisador de forma de onda

19. Cor no Sistema de TV Analógico Um sistema de TV preto e branco preocupa-se com a captação do brilho médio da luz presente, transformando-a em sinal elétrico. Um sistema de transmissão a cores precisa captar e gerar o conjunto de cores básicas e transformar suas características em informações elétricas. Assim, o sistema de TV a cores possuirá um sinal de LUMINÂNCIA, que conterá informação sobre o brilho das cores, e um sinal de CROMINÂNCIA, que conterá informação sobre o matiz e a saturação das cores.

20. Cor no Sistema de TV Analógico Assim,é necessário somar quantidades bem definidas de vermelho, verde e azul (designados como R, G e B). A combinação linear dessas três cores fornece o sinal Y, dado por: Y = 0,30R + 0,59G + 0,11B (Volts) Um sinal Y normalizado para obter a cor branca padrão terá uma amplitude de 1 Volt, através da combinação de 0,3 Volts de vermelho (R), 0,59 Volts de verde (G) e 0,11 Volts de azul (B).

22. Largura de Banda do Canal NTSC (CCIR M) Limite inferior da banda limite superior da banda

23. Comparação NTSC e PAL 23

24. Diagrama de Transmissão e Recepção 24

25. Modulação AM Portadoras servem como suporte para levar a informação até o destino. São compatíveis com com as dimensões do elemento irradiador e com as características do meio. Permitem multiplexação Tipos: AM, FM, Fase… Δam= B/A 25

26. Modulação do Sinal de Vídeo Nível de apagamento Sync tip Modulado em amplitude (AM / VSB) 27

27. Vantagens do Vídeo Digital • Sinal digital é imune à degradação observada no sinal analógico (distorções lineares e não-lineares, ruído) • Facilidade de processamento do sinal digital (compressão, armazenamento) • É compatível com as técnicas de transmissão (digital) desenvolvidas.

28. Padrões de Vídeo Digital • Padrão NTSC 4 fsc • Padrão PAL 4 fsc • Permite escolha entre 8 e 10 bits • Norma SMPTE 244M define as características do padrão NTSC digital e as respectivas conexões da interface paralela dos bits

29. Padrão Digital de Vídeo Componente • A utilização do sinal na forma digital também reduz as degradações (desde que a conversão seja realizada uma única vez) • Padrão de digitalização de vídeo composto: 4fsc • Padrão de digitalização de vídeo componente privilegia a qualidade para operação em estudios • CCIR Recommendation 601 (Encoding Paramenters of Digital Television for Studios) permitiu uma abordagem comum para digitalização dos sinais 525/60 e 625/50

30. Quantização • Geralmente, emprega-se quantização uniforme (níveis de igual valor) • Amplitude do nível Q = 1/2n • n é o no. de bits/amostra • Erro: ± ½ Q • Atualmente, n = 10 (1024 níveis)

31. Freqüências de Amostragem Para sinal NTSC (fref = 3,375 MHz) • 4:1:1  sinal de luminância é amostrado em 13,5 MHz (4 x fref) e cada sinal diferença de cor em 1 x fref. • 4:2:2  sinal de luminância é amostrado em 13,5 MHz (4 x fref) e cada sinal diferença de cor em 6,75 MHz (2 x fref) • 4:4:4  sinal de luminância e sinais diferença de cor amostrados em 13,5 MHz (4 x fref)

32. Taxas de Amostragem* As taxas correntes para o sinal de vídeo composto são: • 4 fSC = 4 x 3, 58 = 14,3 MHz para NTSC • 4 fSC = 4 x 4,43 = 17,7 MHz para PAL • Para as componentes de vídeo (R-Y) e (B-Y) utiliza-se um múltiplo de fH = 15,73 KHz * SMPTE digital composite video standard (4fsc)

33. Exemplo Para o sistema de vídeo componente 4:2:2: Taxa serial = 27 Mpalavras/s x 10 bits/palavra = 270 Mbps Para o sistema de vídeo composto 4 fSC NTSC: Taxa serial = 14,3 Mpalavras/s x 10 bits/palavra = 143 Mbps PAL: Taxa serial = 17,7 Mpalavras/s x 10 bits/palavra = 177 Mbps 35

34. Áudio Digital Conversão A/D Amostragem Quantização Codificação Padronização AES/EBU (Audio Engineering Society / European Broadcast Union) Formatos de Áudio Digital 36

35. Freqüências de Amostragem Padrão 32 KHZ (sistemas iniciais). Em estaçõec que alimentavam transmissores de FM estéreo. 44,1 KHz (padrão de eletrônica de consumo). CDs que usam PCM. 48 KHz (padrão de áudio de transmissão) 37

36. Padrão MPEG Prof. Alexandre Pohl 38

37. Padrões de Áudio nos Sistemas de TVD ATSC: Dolby Digital AC-3 (renomeado para A/52) DVB: Dolby Digital AC-3 e MPEG-2 AAC ISDB: MPEG-2 AAC ISDB-Tb (brasileiro): MPEG-4 AAC 2.0 Prof. Alexandre Pohl 39

38. Compressão de Vídeo • Taxas muito altas (SDI, 270 Mbps) exigem grande banda • Sistemas convencionais (NTSC, PAL, SECAM): redução da informação de crominância (< 1,5 MHz) • Levam em conta o fato do Sistema Visual Humano (HVS) não ser tão sensível à informação de cor

39. Compressão de Vídeo • Imagens geralmente contem dados idênticos, que NÃO precisam ser repetidos durante a transmissão • O processo de identificação de dados idênticos em um quadro (ou seqüência de quadros) é conhecido como decorrelação de dados. • Entropia: caracteriza a medida do conteúdo médio de informação de uma imagem (que é amostrada e representada por um conjunto e bits.

40. Técnicas de Compressão Isoladamente apresentam baixa RC. Combinadas aprsentam melhor eficiência

41. Codificação de vídeo mpeg • Codificação MPEG – Amostragem [3]

42. 1 2 3 4 5 6 …. 1 Macrobloco 1 2 5 6 4:1:1 3 4 Arquitetura de Data stream MPEG CB CR Bloco 8x8 Y Fatia (“slice”) fatia Grupo de figuras - GOP Prof. Alexandre Pohl Quadro

43. Estrutura do Fluxo MPEG Elementary Stream CAMADA final Sequência de vídeo 2 Sequência de vídeo 3 Sequência de vídeo 1 Sequence Cabeçalho …. GOP GOP 1 GOP 2 GOP 3 GOP 4 Cabeçalho …. I B B P Frame Cabeçalho …. MB MB MB MB MB MB Slice Cabeçalho Vetores movimento Y Y Y Y CB CR Atributos MB MB MB DCT Block EOB Coeficientes DCT 8x8 Y pixels Prof. Alexandre Pohl

44. Quadros I, P e B • Quadro-I: composto apenas por intrablocos (quadro sem referência a outros quadros). Usados apenas para reduzir redundância espacial. • Quadro-P: contém intra macroblocos e macroblocos sobre compensação de movimento para frente. Referência a quadros B e futuros quadros P. • Quadros-B: contém macroblocos que fazem referência a quadros para frente, para trás, intra macroblocos e compensação de movimento. Maior compressão. Não servem como referência. 2 quadros P e um quadro I devem ser decodificados primeiro. • A sequência de quadros é chamada de GOP (group of pictures) e é determinada pelo algoritmo de compressão (MPEG) Prof. Alexandre Pohl

45. P I P B I Composição do GOP I B I I Tempo B B P B IBBPBBPBBI B P Prof. Alexandre Pohl

46. Estimação e Compensação de Movimento • A estimaçãoconsisteemumatécnicaquebuscaidentificar a tendência de movimento de um objetoemumasequência de cenas. • O processoestabelece um eixoóptico, querepresenta um eixo de referênciaparaidentificar o deslocamento do objeto. • A movimentação é entãocaracterizadaporvetores de deslocamento. • Portanto, pode-se transmitirapenas a informação de deslocamentopara se localizar o objetoemsua nova posição. Prof. Alexandre Pohl

47. Exemplo Eixo óptico Quadro n Quadro n+k Quadro n+p (p > k) Objeto estático na sequência de quadros. Prof. Alexandre Pohl

48. Exemplo Objeto em movimento na sequência de quadros. Eixo óptico original Vetor de deslocamento Eixo óptico deslocado Quadro n Quadro n+k Quadro n+p (p > k) Prof. Alexandre Pohl

49. Razão de Compressão R.C = taxa da imagem original / taxa da imagem comprimida Área da região ativa de formato 4:2:2 com 8-bits de resolução: (720+360+360)  no. pixels (Y, CB e CR) por linha 512  no. linhas por quadro 29,97  taxa exata de quadros/s (NTSC)  (720+360+360)x512x29,97x8 = 176,77 Mbps Se a compressão for de 24 Mbps RC = 176,77 / 24 = 7,4 53

50. 54