José luis garralón TECNOLOGÍA DE MEDIOS AUDIOVISUALES – I Asignatura troncal de 2º Universidad de Extremadura Licenciatura en Comunicación Audiovisual.

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1 josé luis garralón TECNOLOGÍA DE MEDIOS AUDIOVISUALES – I Asignatura troncal de 2º Universidad de Extremadura Licenciatura en Comunicación Audiovisual VÍDEO DIGITAL Prof: José Luis Garralón Velasco Autorizada la reproducción, citando su procedencia. jlgarvel@unex.es

2 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL MUESTREO Proceso por el cual convertimos una señal analógica en digital, mediante tomas periódicas, llamadas FRECUENCIA DE MUESTREO. ESTRUCTURA DE MUESTREO ORTOGONAL Los píxeles están perfectamente alineados en dirección vertical, dibujando una parrilla de píxeles que serán correlativos horizontal y verticalmente, así como en la dirección temporal, consiguiendo una distribución uniforme en las tres dimensiones en las que evoluciona la señal de televisión (horizontal, vertical, temporal)

3 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL MUESTRA Toma aleatoria o pre-calculada, de determinados elementos de la imagen (visual o auditiva). UNA IMAGEN ESTA COMPUESTA POR LÍNEAS HORIZONTALES Y VERTICALES. SUS INTERSECCIONES FORMAN “PUNTOS” LLAMADOS PÍXELES. CADA PIXEL LLEVA INFORMACIÓN DE LUMINANCIA Y DE SEÑALES DIFERENCIA DE COLOR (YUV) Cada píxel puede ser muestreado TRES VECES: una por la luminancia y una por cada señal diferencia de color. Cada muestra ocupa 8 bites (un byte).

4 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL PROBLEMA DEL VÍDEO DIGITAL Las imágenes ocupan muchísimo espacio. En una codificación 4:2:2, pueden llegar hasta los 27 millones de bits por segundo (27 Mbits/s). NORMA 4:2:2 (ITU-R BT 601) Norma universal de digitalización. Utiliza el muestreo de las componentes (Y, R-Y, B-Y) y se utiliza como referencia de calidad broadcast. LA FRECUENCIA DE MUESTREO PARA LA LUMINANCIA SE HA ESTABLECIDO EN 13,5 MHz, Y LA DE LAS SEÑALES DIFERENCIA DE COLOR EN LA MITAD (6,75 Y 6,75 MHz CADA UNA). PARA SIMPLIFICAR, A LA NORMA SE LE HA LLAMADO 4:2:2

5 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL Pixel 1 línea 1 Pixel 1 línea 2 Pixel 1 línea 3 Pixel 1 línea 4 RECORDEMOS: 720 PÍXELES POR LÍNEA Y 576 LÍNEAS ACTIVAS Para respetar la frecuencia de muestreo de 13,5 MHz, muestreamos la línea completa de píxeles en luminancia y la mitad de ellos en cada una de las señales diferencia de color. NORMA 4:2:2

6 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL 720 (Y) + 360 (Cr) + 360 (Cb) = 1.440 Bytes / línea NOTA:La señal R-Y la vamos a llamar Cr (crominancia de rojo) y la señal B-Y, la vamos a llamar Cb (crominancia del azul). El sistema tiene 576 líneas activas por frame, luego... 1.440 X 576 = 829.440 Bytes / frame. Recordemos: SON 829.440 BYTES, NO PÍXELES. Cada muestra ocupa = 8 bits (1 Byte), luego...

7 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL 829.440 / 1.024 = 810 Kilobytes (KB) Un segundo de vídeo tiene 25 frames. Luego... 810 X 25 = 20.250 KB 20.250 / 1.024 = 19,7 MB UN SEGUNDO DE VÍDEO MUESTREADO EN SISTEMA PAL, SEGÚN LA NORMA ITU-R 601 (4:2:2) OCUPA CASI 20 MEGABYTES, SIN CONTAR SU AUDIO ASOCIADO

8 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL FRECUENCIA DE MUESTREO: 13,5 MHz 4:2:2cuadruplicar la frecuencia en luminancia y duplicarla en las señales diferencia de color. REFERENCIA: 13,5 / 4 = 3,375 MHz Para Y: 3,375 X 4 = 13,5 MHz Para Cr: 3,375 X 2 = 6,75 MHz Para Cb: 3,375 X 2 = 6,75 MHz

9 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL TOTAL BIT RATE 4:2:2 = 165,84 Megabits por segundo Y = 720 X 576 X 25 X 8 bits = 82,9 Mbps Cr = 360 X 576 X 25 X 8 bits = 41,47 Mbps Cb = 360 X 576 X 25 X 8 bits = 41,47 Mbps Cuando se requieren aplicaciones de broadcasting, producción y postproducción, sólo el muestreo 4:2:2 garantiza una calidad óptima. No obstante, los muestreos 4:1:1 y 4:2:0 (DV) también son aceptados como de calidad teledifusiva aparente, dado que el ojo apenas detecta la ausencia de información cromática.

10 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL Pixel 1 línea 1 Pixel 1 línea 2 Pixel 1 línea 3 Pixel 1 línea 4 MUESTREO 4:1:1 (DVCPro) Y = 4 muestras = 13,5 MHz Cr = 1 muestra = 3,375 MHz Cb = 1 muestra = 3,375 MHz

11 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL MUESTREO 4:2:0 (DVCam) Y = 4 muestras = 13,5 MHz EN TODAS LAS LÍNEAS Cr = 2 muestras = 6,75 MHz EN LÍNEAS ALTERNAS Cb = 2 muestras = 6,75 MHz EN LÍNEAS ALTERNAS Pixel 1 línea 1 Pixel 1 línea 2 Pixel 1 línea 3 Pixel 1 línea 4

12 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL TEOREMA DE NYQUIST: Para que en la conversión digital-analógica la señal tratada no se diferencie de la original (calidad aparente), la frecuencia de muestreo debe ser, al menos, el doble de la mayor de las frecuencias de la señal analógica de las que partimos. CALIDAD APARENTE: Aquella en la que la señal tratada digitalmente no se diferencia aparentemente de la original de la que partimos. EJEMPLO: Frecuencias audibles: 20 - 20.000 Hz Frecuencia de muestreo según Teorema de Nyquist: 40 KHz Sonido calidad CD: muestreo a 44,1 KHz

13 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL COMPRESIÓN: Proceso por el cual eliminamos información para “descargar” o aligerar el “peso” de un documento, de manera que resulte fácil su archivo o transporte. CARACTERÍSTICA: Un archivo comprimido no podemos leerlo. Para ello tenemos que descomprimirlo, es decir, recomponer sus parámetros originales. Podemos comparar el proceso de compresión con el de la deshidratación de una verdura. Extraemos el agua para hacerla menos pesada y menos voluminosa. Para consumirla, restituimos sus condiciones originales, inyectándole de nuevo el líquido extraído.

14 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL REDUNDANCIA: Es toda aquella información que existe en una señal analógica y que duplica o repite otras informaciones, sin aportar elementos significativos al decodificador. Si se elimina de los datos, la información no se ve alterada. El lenguaje hablado tiene un gran nivel de redundancia (repetición de palabras, frases),mientras que el escrito tiene un nivel muy bajo de redundancia. LA IMAGEN DE TV TIENE UN GRAN NIVEL DE REDUNDANCIA EN SUS TRES NIVELES DE EVOLUCIÓN: HORIZONTAL, VERTICAL Y TEMPORAL.

15 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL ENTROPÍA: Cantidad de “desorden” que contiene una imagen, entendiendo como desorden el carácter de imprevisión de los píxeles. Es proporcional al grado de incertidumbre. La entropía es igual a la cantidad de información de una imagen. Es preciso codificar y transmitir ese grado de información para definirla sin ambigüedad. En dos frames consecutivos, el grado de entropía del segundo con respecto del primero es muy bajo. Es fácil prever qué píxeles va a contener ese segundo frame.

16 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL ENTROPÍA: EL ERROR ENTRE EL VALOR REAL Y EL VALOR DE PREDICCIÓN ES LA ENTROPÍA DE UNA IMAGEN.

17 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL MÁXIMA REDUNDANCIA MÍNIMA ENTROPÍA MÍNIMA REDUNDANCIA MÁXIMA ENTROPÍA

18 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL Este es el único área del frame que varía. El resto es redundante. En este cambio de planos, la redundancia es casi inexistente, mientras que la entropía es máxima. Todo ha cambiado.

19 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL COMPRESIÓN REDUCCIÓN DE VELOCIDAD BINARIA REDUCCIÓN DE DATOS Pretendemos transportar la misma información utilizando la menor cantidad o velocidad de datos posible. Eliminando información redundante, tanto espacial como temporal. COMPRESIÓN: Proceso por el cual eliminamos información para “descargar” o aligerar el “peso” de un documento, de manera que resulte fácil su archivo o transporte.

20 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL CODEC: Es el conjunto de un compresor y un expansor que se instalan a ambos extremos de la cadena. COdificador - DECodificador FUENTE DE DATOS CODIFICADORDECODIFICADOR CANAL DE TRANSMISIÓN DESTINO DATOS ALMACÉN HD Ram DVD Disquete Dat Blu Ray DECODIFICADOR DESTINO DATOS

21 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL Para reflexionar: Los codecs trabajan mejor cuanto mayor es la redundancia y trabajan peor cuanto mayor es el ruido de una imagen, su entropía, pues les resulta muy difícil hacer predicciones en esas condiciones. FACTOR DE COMPRESIÓN: Relación de las velocidades binarias de la fuente y el canal. Una compresión 10:1 nos dice que la velocidad binaria se ha comprimido 10 veces con respecto a la original.

22 josé luis garralón CODIFICACIÓN SIN PÉRDIDAS En el proceso de expansión, los datos son exactos bit a bit a la señal fuente. Ideal para el intercambio de información entre ordenadores: programas, datos, texto... El factor de compresión suele ser de 2:1 VÍDEO DIGITAL “Winzip” es un típico codec sin pérdidas.

23 josé luis garralón CODIFICACIÓN CON PÉRDIDAS En el proceso de expansión, se pierde parte de la información. Es bueno para vídeo, pues elimina información que el ojo no va a percibir (pérdidas no perceptivas). El factor de compresión puede llegar a cotas muy altas. A partir de un determinado factor, aparecen los artefactos (pérdidas perceptivas). VÍDEO DIGITAL

24 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL 256 colores 1,14 MB 32 colores 219,4 KB

25 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL 32 escalas de grises 535,3 KB b/n puros 51,8 KB

26 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL Tamaño realMagnificado (pixelado)

27 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL CODIFICACIÓN CON PÉRDIDAS NO PERCEPTIVA. Consigue engañar al ojo humano, haciéndole creer que está toda la información original. Adeucada para: - Transmisión en TV. - Producción y postproducción de vídeo. PERCEPTIVA. Resulta evidente la ausencia de parte de la información original: Baja resolución. Reducción del tamaño de pantalla. Reducción del número de colores. Adecuada para: - Streaming en Internet.

28 josé luis garralón En ella, el sistema explora toda la superficie del frame y la codifica íntegra. Trata el vídeo como una sucesión de fotografías independientes unas de otras. Es la codificación que ocupa mayor espacio. VÍDEO DIGITAL CODIFICACIÓN I II INTRAFRAME: JPEG: Join Photograph Expert Group. MJPEG: Motion JPEG.

29 josé luis garralón Aprovecha la redundancia existente entre los frames colindantes, de manera que tan solo codifica LA DIFERENCIA ENTRE UN FRAME Y SU INMEDIATO ANTERIOR. Para ello toma una referencia (cuadro I) y lo codifica íntegro. A partir de ahí, va comparando los siguientes con dicho cuadro (keyframe), codificando tan solo las diferencias encontradas (frame B). Así, va creando unos “trenes” de 6, 8 ó 10 cuadros, llamados GOP, encabezados por un frame I (intraframe) y varios frames B. Cuando el sistema encuentra un “salto” (cambio brusco de escena) introduce un frame I (keyframe) iniciando un nuevo GOP. VÍDEO DIGITAL CODIFICACIÓN I II INTERFRAME:

30 josé luis garralón Frame B: Esta sería el único área del siguiente frame codificada. El resto, al ser redundante con respecto del primero, se desprecia, pues se utiliza el valor de aquel. Frame I. Se codifica íntegro (intraframe). En este cambio de planos, la redundancia es casi inexistente, mientras que la entropía es máxima. Todo ha cambiado. Al codificarlos sucesivamente, ambos serían cuadros I (intraframes). VÍDEO DIGITAL

31 josé luis garralón FRAMES P: Frames que se interpolan. Son frames de PREDICCIÓN. Calculan cómo será el frame siguiente en una sucesión temporal, y lo crea. Se trata, pues, de una predicción bidireccional. Los sistemas de ENL trabajan peor cuanto más entropía hay en la imagen. MPEG no es un sistema de compresión con capacidad para ser editado, salvo que los GOP muestren todos los frames I o el sistema cree un keyframe al cambio de escena. VÍDEO DIGITAL

32 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL FORMATOS DE COMPRESIÓN MÁS HABITUALES

33 josé luis garralón o Tamaño máximo 352 X 288 píxeles a 25 f.p.s. o Bit rate de 1,6 megabits (Mbps). o 4:2:0 o Tratamiento progresivo de la imagen de vídeo. o Calidad similar a VHS. o Imágenes I.P.B. o Codificación para almacenamiento de vídeo, CD-i, CD-Rom, etc. o Tamaño máximo 352 X 288 píxeles a 25 f.p.s. o Bit rate de 1,6 megabits (Mbps). o 4:2:0 o Tratamiento progresivo de la imagen de vídeo. o Calidad similar a VHS. o Imágenes I.P.B. o Codificación para almacenamiento de vídeo, CD-i, CD-Rom, etc. VÍDEO DIGITAL MOTION PICTURE EXPERTS GROUP LOS FORMATOS MPEG MOTION PICTURE EXPERTS GROUP LOS FORMATOS MPEG MPEG-1:

34 720 px 576 px

35 352 px 288 px

36 720 px 576 px 352 px 288 px

37 352 X 288 sobredimensionado en pantalla de 720 X 576 (el píxel ha crecido y la imagen se distorsiona –pixeliza-)

38 720 px 576 px

39 352 X 288 sobredimensionado en pantalla de 720 X 576 (el píxel ha crecido y la imagen se distorsiona –pixeliza-)

40 josé luis garralón o Transmisión de señal de TV y HDTV. DVD. o Soporta tanto vídeo progresivo como entrelazado. o Imágenes I.P.B. o Calidad transparente (4:2:2): 9/10 Mbps. o HDTV: 36 Mbps. o Puede trabajar con varias capas de vídeo simultáneas. o Transmisión de señal de TV y HDTV. DVD. o Soporta tanto vídeo progresivo como entrelazado. o Imágenes I.P.B. o Calidad transparente (4:2:2): 9/10 Mbps. o HDTV: 36 Mbps. o Puede trabajar con varias capas de vídeo simultáneas. VÍDEO DIGITAL LOS FORMATOS MPEG MPEG-2:

41 josé luis garralón o Creadores de Contenido. o Proveedores de Servicios y Redes. o Usuarios finales. o Creadores de Contenido. o Proveedores de Servicios y Redes. o Usuarios finales. VÍDEO DIGITAL LOS FORMATOS MPEG MPEG-4: ES MÁS QUE UNA NORMA DE CODIFICACIÓN DE VÍDEO. Es una herramienta de manipulación digital interactiva de la información audiovisual, diseñada para: ES MÁS QUE UNA NORMA DE CODIFICACIÓN DE VÍDEO. Es una herramienta de manipulación digital interactiva de la información audiovisual, diseñada para:

42 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL LOS FORMATOS MPEG MPEG-4 (datos técnicos): o Ancho de banda muy bajo: de 5 a 10 Mbps. o Resolución vídeo hasta TV Alta Definición. o Pausa, rebobinado rápido hacia delante y hacia atrás, con todos los objetos sincronizados. o Compresión espacial y temporal de textos y gráficos en 2D, 3D y animaciones. o Trata por igual objetos naturales que objetos sintéticos (imágenes creadas por ordenador). o Audio desde telefónico (4 KHz) a CD (44.1 KHz). o Ancho de banda muy bajo: de 5 a 10 Mbps. o Resolución vídeo hasta TV Alta Definición. o Pausa, rebobinado rápido hacia delante y hacia atrás, con todos los objetos sincronizados. o Compresión espacial y temporal de textos y gráficos en 2D, 3D y animaciones. o Trata por igual objetos naturales que objetos sintéticos (imágenes creadas por ordenador). o Audio desde telefónico (4 KHz) a CD (44.1 KHz).

43 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL LOS FORMATOS MPEG MPEG-4: Creadores de contenido: o Integra elementos de TV digital, gráficos animados, www, fotos, texto, etc. o Excelente protección de partes o totalidad del contenido. o Posibilidad de re-utilización de los contenidos, en parte o en su totalidad. o Posibilidad de fragmentar el contenido en “objetos”, de modo que la interacción del usuario final dependerá de ese grado de fragmentación. o Integra elementos de TV digital, gráficos animados, www, fotos, texto, etc. o Excelente protección de partes o totalidad del contenido. o Posibilidad de re-utilización de los contenidos, en parte o en su totalidad. o Posibilidad de fragmentar el contenido en “objetos”, de modo que la interacción del usuario final dependerá de ese grado de fragmentación.

44 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL LOS FORMATOS MPEG MPEG-4: Creadores de contenido: o La transmisión de ese contenido por redes de distinta tecnología será también más flexible y eficiente cuanto mayor sea el grado de fragmentación. o LA CLAVE DE LA EFICIENCIA DE MPEG-4 RESIDE EN CÓMO SE CREE EL CONTENIDO EN ORIGEN. o La transmisión de ese contenido por redes de distinta tecnología será también más flexible y eficiente cuanto mayor sea el grado de fragmentación. o LA CLAVE DE LA EFICIENCIA DE MPEG-4 RESIDE EN CÓMO SE CREE EL CONTENIDO EN ORIGEN.

45 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL LOS FORMATOS MPEG MPEG-4: Proveedores de servicios y Redes: o Define el encapsulamiento de cada tipo de objeto para su transmisión a través de redes. o Cada tipo de objeto se codifica y comprime en base a normas ya existentes (vídeo en H.263 o MPEG-2, texto en HTML, fotos en JPEG o GIF...) o Cada objeto puede transmitirse por redes de distinto ancho de banda consiguiendo hasta un 50% más de eficiencia final que trabajando con audio y vídeo comprimidos en MPEG-2. o Define el encapsulamiento de cada tipo de objeto para su transmisión a través de redes. o Cada tipo de objeto se codifica y comprime en base a normas ya existentes (vídeo en H.263 o MPEG-2, texto en HTML, fotos en JPEG o GIF...) o Cada objeto puede transmitirse por redes de distinto ancho de banda consiguiendo hasta un 50% más de eficiencia final que trabajando con audio y vídeo comprimidos en MPEG-2.

46 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL LOS FORMATOS MPEG MPEG-4: Usuarios finales: o Total interacción con el contenido hasta el límite definido por el autor (cambiar el fondo de una imagen, el color de los textos sobreimpresos, recibir sólo el audio y fotos fijas de una película en un terminal móvil...) o Nuevas aplicaciones sobre contenidos multimedia más allá de la pura recepción de TV digital (para eso ya está MPEG-2). o MPEG-4 precisa una plataforma de usuario con capacidad de proceso (PC). o Total interacción con el contenido hasta el límite definido por el autor (cambiar el fondo de una imagen, el color de los textos sobreimpresos, recibir sólo el audio y fotos fijas de una película en un terminal móvil...) o Nuevas aplicaciones sobre contenidos multimedia más allá de la pura recepción de TV digital (para eso ya está MPEG-2). o MPEG-4 precisa una plataforma de usuario con capacidad de proceso (PC).

47 josé luis garralón LOS FORMATOS MPEG MP3: o No es una abreviatura de MPEG-3, sino MPEG-1, Layer 3. o Es compresión “perceptual”, eliminando datos que el oído no llega a escuchar. o Llega a compresiones de hasta el 90%, en función de la calidad del audio original. o No es una abreviatura de MPEG-3, sino MPEG-1, Layer 3. o Es compresión “perceptual”, eliminando datos que el oído no llega a escuchar. o Llega a compresiones de hasta el 90%, en función de la calidad del audio original. VÍDEO DIGITAL

48 josé luis garralón LOS FORMATOS MPEG calidadcanalesKbps Factor comp. % voz humanamono896 a 11.04 % onda cortamono1648 a 12.08 % onda mediamono3224 a 14.16 % radio FMestéreo 56 64 26 a 1 24 a 1 3.84 % 4.16 % casi CDestéreo9616 a 16.25 % CDestéreo 112 128 14 a 1 12 a 1 7.14 % 8.33 % VÍDEO DIGITAL MP3:

49 josé luis garralón VÍDEO DIGITAL ALGUNOS FORMATOS DE GRABACIÓN DIGITAL

50 josé luis garralón AUDIO DIGITAL: 44.100 Hz El audio necesita menos ancho de banda que el vídeo, ocupa mucho menos espacio en el proceso de digitalización En el momento de sincronizarlo con el vídeo se exige su compresión en un paquete que englobe ambos VÍDEO DIGITAL Las aplicaciones multimedia exigen audio con calidad digital. Para conseguir audio con calidad digital, similar o igual al compac disc, lo que hacen los codecs es tratarlo de manera similar al vídeo.

51 josé luis garralón AUDIO DIGITAL: 44.100 Hz Tan solo es necesario encontrar una frecuencia que sea común múltiplo de las dos (audio y vídeo), adecuada para ser utilizada como frecuencia de muestreo. En el momento de sincronizarlo con el vídeo se exige su compresión en un paquete que englobe ambos VÍDEO DIGITAL La velocidad de muestreo en un sistema de pseudo vídeo se calcula multiplicando la frecuencia del campo por las líneas activas, y por el número de muestras por línea. No calculamos muestras por píxeles, sino tan solo por líneas (es PSEUDO-VÍDEO).

52 josé luis garralón AUDIO DIGITAL: 44.100 Hz En este caso, como buscamos un múltiplo común, no aplicamos la norma 4:2:2, sino que muestreamos toda la señal (tan solo como referencia numérica) Serán, pues, 3 muestras por línea: una para luminancia y dos para cada señal diferencia de color. Tampoco el cálculo lo hacemos sobre 625 líneas menos 50 de borrado, sino menos 37 de borrado. Así: VÍDEO DIGITAL 625 - 37 = 588 líneas por cuadro 588 / 2 = 294 líneas por campo 294 * 50 * 3 = 44.100 Hz 625 - 37 = 588 líneas por cuadro 588 / 2 = 294 líneas por campo 294 * 50 * 3 = 44.100 Hz