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Prof. Alexandre A. P. Pohl

TV DIGITAL. Prof. Alexandre A. P. Pohl. Departamento de Eletrônica (DAELN). Bibliografia. Televisão Digital, Princípios e Técnicas, Arnaldo Megrich, editora Erica, 2009. Televisão Digital, Marcelo Sampaio de Alencar, editora Erica, 2007.

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

  2. Bibliografia • Televisão Digital, Princípios e Técnicas, Arnaldo Megrich, editora Erica, 2009. • Televisão Digital, Marcelo Sampaio de Alencar, editora Erica, 2007. • Digital Television Fundamentals, Michael Robin and Michel Poulin, McGraw-Hill, 2000. • Standard Handbook of Video and Television Engineering, McGraw-Hill, ed. Jerry Whitaker and Blair Benson, 2003. • The MPEG Handbook, John Watkinson, Elsevier, 2004.

  3. 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

  4. 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. 4

  5. 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). 5

  6. Varredura Entrelaçada 1 3 5 7 9 2 4 6 8 10 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 6

  7. Comparação NTSC e PAL 7

  8. Comparação NTSC e PAL 8

  9. Representação da Cor

  10. Geração dos sinais Y, I e Q no transmissor, a partir de R, G e B Sistema NTSC (encoder)

  11. Notch Atraso Y G M A T R I Z 3,58 MHz 3,58 MHz B-Y demod. B Sep. Sync FPB R Gerad. Burst Sep. Burst R-Y demod 3,58 MHz Osc Desv. 90° PLL Recepção dos Sinais Sinal Composto Decoder NTSC

  12. Sistema PAL • O matiz é determinado pela relação de fase existente entre os vetores I e Q (no sistema NTSC). • Qualquer variação aleatória nessa relação causa a reprodução de matizes incorretos no receptor. • O sistema NTSC apresentou desde o início uma tendência para erros de fase. • Assim, o sistema PAL (Phase Alternating Line) foi desenvolvido com o objetivo de evitar que erros de fase provocassem mudanças no tom da imagem e também reduzir erros de cromaticidade produzidos na modulação em quadratura.

  13. Sistema PAL Representação da transmissão da crominância numa seqüência de 4 linhas nos sistemas NTSC e PAL. Observa-se que ocorre uma inversão de fase nas linhas pares do sistema PAL. É necessário haver reinversão da fase dessas linhas no receptor. Após a reinversão, é feita uma média entre duas linhas consecutivas a fim de se produzir o tom original da cor

  14. Sistema PAL • No sistema PAL os sinais utilizados são os parâmetros U e V (ao invés dos parâmetros I e Q), os quais são transmitidos com sua largura integral de faixa, ou seja, 1,5 MHz cada (isto representa outra vantagem do sistema PAL). • Na recepção existe a separação completa dos sinais U e V evitando, assim, os erros de fase e a sobreposição dos espectros dos sinais I e Q que ocorrem no sistema NTSC. • O sistema PAL também utiliza a modulação em quadratura para transmitir os sinais diferenças de cor.

  15. Diagrama de Transmissão e Recepção 15

  16. Modulação 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 16

  17. AM-VSB AM-VSB (vestigial side band) – compromisso entre SSB e DSB 17

  18. Modulação do Sinal de Vídeo Nível de apagamento Sync tip Modulado em amplitude (AM / VSB) 18

  19. 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.

  20. 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

  21. Padrão Digital de Vídeo Componente • Informação carregada pelos sinais (G, B, R) ou (Y, B-Y, R-Y) • Processamento sujeito a degradações (distorção linear, não-linear, ruído e variação temporal) • A utilização do vídeo componente pode remover ou reduzir essas degradações.

  22. 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

  23. 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)

  24. Características da Interface Codificação da fonte: conversor A/D Conversor Paralelo Série: transforma fluxo de dados paralelo em fluxo serial Reconversão (série-paralelo e D/A) no sistema de recepção Taxa serial de dados: Taxa serial = Taxa paralela de bits (Mpalavra/s) x Número de bits/palavra 24

  25. 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 25

  26. Áudio Digital Conversão A/D Amostragem Quantização Codificação Padronização AES/EBU (Audio Engineering Society / European Broadcast Union) Formatos de Áudio Digital 26

  27. 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) 27

  28. Diagrama do Codificador 28

  29. Estrutura da Interface de Áudio AES/EBU 29

  30. Características Gerais Dois Subquadros (32 bits, um para cada canal) Palavra de dados (16 a 20 bits) Sinais de sincronismo (palavras X, Y, Z) Dados auxiliares Bits Validade (V), Usuário (U), Canal (C) e Paridade (P) Agrupados em blocos de 192 quadros Duração de cada quadro: 20,83 μs Amostragem (Ts= 1/48 KHz) Duração de bloco AES/EBU: 20,83 x 192 = 4ms 30

  31. Padrão MPEG Prof. Alexandre Pohl 31

  32. 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 32

  33. 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

  34. 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.

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

  36. Processos com Perdas • Resultam da combinação de duas ou mais técnicas • Apresentam razão de compressão mais alta (2:1 a 100:1), mas apresentam perda de dados e degradação da qualidade da imagem depois da decompressão. • Perdas podem ser minimizadas com conhecimento das deficiências do HVS • O controle da razão de compressão leva a uma taxa de bits constante (CBR)

  37. Processo DCT A redução da taxa de bits é alcançada pelo emprego da técnica DCT combinada com a técnica de quantização e VLC. • Transforma blocos de pixels que representam valores de amplitude do sinal em blocos que representam coeficientes no domínio da freqüência.

  38. Características do DCT • DCT é usado para decorrelacionar os dados originais, compactar uma grande fração da energia do sinal em um número relativamente pequeno de coeficientes de baixa freqüência e gerar zeros ou valores baixos para serem aramzenados ou transmitidos. • Não reduz a taxa de bits. Entretanto é sua combinação com a técnica de quantização e codificação (VLC) que o torna eficiente na redução da taxa. • A escolha do tamanho de bloco 8x8 é o resultado de um compromisso entre a compactação eficiente da energia (requer uma grande área de tela) e o número reduzido de cálculos DCT em tempo real (requer uma área pequena)

  39. Quadrostipo P, I e B Técnica baseada no quadro anterior é unidirecional e conhecida como predição para frente. Gera quadros tipo-P. Contudo, áreas não cobertas não podem ser preditas do quadro anterior Um determinado bloco de pixels na área não coberta do quadro atual é codificada como um quadro tipo-I Predição temporal bidirecional usa informação do quadro anterior e de um quadro de referência futuro para predizer quadro atual 39

  40. Quadros I, P e B Quadro-I: compostoapenasporintrablocos (quadrosemreferência a outrosquadros). Usadosapenasparareduzirredundânciaespacial. Quadro-P: contém intra macroblocos e macroblocossobrecompensação de movimentoparafrente. Referência a quadros B e futurosquadros P. Quadros-B: contémmacroblocosquefazemreferência a quadrosparafrente, paratrás, intra macroblocos e compensação de movimento. Maiorcompressão. Nãoservemcomoreferência. 2 quadros P e um quadro I devem ser decodificadosprimeiro. A sequência de quadros é chamada de GOP (group of pictures) e é determinadapeloalgoritmo de compressão (MPEG) 40

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  46. Hierarquia nos Padrões de Compressão de Vídeo Acrescenta informações ao fluxo: modo de operação, tamanho da imagem, taxa de bits, precisão do pixel, esquema de compressão, precisão da quantização e tabelas Padrões: JPEG, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 / H.264, MPEG-7, MPEG-21…. JPEG 6 camadas hierárquicas: Unidade de dado (DU): 8x8 MCU: minimum DU (2 blocos Y e um bloco CB e CR) ECS (entropy code segment): vários MCU´s Varredura Quadro Camada de imagem 46

  47. Hierarquia dos Padrões MPEG-1 e MPEG-2 Blocos: 8x8 pixels Y e CB e CR Macroblocos: grupo de blocos DCT que correspondem a uma janela de 16x16 pixels na imagem original (conteúdo depende da estrutura de amostragem). Cabeçalho: tipo de macrobloco (Y e CB e CR) Fatia: formada por um ou mais macroblocos contíguos. Tamanho máximo (própria imagem). Mínimo: um macrobloco. Cabeçalho: informação sobre sua posição na imagem e sobre fator de escala. 47

  48. Hierarquia dos Padrões MPEG-1 e MPEG-2 Quadro: tipo do quadro codificado (I, P ou B). Cabeçalho indica a seqüência de transmissão do quadro (para decodificador), sincronização, resolução, faixa dos vetores de movimento. GOP: composto por várias combinações de quadros I, P e B. Descrito com 2 parâmetros (m,n). Inicia c/ quadro I Seqüência de vídeo: contém vários GOP´s. Cabeçalho contém tamanho (h,v) de cada quadro, a taxa de bits do quadro, tamanho mínimo do buffer. A seqûência é conhecida como fluxo elementar de vídeo. 48

  49. Esquema de Redução de Taxa de Bits (BRR) Razão pode variar de 2:1 a 150:1. Escolha depende da qualidade a ser transmitida Comparação entre diferentes sistemas é válida somente se o formato do vídeo (no. linhas/quadro, no. pixels/linha, no. quadros/segundo), as taxas de amostragem utilizadas (4:2:2, 4:4:4, 4:2:0, ou 4:1:1) e a resolução (8 ou 10 bits) forem iguais. 49

  50. 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 50

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