Tema 2 La señal digital de video

Tema 2La señal digital de video Bibliografía Manuel Rummel. “Producción de Vídeo Digital”. Paraninfo 1999. José Oliver Gil, M. Perez. “Compresión de imagen y video: Fundamentos teóricos y aspectos prácticos”. E UPV. John Watkinson. “Video Digital”. Ed Paraninfo 1996. Curso de fotografía, Luis Monje Arenas: http://www.difo.uah.es/curso/

Índice • Captura de la imagen. • Digitalización. • Transmisión. • Estrategias de Compresión de Vídeo. • Formatos de video y cine digital

3.- Transmisión Video SD analógico YUV Separado Y/C Componentes FBAS o CVBS Compuesto Conectores

3.- Transmisión Puertos para transmisión de video digital • USB 2, velocidad de transmisión 440 Mb/s. Necesita la CPU para mover los datos. • Firewire A, 400 Mb/s (50 MB/s), de los que sólo aprovechamos 32 MB/s. Máximo de cable 10 M. • Firewire B, 800 Mb/s máximo de cable 100 M.

3.- Transmisión Transmisión de video digital HD. HDMI • Lleva audio, vídeo y datos auxiliares. • Compatible DVI • Codificación de los píxeles: RGB 4:4:4, YCbCr 4:2:2, YCbCr 4:4:4. • Canales de audio: hasta 8. • Velocidad de transferencia hasta 10.2 Gbit/s (HDMI 1.3)

3.- Transmisión Transmisión de video digital HD. HD-SDI • SDI es una interfaz de alta capacidad utilizada para exportar vídeo digital sin comprimir en tiempo real. • La SDI exporta vídeo SD y HD a través de un solo cable. • Mientras que la ratio de datos de las grabaciones HDV1080i grabadas en cinta, una vez sometidas a compresión, es de 25 mbps, la ratio de datos para la salida directa de vídeo SD-SDI alcanza los 270 Mbps. • La ratio normal de datos para HD-SDI alcanza la espectacular cifra de 1.485 Gbps.

4.- Estrategias de compresión de video Técnicas de compresión • Dentro de la compresión de imagen/video podemos distinguir: • Compresión espacial, elimina redundancia espacial, aquella que posee una imagen única. • Compresión temporal, los cuadros consecutivos suelen tener mucha información parecida y mediante técnicas diferenciales, se puede aprovechar la información del cuadro anterior para reducir la del cuadro actual

4.- Estrategias de compresión de video Compresión espacial • Codificación de bloques truncados • Consiste en dividir la imagen en bloques de MxM, para cada uno de los tres planos de la señal (YUV). • Definimos dos niveles para cuantizar los bloques I0 y I1, usando la media (m) y la varianza (σ ) • I0= m-√p/qσ • I1= m+√p/qσ • Donde p valores por encima de la media y q por debajo • Si el valor de un pixel en el bloque esta por debajo de la media le asignamos un 0 y si esta por encima un 1

4.- Estrategias de compresión de video Compresión espacial • Codificación de bloques truncados • De esta forma para cada bloque almacenamos información de I0, I1 y un bit para cada elemento. • Cuando el tamaño del bloque tiende a ∞, cada elemento de 8bits se reduce a un bit con lo que la tasa de compresión sería del 87.5%.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión espacial • Codificación de bloques truncados • La siguiente tabla muestra los índices de compresión alcanzados, en función del tamaño del bloque. λ=1-M2+16/8M2

4.- Estrategias de compresión de video Compresión espacial • Codificación de bloques truncados • Este mismo algoritmo se puede usar aplicando cuatro niveles de cuantización. Aunque el cálculo sería más complicado.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión espacial • Transformada discreta del coseno truncado altas frecuencias. • La transformada discreta del coseno (DCT) se utiliza en casi todos los algoritmos de compresión (similar a la transformada de Fourier FFT). • Lo que hace es tomar la señal y transformarla en otra, pasando del dominio espacial al dominio de la frecuencia. • De la señal transformada desechamos las altas frecuencias y realizamos la transformada inversa (IDTC), con lo que conseguimos eliminar información. • Para realizar este proceso se divide la imagen en bloques, habitualmente de 8x8.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión espacial • Transformada discreta del coseno truncado altas frecuencias. • Este algoritmo se basa en que notamos con más facilidad pequeños cambios de brillo en zonas homogéneas que en zonas donde la variación es grande, por ejemplo en los bordes de los objetos.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión espacial • Transformada discreta del coseno truncado altas frecuencias. • Visualmente las variaciones de frecuencias altas afectan a los bordes de la imagen con lo que al eliminarlas el efecto que conseguimos es un emborronado, perdiendo nitidez. • Existen muchos métodos para acelerar el proceso de cálculo de la transformada.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión espacial • Joint Photographic Expert Group Standard (JPEG) • Es un estándar ISO del 91. • El MJPEG es Motion JPEG, donde el movimiento se consigue con una sucesión de imágenes, codificadas cada una de ellas con compresión JPEG.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión espacial • Joint Photographic Expert Group Standard (JPEG) • Se parte de la codificación YUV • La imagen se divide en bloques de 8x8 y a cada bloque le aplicamos DCT. • Eliminamos las altas frecuencias utilizando una matriz de cuantización (matriz intra), que normalmente esta predefinida • Pixel(i,j)-DTC(i,j) -DTC(i,j)/matriz(i,j)(2-60) • Al final obtenemos un bloque transformado donde la mayoría de los elementos serán cero. • Por último realizamos la transformación inversa.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • La compresión temporal consiste en utilizar técnicas diferenciales entre dos cuadros consecutivos. • Recomendaciones H.261 • MPEG (1,2,4)

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • Recomendaciones H.261 • Pertenecen al conjunto de estándares H.320 del ITU y están dedicadas a la videoconferencia • También se conocen como px64, ya que se pretende una transmisión de la imagen en líneas con de un ancho de banda de 64kbs (p varía entre 1 y 30). • Los frames que se definen pueden ser de dos tamaños CIF 352x288, y QCIF 176x44. • La codificación inicial es YCbCr, con reducción de color de 4:2:0.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • Recomendaciones H.261 • Se definen dos tipos de cuadros: • I cuadros intra, que están codificados en JPEG. • P cuadros inter, que se codifican usando diferencias con cuadros anteriores.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • Recomendaciones H.261 • Para obtener los cuadros P, se realiza una estimación del movimiento haciendo uso del cuadro anterior y almacenando únicamente las diferencias. • Al final se aplica el algoritmo JPEG. • El descompresor deberá realizar el proceso inverso.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • MPEG1 (Motion Picture Expert Group) • El estándar fue creado en 1988 para codificar video en un soporte digital con tasas de transmisión de 1.5Mb/s, conocido como MPEG1. • Se basa en cinco partes: • P1. Sistema, combinar más de un tipo de datos de distintos medios, introduciendo información temporal para formar un único flujo de datos

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • MPEG1 (Motion Picture Expert Group) • P2. Vídeo, especifica como almacenar secuencias de video. • P3. Audio, especifica como almacenar secuencias de audio. • P4. Patrones de prueba, para verificar si un codificador cumple los requisitos especificados en las partes anteriores. • P5. Software de simulación, es como un informe técnico, ya que no está disponible el código fuente.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • MPEG1 (Motion Picture Expert Group) • Su pretensión es ser el estándar genérico de almacenamiento de vídeo en CDROM. • El formato VCD, utiliza este tipo de compresión. • Su esquema es similar al H.261, compresión espacial/temporal/DTC con compensación del movimiento, pero variando algunos parámetros e introduciendo nuevos tipos de cuadros y otras características que permiten hacer cosas como el acceso aleatorio.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • MPEG1 (Motion Picture Expert Group) • La codificación que se utiliza en YCbCr con reducción 4:2:0, siendo la señal de video progresiva. • Utiliza tres tipos de cuadros: • Los I, solo compresión espacial • Los P, usan técnicas diferenciales • Los B (bi-direccional), para estos utilizamos también información de cuadros posteriores

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • MPEG1 (Motion Picture Expert Group) • Se suele codificar dos cuadros de tipo B entre dos de tipo I o P. Un patrón típico es IBBPBBPBB.

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • MPEG2 (Motion Picture Expert Group) • Supone una ampliación de las características del MPEG1 preservando la compatibilidad con el MPEG1 • El formato DVD utiliza este método de compresión. • La tasa de transmisión esta por debajo de los 10 Mb/s

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • MPEG2 (Motion Picture Expert Group) • En el estándar se distinguen 10 partes: • P1,2,3,4 abordan los mismos aspectos que en MPEG1 • P6. Extensiones para permitir difusión en la red • P7, codificación de audio multicanal • P8, codificación con 10 bits • P9, extensión para tiempo real • P10, bajo desarrollo

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • MPEG2 (Motion Picture Expert Group) • En MPEG2 podemos codificar imágenes entrelazadas y progresivas. • Los cuadros entrelazados se codifican en dos fases: • Impares • Pares

4.- Estrategias de compresión de video Compresión temporal • MPEG4 (Motion Picture Expert Group) • El objetivo es conseguir video conferencia bajo redes de banda estrecha, pero al final se convirtió en un amplio estándar para aplicaciones multimedia. • Los tres campos a los que va encaminado son: • Televisión digital • Aplicaciones interactivas multimedia • Aplicaciones en red (WWW)

4.- Estrategias de compresión de video CODECS • Un CODEC es una abreviatura de coder/decoder, que describe un programa capaz codificar y decodificar datos (vídeo, metadatos y sonido). • Algunos ejemplos de codecs son los siguientes:

4.- Estrategias de compresión de video Codecs • Theora • Tarkin • H.261 • H.263 • H.263v2 • H.264 • MPEG-1 Video • MPEG-2 Video • MPEG-4 Video • Sorenson codec • Cinepak • Indeo 3/4/5 • MJPEG • DivX 1-5.1 • Windows Media Video 9 Series

4.- Estrategias de compresión de video Codecs • Theora y Tarkin • Desarrollados por Xiph.org Foundation • Theora esta orientado a web, cd distribución, videoteléfono, transmisión por televisión. Es un codec de bajo ancho de banda. Competidor del MPEG4, RealVideo, Windows Media Video. • Tarkin orientado a productos multimedia

4.- Estrategias de compresión de video Codecs • H.261, 263, 263v2, 264 • Diseñados por ITU (International Telecomunitation Union). • Utiliza el protocolo RTSP (real time streamming protocol) para videoconferencia. • El H.264 esta orientado a multimedia y HDTV y video HD.

4.- Estrategias de compresión de video Codecs • MPEG1 • Diseñado para almacenamiento de video en CD. • Solo soporta video progresivo • MPEG2 • Permite video entrelazado • Es el utilizado para DVD, televisión por cable y transmisión de HDTV.

4.- Estrategias de compresión de video Codecs • MPEG2 sobre DVD • 720 x 480 pixel, 59.994 fields/sec • 720 x 480 pixel, 29.994 frames/sec • 720 x 576 pixel, 50 fields/sec • 720 x 576 pixel, 25 frames/sec • max. 9,8 Mbps • YUV 4:2:0 • Sobre audio permite • MPEG-2 Layer 2 Audio con 48 kHz • Digital Dolby • DTS

4.- Estrategias de compresión de video Codecs • MPEG4 • Se utiliza para web, distribución de CD, videoteléfono, aplicaciones multimedia y actualmente para video HD (H.264).

4.- Estrategias de compresión de video Codecs • Sorenson • Es utilizado en la aplicación QuickTime de Apple. • Es una variante de H.264. • El Sorenson Spark es la versión más reciente de Macromedia Flash.

4.- Estrategias de compresión de video Codecs • MJPEG • Es un método de compresión espacial. • Tiene gran calidad en imágenes en movimiento. • Genera unos ficheros grandes 29Mbits/seg

4.- Estrategias de compresión de video Codecs • DivX • Utilizado para almacenamiento de video en CD. • La mayoría de los reproductores de DVD reconocen este codec.

4.- Estrategias de compresión de video Codecs • Indeo y Cinepak • Utilizado para almacenamiento de video en CD y disco duro.

4.- Estrategias de compresión de video Codecs • Windows Media Video (WMV) • Es propiedad de Microsoft. • Similar a MPEG4

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