EPV 2009La señal digital de vídeo1  Manuel Rummel. “Producción de Vídeo Digital”. Paraninfo 1999.  José Oliver Gil, M. Perez. “Compresión de imagen y.

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1 EPV 2009La señal digital de vídeo1  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/ http://www.difo.uah.es/curso/  Curso de videoedición http://www.videoedicion.orghttp://www.videoedicion.org

2 EPV 2009La señal digital de vídeo2 Índice 1.Principios Básicos de Vídeo 2.Captura de la imagen. 3.Digitalización. 4.Transmisión. 5.Estrategias de Compresión de Vídeo. 6.Formatos de video y cine digital

3 EPV 2009La señal digital de vídeo3 1. 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".

4 EPV 2009La señal digital de vídeo4 Ejemplo 4 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

5 EPV 2009La señal digital de vídeo5 Principios 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

6 EPV 2009La señal digital de vídeo6 2. Captura de la imagen  La captura de la imagen mediante una cámara supone el primer paso para el tratamiento de video digital.  La cámara de video descompone la luz en sus tres colores primarios (RGB), esta información es codificada y/o comprimida para su almacenamiento en cinta, en disco de ordenador o para su transmisión (y posterior visualización en un televisor) CODIFICADOR SEPARADOR PRIMARIOS SEÑAL CODFICADA DECODIFICADOR R B G TUBO IMAGEN

7 EPV 2009La señal digital de vídeo7 Adquisición de video  Células fotosensibles que transforman la luz en impulsos eléctricos.  Distintas tecnologías CCD y CMOS  Resolución: 800.000 píxeles (muestras) a 3 millones.  Iluminación mínima (lux rating, 1-5 lux).  Relación de aspecto 4:3, 16:9, 1.85 (61:33)  1 ó 3 CCD’s (RGB) o (HSI), 4:3 16:9 2. Captura de la imagen

8 EPV 2009La señal digital de vídeo8 Frecuencia de muestreo  La frecuencia con la que se captura una imagen de la realidad varía de unos sistemas a otros.  Principalmente las tasas de muestreo son: 24 cine digital 24 cine digital 25 PAL 25 PAL 30 NTSC 30 NTSC Otras variaciones. Otras variaciones. 2. Captura de la imagen

9 EPV 2009La señal digital de vídeo9 Estrategia progresiva  En una estrategia progresiva en cada instante de tiempo se captura una imagen completa, una fotografía.  Es la estrategia utilizada en cine analógico y digital y en muchos formatos de HD. 2. Captura de la imagen

10 EPV 2009La señal digital de vídeo10 El cine  Es un formato "progresivo" Eso quiere decir que se pasa de una imagen a otra rápidamente Vemos una imagen COMPLETA y, casi de inmediato, vemos la siguiente..  La sucesión de fotogramas se realiza a una cadencia de 24 fotogramas por segundo, es decir, en un segundo pasan 24 imágenes con un intervalo de oscuridad entre ellas. Si tenemos en cuenta que vemos 24 imágenes por segundo, cada imagen se reproduce durante 0,04167 segundos.  Esta sucesión de fotogramas, si bien produce una sensación de movimiento, motiva un cierto parpadeo o centelleo perfectamente perceptible durante el paso de una imagen clara y el intervalo de oscuridad.  El parpadeo se evita aumentando la cadencia de las imágenes. El aumento del número de fotogramas motivaría películas con rollos más largos y en consecuencia, más caras. 2. Captura de la imagen

11 EPV 2009La señal digital de vídeo11 El 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.

12 EPV 2009La señal digital de vídeo12 Estrategia entrelazada  En una estrategia entrelazada en cada instante de tiempo se captura una parte de una imagen completa.  Es la estrategia utilizada en televisión analógica, video analógico y video digital SD. 2. Captura de la imagen

13 EPV 2009La señal digital de vídeo13 Estrategia entrelazada II  Si consideramos que una imagen se representa mediante una matriz de puntos.  El idea es capturar primero las filas pares y luego las impares. A cada grupo de líneas, par o impar, se le llama “campo”:  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) 2. Captura de la imagen

14 EPV 2009La señal digital de vídeo14 El 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. 2. Captura de la imagen

15 EPV 2009La señal digital de vídeo15 Trazado de líneas en pantalla CRT 2. Captura de la imagen

16 EPV 2009La señal digital de vídeo16 Justificación del video entrelazado  Los primeros televisores hacían que cuando la imagen actualizada llegaba a las últimas líneas (las inferiores) la imagen de las líneas superiores comenzaba a desvanecerse.  La retina mantiene una imagen durante un tiempo antes de que desaparezca (valor mínimo: 50 imag/s). En caso de estar por debajo de ese valor se produce el efecto de parpadeo de imagen (flicker). 2. Captura de la imagen

17 EPV 2009La señal digital de vídeo17 Los 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 2. Captura de la imagen

18 EPV 2009La señal digital de vídeo18 Consecuencias del entrelazado  La primera consecuencia es que estamos dividiendo un único fotograma en dos campos. Ya no vamos a tener 25 o 30 cps (cuadros por segundo, PAL y NTSC) sino 50 o 60 semi-imágenes o, más correctamente, campos por segundo.  De ese modo, un único fotograma (fotografía, o dibujo en este caso), que tiene un tamaño "completo" se dividiría en dos imágenes con la mitad de líneas (la mitad de resolución vertical).  Eso, en principio, no representaría problema alguno si no fuera porque cada campo se corresponde a un momento distinto en el tiempo, de modo que cada campo ofrece una imágen distinta 2. Captura de la imagen

19 EPV 2009La señal digital de vídeo19 Campo A/B 2. Captura de la imagen

20 EPV 2009La señal digital de vídeo20 Campo A/B

21 EPV 2009La señal digital de vídeo21 Consecuencias del entrelazado  La segunda consecuencia es que trabajar con vídeo entrelazado no supone problema alguno cuando el destino del vídeo sea un televisor, puesto que un televisor analógico NECESITA vídeo entrelazado.  Sin embargo, el monitor de nuestro ordenador funciona en modo progresivo, esto es, mostrando imágenes "de golpe", igual que en el cine.  Siempre que reproduzcamos vídeo entrelazado en un monitor lo veremos "rayado", como en la imagen de arriba, ya que se sumarán los dos campos para mostrar el vídeo con la resolución completa.  Cuando una escena es estática, no hay cambios, ambos campos coinciden, o varían mínimamente, y la reproducción parece correcta a nuestros ojos. 2. Captura de la imagen

22 EPV 2009La señal digital de vídeo22 Conclusiones  En la captura de la imagen digital se establecen las primeras propiedades: En función de la precisión del CCD o CMOS, determinaremos la resolución horizontal y vertical de cada fotograma, esto condiciona también la relación de aspecto. En función de la precisión del CCD o CMOS, determinaremos la resolución horizontal y vertical de cada fotograma, esto condiciona también la relación de aspecto. Estrategia seguida: progresivo o entrelazado. Estrategia seguida: progresivo o entrelazado. 2. Captura de la imagen

23 EPV 2009La señal digital de vídeo23 Digitalización 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. Digitalización CODIFICADOR SEPARADOR PRIMARIOS SEÑAL CODFICADA DECODIFICADOR R B G TUBO IMAGEN

24 EPV 2009La señal digital de vídeo24 Muestreo  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 2. Digitalización

25 EPV 2009La señal digital de vídeo25 Muestreo  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. 2. Digitalización

26 EPV 2009La señal digital de vídeo26 Resolución de la imagen  La resolución de la imagen es el número de pixeles verticales por el número de pixeles horizontales. 2. Digitalización

27 EPV 2009La señal digital de vídeo27 Resolución de la imagen 2. Digitalización

28 EPV 2009La señal digital de vídeo28 Relación de aspecto  La relación de aspecto de una imagen es un número que describe la forma del fotograma. Dividiendo la anchura por la altura se obtiene la relación de aspecto.  No importa la unidad utilizada.  También es posible expresar la relación como una proporción. 2. Digitalización

29 EPV 2009La señal digital de vídeo29 Relación de aspecto Academy (1.85:1) y Scope (2.35:1) comparado con 4:3 (1.33:1) 2. Digitalización

30 EPV 2009La señal digital de vídeo30 Aspecto 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.

31 EPV 2009La señal digital de vídeo31 Relación 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

32 EPV 2009La señal digital de vídeo32 Relación de aspecto y aspecto del píxel 2.- Digitalización

33 EPV 2009La señal digital de vídeo33 Conversión 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 similar. El proceso inverso es similar.

34 EPV 2009La señal digital de vídeo34 Cuantificación  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

35 EPV 2009La señal digital de vídeo35 Profundidad 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

36 EPV 2009La señal digital de vídeo36 Codificación 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

37 EPV 2009La señal digital de vídeo37 Codificación 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

38 EPV 2009La señal digital de vídeo38 Codificación 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

39 EPV 2009La señal digital de vídeo39 Codificación 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

40 EPV 2009La señal digital de vídeo40 Codificación YUV 2.- Digitalización  El esquema de codificación YUV se muestra como una relación de 3 números 4:4:4, donde: Y o Luma horizontal muestreo. Y o Luma horizontal muestreo. Cr o U factor horizontal (relativo al primer dígito) Cr o U factor horizontal (relativo al primer dígito) Cb o V factor horizontal (relativo al primer dígito), excepto cuando es cero, que indica que el factor horizontal es igual al segundo dígito y además Cr y Cb se codifican 2:1 verticalmente. Cb o V factor horizontal (relativo al primer dígito), excepto cuando es cero, que indica que el factor horizontal es igual al segundo dígito y además Cr y Cb se codifican 2:1 verticalmente.

41 EPV 2009La señal digital de vídeo41 Codificación YUV/subsampling 2.- Digitalización

42 EPV 2009La señal digital de vídeo42 Cintas DV Cintas DV De izq. a dch.: DVCAM-L, DVCPRO-M, MiniDV

43 EPV 2009La señal digital de vídeo43 43

44 EPV 2009La señal digital de vídeo44 Ejemplos  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