La señal digital de vídeo

EPV 2009 La señal digital de vídeo 1

La señal digital de vídeo

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


Índice

1.1. Principios Básicos de VídeoPrincipios Básicos de Vídeo

2.2. Captura de la imagen.Captura de la imagen.

3.3. Digitalización.Digitalización.

4.4. Transmisión.Transmisión.

5.5. Estrategias de Compresión de Vídeo.Estrategias de Compresión de Vídeo.

6.6. Formatos de video y cine digitalFormatos de video y cine digital


1. Principios Básicos de Vídeo1. Principios Básicos de Vídeo Una secuencia de vídeo es una sucesión de

imágenes que producen sensación de movimiento.

El ojo humano ante una sucesión rápida de imágenes tenemos la percepción de un movimiento continuo (persistencia de la retina, físico y etimólogo inglés Peter Mark Rogent (1779-1869)).

Una cámara de cine/vídeo no es otra cosa que una cámara de fotos que "echa fotos muy rápido".


EjemploEjemplo4 fotogramas de dibujos animados porque los dibujos son también un formato progresivo y porque en animación se usa una velocidad de reproducción bastante inferior: 15 imágenes (o fotogramas) por segundo. Aún así, como se puede apreciar, las diferencias entre cuadro y cuadro son

muy escasas.

1. Principios Básicos de Vídeo


Principios Básicos de VídeoPrincipios Básicos de Vídeo La imagen que percibimos está compuesta

de ondas electromagnéticas (λ: 250nm - 780nm).– A diferentes longitudes de onda, diferentes

sensaciones de color. El ojo es más sensible a unos colores que a

otros. Los mecanismos de percepción visual

humanos son menos sensibles y estrictos que los auditivos. Ej.: Variaciones de frecuencia, supresión de

imágenes, etc..

1. Principios Básicos de Vídeo


2. Captura de la imagen2. Captura de la imagen La captura de la imagen mediante una cámara supone el La captura de la imagen mediante una cámara supone el

primer paso para el tratamiento de video digital.primer paso para el tratamiento de video digital. La cámara de video descompone la luz en sus tres La cámara de video descompone la luz en sus tres

colores primarios (RGB), esta información es codificada colores primarios (RGB), esta información es codificada y/o comprimida para su almacenamiento en cinta, en y/o comprimida para su almacenamiento en cinta, en disco de ordenador o para su transmisión (y posterior disco de ordenador o para su transmisión (y posterior visualización en un televisor)visualización en un televisor)

CODIFICADORSEPARADOR

PRIMARIOSSEÑAL

CODFICADA

DECODIFICADOR

R

B

G

TUBO IMAGEN


Adquisición de videoAdquisición de video Células fotosensibles que transforman la luz en Células fotosensibles que transforman la luz en

impulsos eléctricos.impulsos eléctricos.

Distintas tecnologías CCD y CMOSDistintas tecnologías CCD y CMOS

Resolución: 800.000 píxeles (muestras) a 3 millones.Resolución: 800.000 píxeles (muestras) a 3 millones.

Iluminación mínima (lux rating, 1-5 lux).Iluminación mínima (lux rating, 1-5 lux).

Relación de aspecto 4:3, 16:9, 1.85 (61:33)Relación de aspecto 4:3, 16:9, 1.85 (61:33)

1 ó 3 CCD’s (RGB) o (HSI), 4:3 16:91 ó 3 CCD’s (RGB) o (HSI), 4:3 16:9

2. Captura de la imagen


Frecuencia de muestreoFrecuencia de muestreo La frecuencia con la que se captura una La frecuencia con la que se captura una

imagen de la realidad varía de unos imagen de la realidad varía de unos sistemas a otros.sistemas a otros.

Principalmente las tasas de muestreo son:Principalmente las tasas de muestreo son: 24 cine digital24 cine digital 25 PAL25 PAL 30 NTSC30 NTSC Otras variaciones. Otras variaciones.

2. Captura de la imagen2. Captura de la imagen


Estrategia progresivaEstrategia progresiva

En una estrategia progresiva en cada En una estrategia progresiva en cada instante de tiempo se captura una instante de tiempo se captura una imagen completa, una fotografía.imagen completa, una fotografía.

Es la estrategia utilizada en cine Es la estrategia utilizada en cine analógico y digital y en muchos analógico y digital y en muchos formatos de HD. formatos de HD.



El cineEl cine Es un formato "progresivo" Eso quiere decir que se pasa de Es un formato "progresivo" Eso quiere decir que se pasa de

una imagen a otra rápidamente Vemos una imagen una imagen a otra rápidamente Vemos una imagen COMPLETA y, casi de inmediato, vemos la siguiente.. COMPLETA y, casi de inmediato, vemos la siguiente..

La sucesión de fotogramas se realiza a una cadencia de 24 La sucesión de fotogramas se realiza a una cadencia de 24 fotogramas por segundo, es decir, en un segundo pasan 24 fotogramas por segundo, es decir, en un segundo pasan 24 imágenes con un intervalo de oscuridad entre ellas. imágenes con un intervalo de oscuridad entre ellas. Si Si tenemos en cuenta que vemos 24 imágenes por segundo, tenemos en cuenta que vemos 24 imágenes por segundo, cada imagen se reproduce durante 0,04167 segundos. cada imagen se reproduce durante 0,04167 segundos.

Esta sucesión de fotogramas, si bien produce una sensación Esta sucesión de fotogramas, si bien produce una sensación de movimiento, motiva un cierto parpadeo o centelleo de movimiento, motiva un cierto parpadeo o centelleo perfectamente perceptible durante el paso de una imagen perfectamente perceptible durante el paso de una imagen clara y el intervalo de oscuridad.clara y el intervalo de oscuridad.

El parpadeo se evita aumentando la cadencia de las El parpadeo se evita aumentando la cadencia de las imágenes. El aumento del número de fotogramas motivaría imágenes. El aumento del número de fotogramas motivaría películas con rollos más largos y en consecuencia, más películas con rollos más largos y en consecuencia, más caras.caras.



El cine: parpadeoEl cine: parpadeo Se recurre a la doble o triple obturación, es decir, cada fotograma

se proyecta dos o tres veces y por tanto, se duplica o triplica la cadencia. En otras palabras, el parpadeo se elimina proyectando la película con una velocidad de proyección a 48 o 72 fotogramas por segundo.

En un principio los proyectores eran del tipo 48 fotogramas por segundo (doble obturación), pero se evidenció que con proyectores con elevada salida de luz se apreciaba de forma considerable el parpadeo.

A medida que la luminosidad de la pantalla se incrementa, la persistencia de la retina disminuye y en consecuencia, resulta visible el parpadeo.

Debido a estas circunstancia, en las salas de cine de gran luminosidad se utiliza la triple obturación (72 fotogramas por segundo).

En televisión, especialmente PAL, también ha ocurrido algo similar, ya que con las pantallas de talla grande (superior a 70 cm) se aprecia un notable parpadeo, lo cual se solventa a través de la técnica de los 100 Hz en Europa.


Estrategia entrelazadaEstrategia entrelazada

En una estrategia entrelazada en En una estrategia entrelazada en cada instante de tiempo se captura cada instante de tiempo se captura una parte de una imagen completa.una parte de una imagen completa.

Es la estrategia utilizada en televisión Es la estrategia utilizada en televisión analógica, video analógico y video analógica, video analógico y video digital SD.digital SD.



Estrategia entrelazada IIEstrategia entrelazada II Si consideramos que una imagen se Si consideramos que una imagen se

representa mediante una matriz de puntos.representa mediante una matriz de puntos. El idea es capturar primero las filas pares y El idea es capturar primero las filas pares y

luego las impares. A cada grupo de líneas, luego las impares. A cada grupo de líneas, par o impar, se le llama “campo”: par o impar, se le llama “campo”:

El campo A o superior (Upper o Top en inglés) El campo A o superior (Upper o Top en inglés) formado por las líneas pares (Even en inglés) y formado por las líneas pares (Even en inglés) y

el campo B, inferior o secundario (Lower o el campo B, inferior o secundario (Lower o Bottom en inglés) formado por las líneas Bottom en inglés) formado por las líneas impares (Odd en inglés)impares (Odd en inglés)



El origen de video entrelazado es la tvEl origen de video entrelazado es la tv

La pantalla de un televisor no funciona como un proyector de cine, que muestra imágenes "de golpe“ barrido entrelazado.

Un televisor está dividido en líneas horizontales, 625 en televisores PAL y 525 en televisores NTSC.

Estas líneas no muestran todas a la vez un mismo fotograma, sino que la imagen comienza a aparecer en las líneas superiores y sucesivamente se van rellenando el resto hasta llegar a las líneas más inferiores. Un único fotograma no es mostrado "de golpe", sino de modo secuencial. Al igual que pasaba con el cine, este proceso de actualización de líneas es tan rápido que, en principio, a nuestro ojo le pasa desapercibido y lo percibimos todo como un continuo.



Trazado de líneas en pantalla CRTTrazado de líneas en pantalla CRT



Justificación del video entrelazadoJustificación del video entrelazado

Los primeros televisores hacían que cuando Los primeros televisores hacían que cuando la imagen actualizada llegaba a las últimas la imagen actualizada llegaba a las últimas líneas (las inferiores) la imagen de las líneas (las inferiores) la imagen de las líneas superiores comenzaba a líneas superiores comenzaba a desvanecerse.desvanecerse.

La retina mantiene una imagen durante un La retina mantiene una imagen durante un tiempo antes de que desaparezca (valor tiempo antes de que desaparezca (valor mínimo: 50 imag/s). En caso de estar por mínimo: 50 imag/s). En caso de estar por debajo de ese valor se produce el efecto de debajo de ese valor se produce el efecto de parpadeo de imagen (parpadeo de imagen (flickerflicker).).



Los camposLos campos El "truco" está en dividir las líneas del

televisor en pares e impares. A cada grupo de líneas, par o impar, se le llama "campo". Así tendríamos el campo A o superior (Upper o Top en inglés) formado por las líneas pares (Even en inglés) y el campo B, inferior o secundario (Lower o Bottom en inglés) formado por las líneas impares (Odd en inglés)

Primero se actualiza un grupo de líneas (campo) y, acto seguido se actualiza el otro.

Esto hace que el ancho de banda se reduzca a la mitad



Consecuencias del entrelazadoConsecuencias del entrelazado La primera consecuenciaLa primera consecuencia es que estamos dividiendo un es que estamos dividiendo un

único fotograma en dos campos. Ya no vamos a tener 25 o único fotograma en dos campos. Ya no vamos a tener 25 o 30 cps (cuadros por segundo, PAL y NTSC) sino 50 o 60 30 cps (cuadros por segundo, PAL y NTSC) sino 50 o 60 semi-imágenes o, más correctamente, campos por segundo.semi-imágenes o, más correctamente, campos por segundo.

De ese modo, un único fotograma (fotografía, o dibujo en De ese modo, un único fotograma (fotografía, o dibujo en este caso), que tiene un tamaño "completo" se dividiría en este caso), que tiene un tamaño "completo" se dividiría en dos imágenes con la mitad de líneas (la mitad de resolución dos imágenes con la mitad de líneas (la mitad de resolución vertical).vertical).

Eso, en principio, no representaría problema alguno si no Eso, en principio, no representaría problema alguno si no fuera porque cada campo se corresponde a un momento fuera porque cada campo se corresponde a un momento distinto en el tiempo, de modo que cada campo ofrece una distinto en el tiempo, de modo que cada campo ofrece una imágen distinta imágen distinta



Campo A/B



Consecuencias del entrelazadoConsecuencias del entrelazado La segunda consecuenciaLa segunda consecuencia es que trabajar con vídeo entrelazado es que trabajar con vídeo entrelazado

no supone problema alguno cuando el destino del vídeo sea un no supone problema alguno cuando el destino del vídeo sea un televisor, puesto que un televisor analógico NECESITA vídeo televisor, puesto que un televisor analógico NECESITA vídeo entrelazado. entrelazado.

Sin embargo, el monitor de nuestro ordenador funciona en modo Sin embargo, el monitor de nuestro ordenador funciona en modo progresivo, esto es, mostrando imágenes "de golpe", igual que en progresivo, esto es, mostrando imágenes "de golpe", igual que en el cine.el cine.

Siempre que reproduzcamos vídeo entrelazado en un monitor lo Siempre que reproduzcamos vídeo entrelazado en un monitor lo veremos "rayado", como en la imagen de arriba, ya que se veremos "rayado", como en la imagen de arriba, ya que se sumarán los dos campos para mostrar el vídeo con la resolución sumarán los dos campos para mostrar el vídeo con la resolución completa. completa.

Cuando una escena es estática, no hay cambios, ambos campos Cuando una escena es estática, no hay cambios, ambos campos coinciden, o varían mínimamente, y la reproducción parece coinciden, o varían mínimamente, y la reproducción parece correcta a nuestros ojos. correcta a nuestros ojos.



ConclusionesConclusiones En la captura de la imagen digital se En la captura de la imagen digital se

establecen las primeras propiedades:establecen las primeras propiedades:

En función de la precisión del CCD o CMOS, En función de la precisión del CCD o CMOS, determinaremos la resolución horizontal y determinaremos la resolución horizontal y vertical de cada fotograma, esto condiciona vertical de cada fotograma, esto condiciona también la relación de aspecto.también la relación de aspecto.

Estrategia seguida: progresivo o entrelazado.Estrategia seguida: progresivo o entrelazado.



Digitalización o codificaciónDigitalización o codificación

Esta fase genérica se encarga de determinar la secuencia de matrices en el formato inicial que permita la cámara, a partir de la información del CCD.

2. Digitalización2. Digitalización

CODIFICADORSEPARADOR

PRIMARIOSSEÑAL

CODFICADA

DECODIFICADOR

R

B

G

TUBO IMAGEN


MuestreoMuestreo

Lo primero es recoger la información de los ccd a intervalos regulares (frecuencia de muestreo, 24,25p,30p 50i,60i), a este proceso se le denomina muestreo



MuestreoMuestreo Para saber cuantas muestras deberemos

obtener en cada intervalo se debe conocer: Relación de aspecto. Aspecto del píxel. Resolución de la imagen. Estrategia utilizada progresivo o entrelazada. Cuantificación. Codificación. Estrategia de compresión.



Resolución de la imagenResolución de la imagen

La resolución de la imagen es el La resolución de la imagen es el número de pixeles verticales por el número de pixeles verticales por el número de pixeles horizontales.número de pixeles horizontales.



Resolución de la imagenResolución de la imagen



Relación de aspectoRelación de aspecto

La relación de aspecto de una imagen La relación de aspecto de una imagen es un número que describe la forma es un número que describe la forma del fotograma. Dividiendo la anchura del fotograma. Dividiendo la anchura por la altura se obtiene la relación de por la altura se obtiene la relación de aspecto.aspecto.

No importa la unidad utilizada.No importa la unidad utilizada. También es posible expresar la También es posible expresar la

relación como una proporción.relación como una proporción.



Relación de aspectoRelación de aspecto

Academy (1.85:1) y Scope (2.35:1) comparado con 4:3 (1.33:1)



Aspecto del pixelAspecto del pixel

2.- Digitalización

Todos los monitores de ordenador y formatos gráficos usan pixeles cuadrados, esto es misma distancia horizontal que vertical.

En cambio en algunos formatos de video digital el aspecto del píxel no es cuadrado sino rectangular con la finalidad de preservar la relación de aspecto.


Relación de aspecto y aspecto del píxelRelación de aspecto y aspecto del píxel

2.- Digitalización

En una relación de aspecto de 4:3 (TV), si tenemos 576 líneas (pixeles verticales) necesitamos 768 pixeles de anchura para mantener esa relación con pixeles cuadrados.

El formato DV PAL tiene 720 pixeles de anchura de los sólo aprovechamos 704 centrados (8 a cada lado para otro tipo de información) ocupando una relación de aspecto de 4/3 de su altura.

Para conseguir esto se establece una estrategia de aspecto de píxel rectangular, pixeles bajos y anchos.

La relación de aspecto actual de los pixeles son de 12:11 (1.09) DV PAL y de 10:11(0.9) DV NTSC


Relación de aspecto y aspecto del píxelRelación de aspecto y aspecto del píxel

2.- Digitalización


Conversión entre relaciones de aspectoConversión entre relaciones de aspecto

2.- Digitalización

Históricamente se han planteado dos propuestas: pan and scan y letterbox: Con pan y scan se pierde

información. Con letterbox se escala la

imagen para adecuarla a 4:3 perdiendo parte del encuadre.

El proceso inverso es El proceso inverso es similar.similar.


CuantificaciónCuantificación Cada muestra se representa con gran precisión

mediante un número en un proceso que se denomina cuantificación.

De esta forma una imagen monocromática estará formada por una matriz rectangular de puntos en los que se almacena el brillo en forma numérica.

Los puntos se conocen como células de la imagen o píxeles.

Si queremos representar una imagen en color , cada imagen se compone de tres capas superpuestas de muestras una para cada componente de color.

2.- Digitalización


Profundidad de la imagenProfundidad de la imagen

El número de bits que hace falta para representar un píxel de una imagen es la profundidad de la imagen y su valor depende de la precisión con la que estemos trabajando.

Precisiones habituales es 8bits o 10bits por píxel si la imagen es en tonos grises.

2.- Digitalización


Codificación RGBCodificación RGB

Cada muestra de la imagen lleva asociado tres valores que indican la cantidad Rojo(R), Verde (G) y azul (B).

Si tomamos 8 bits para representar el nivel de cada componente de color obtendremos la máxima precisión que el ojo humano es capaz de percibir.

En este caso la profundidad de la imagen es 24 (3x8)bits

2.- Digitalización


Codificación RGBCodificación RGB Cuando codificamos una imagen en RGB

realizamos un barrido de la pantalla (ccd’s) línea a línea, desde la esquina inferior izquierda hasta la superior izquierda, almacenando para cada píxel cada una de sus tres componentes.

Cuando la imagen tiene una profundidad de 16 bits se almacena 2 bytes por píxel, de forma que se usan 5 bits por componente de color y no se usa el último de los bits.

2.- Digitalización


Codificación YUVCodificación YUV Durante las primeras décadas de la emisión

de tv no se emitía en color. Al llegar la tv en color no se podía pasar a transmitir RGB (pese a que un tv tiene tres cañones uno para cada uno). Para mantener los equipos de B&N, la solución fue la codificación YUV.

La conversión de RGB a YCbCr (YUV) se realiza mediante una matriz de conversión (aproximada): Y = 0.3R + 0.6G + 0.1B U = B - Y (Diferencia de color azul) (equiv. Cb=U/2+128) V = R - Y (Diferencia de color rojo) (equiv.

Cr=V/1.6+128)

2.- Digitalización


Codificación YUVCodificación YUV

Debido a que el ojo humano es mas sensible a los cambios de intensidad y menos sensible a los cambios de crominancia, podemos codificar la imagen tomando menos información de crominancia de la que en principio nos ofrece la conversión vista.

De esta forma podemos plantear las siguientes codificaciones:

4:2:0 4:2:2 4:4:4

2.- Digitalización


Codificación YUVCodificación YUV

2.- Digitalización

El esquema de codificación YUV se muestra como una El esquema de codificación YUV se muestra como una relación de 3 números 4:4:4, donde:relación de 3 números 4:4:4, donde: Y o LumaY o Luma horizontal muestreo. horizontal muestreo. Cr o UCr o U factor horizontal (relativo al primer dígito) factor horizontal (relativo al primer dígito) Cb o VCb o V factor horizontal (relativo al primer dígito), excepto factor horizontal (relativo al primer dígito), excepto

cuando es cero, que indica que el factor horizontal es igual al cuando es cero, que indica que el factor horizontal es igual al segundo dígito y además Cr y Cb se codifican 2:1 segundo dígito y además Cr y Cb se codifican 2:1 verticalmente.verticalmente.


Codificación YUV/subsamplingCodificación YUV/subsampling

2.- Digitalización


Cintas DV

Cintas DV

De izq. a dch.: DVCAM-L, DVCPRO-M, MiniDV


EjemplosEjemplos

Videoconferencia a QCIF (4:2:0) ((176x144)+(88x72)+(88x72))x8x25=7.6Mbits/s

Televisión digital (4:2:0) ((720x576)+(360x288)+(360x288))x8x25=124Mbits/s

Televisión de alta definición (4:2:0) ((1440x1152)+(720x576)+(720x576))x8x25=497Mbits/s

2.- Digitalización

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