1 SECUENCIA DE LA PRESENTACION 1. Algunos conceptos básicos 2. La señal digital de video 3. Introducción a la compresión de video 4. Estándares de compresión y formatos de codificación 5. Criterios de calidad

2 1. Conceptos Básicos

3 Algunos conceptos básicos: Barrido La imagen de una escena se proyecta sobre un sensor optoeléctronico y se explora secuencialmente línea a línea de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo. El total de líneas constituye un cuadro. Un cuadro está formado por dos campos, uno de líneas impares y otro de líneas pares. Esto se designa como barrido entrelazado y tiene por finalidad evitar el parpadeo de la imagen. Líneas impares Campo impar Líneas pares Campo par El número de líneas determina la resolución de la imagen El número de líneas y de cuadros por segundo determina el ancho de banda

Relación de aspecto

5 525 (NTSC) o 625 (PAL) líneas por cuadro 30 (NTSC) o 25 (PAL) cuadros/segundo Estándares de barrido

6 Señal analógica

Estándares analógicos Nombre Frec.cuadro/campo Relación de aspecto Lineas/cuadro EstándardSistema de color Frec. subportadora color NTSC 29.97/59.944:3525 EIANTSC3.58MHz PAL-M 29.97/59.944:3525 EIAPAL3.58MHz ME-SECAM 29.97/59.944:3525 EIASECAM?.??MHz PAL 25/504:3625 CCIRPAL4.43MHz SECAM 25/504:3625 CCIRSECAM4.25/4.40MHz Normas o estándares

8 Estándares analógicos en el mundo

9 TV analógica terrestre y por cable: La imagen (vídeo) se transmite modulada en amplitud y el audio modulado en frecuencia, ocupando un ancho de banda total de 6, 7 u 8 MHz (según las regiones de UIT) TV analógica por satélite: Audio y vídeo se transmiten modulados en frecuencia, ocupando un ancho de banda del orden de 27 a 36 MHz.

10 PRINCIPALES MOTORES PARA EL DESARROLLO DE LA TELEVISIÓN DIGITAL Conversión de normas (estándares) Efectos especiales. Multigeneración Edición y postproducción En producción En transmisión y almacenamiento: Reducción del flujo o tasa binaria (compresión)

11 2.La señal digital de video

12 Conversión analógico digital

13 Muestreo ideal con impulsos

14 Espectro de la señal muestreada (dominio analógico)

15 Conversión analógico digital

16 Muestreo 4:4:4

17

18 Muestreo 4:2:2

19

20 Muestreo 4:2:0

21 Luminancia Crominancia

22

23

24 Recomendación UIT BT :4:4 324 Mbit/s RGB 4:2:2 216 Mbit/s YCrCb 4:2:0 162 Mbit/s YCrCb Señal analógica Vídeo digitalCOMPRESION H.261 MPEG1, MPEG2, H.263 MPEG4 Visual, H.264/MPEG4 AVC VC-1 (WMV9)

25 NTSCPAL Campos/seg6050 Cuadros/seg3025 Líneas/cuadro Muestras/linea (Y) Muestras/línea (Cr, Cb) Bits/muestra88 Tasa binaria216 Mb/s Líneas activas/cuadro Muestras activas/línea (Y)720 Muestras activas/línea (Cr, Cb)360 Parámetros de la señal digital definidos por ITU-R BT (Televisión de definicion estándard – SDTV)

26 En el formato 4:2:2 (Rec. 601 del CCIR), las frecuencias de muestreo son: Luminancia: 13,5 MHz 108 Mb/s Crominancia (2): 6,75 MHz108 Mb/s 216 Mb/s Total: Es necesario reducir la tasa binaria anterior a un valor que pueda ser transmitido en un canal de 6, 7 u 8 MHz mediante un esquema de modulación adecuado. Dependiendo del tipo de modulación la tasa binaria debe ser del orden de 10 a 20 Mbit/s

27 REDUCCION DEL CAUDAL BINARIO Con PCM, DPCM o modulación delta y eliminando los intervalos de “blanking” horizontal y vertical, el caudal se puede reducir a unos Mb/s (140 MHz) Con modulación digital, por ejemplo 16QAM (4 bit/Hz), el ancho de banda requerido se reduce a unos 35 MHz. Para fines de almacenamiento las cifras anteriores son inaceptables, lo mismo que para radiodifusión terrestre de televisión Para transmisión, es necesario reducir el ancho de banda como máximo a 5 MHz y la tasa binaria a valores del orden de 1.5 a 2 Mb/s para fines de almacenamiento.

28 Para transmisión... Pensando en 16 QAM, el caudal binario debe reducirse a unos 20 Mb/s, de los que aproximadamente un 10% se destinarían a codificación de canal, de modo que la información de video debe transmitirse a 18 Mb/s como máximo. Es necesario eliminar 122 Mb/s (de 140 Mb/s) o 198 Mb/s (de 216 Mb/s). Entre los principales motores de la compresión: Almacenamiento masivo de imágenes Mayor número de programas por canal de RF

29 3. INTRODUCCION A LA COMPRESION DE VIDEO

30 Compresión de vídeo: Se basa en aprovechar las propiedades de las imágenes y las características perceptuales del sistema visual humano: Redundancia espacial Redundancia temporal Compactación de energía Eliminación de información irrelevante Respuesta visual humana Compresión de audio Se basa principalmente en la explotación de las características psicofisiológicas del sistema auditivo humano: Enmascaramiento Respuesta en frecuencia del oído interno (cóclea) Compactación de energía

31 Compresión: Es la reducción del flujo o tasa binaria: Reduciendo la información redundante Eliminando la información irrelevante Información redundante: Información superflua, presente varias veces en el flujo binario, o que no contiene información, o que puede recuperarse fácilmente sin pérdidas, mediante un proceso matemático simple en el receptor. Información irrelevante: Es la que no puede ser percibida por el sistema visual humano, de modo que puede ser eliminada sin pérdida de la calidad subjetiva.

32 Redundancia Espacial Zonas en que los elementos de imagen son prácticamente iguales con muy pocas variaciones entre uno y otro Zonas con elementos de imagen similares, aunque con algunas variaciones más notorias perceptualmente

33 Cuadros sucesivos Objetos en movimiento Entre cuadros sucesivos la información entre cuadros es la misma, excepto en la posición de los objetos en movimiento. La información redundante entre cuadros se puede eliminar Redundancia temporal

34 Contexto de la compresión en televisión digital

35 La unidad básica para el procesamiento de la imagen es el bloque de 8x8 elementos de imagen, tanto para luminancia como para crominancia. Un macrobloque (16x16) está formado por cuatro bloques de luminancia y dos bloques de crominancia. Los bloques de la señal original constituyen matrices de 8x8 elementos cuyos valores corresponden a los niveles de brillo (luminancia) de la escena o imagen original. La correlación entre esos valores suele ser elevada y la distribución de energía es bastante uniforme. Esta señal no está comprimida. Para comprimir la señal es necesario utilizar alguna técnica que compacte la energía en unos pocos coeficientes. Las transformadas, como Fourier, DCT y otras tienen esa propiedad.

36 Tipo de imágenes en MPEG I: Intracuadro. Se codifican independientemente de las demás, sin otra referencia que la del propio cuadro P: Predictivas. Resultado de predicciones de imágenes I o P previas en la secuencia B: Bidireccionales. Resultado de predicciones de las imágenes más cercanas I o P, previas o posteriores en la secuencia

37 Secuencia de codificación Grupo de imágenes (GOP)

38 Compensación de movimiento Imagen de referencia Predicción hacia adelante Imagen de referencia Predicción hacia atrás Imagen actual tiempo

39 Encabezado de transporte

40 4. Estandares de Compresión y Formatos de Codificación

41 Normas (estándares) de compresión. JPEG Para imágenes fijas. Se basa principalmente en la DCT. Se emplea extensamente en fotografía y multimedia. MPEG Constituyen una familia de estándares para imágenes en movimiento: MPEG1 para almacenamiento, MPEG2 para televisión y MPEG4, a su vez con varias versiones, la más reciente MPEG4-AVC. H.26X Es una familia de estándares desarrollada en el seno de la UIT, inicialmente para videoconferencia. El más avanzado es el H.264 (MPEG4-Parte10 o MPEG4-AVC).

42 H.261 (UIT) Diseñado para comunicación bidireccional sobre líneas ISDN. Emplea compresión intracuadro e intercuadro y soporta resoluciones CIF y QCIF. Fue el primer estándard práctico de codificación de vídeo H.263 (UIT) Diseñado en Basado en H.261 con prestaciones que mejoran la calidad de vídeo. Soporta resoluciones CIF, QCIF, SQCIF, 4CIF y 16CIF. Se utiliza en video conferencia y en clips de vídeo como YouTube, Google Video, etc.

43 MPEG-1 Diseñado para tasas binarias hasta de 1.5 Mbit/s. Basado en aplicaciones de CD-ROM, es un estándard popular para vídeo sobre Internet, transmitidos como archivos “.mpg”. El nivel 3 de MPEG-1 (MP3), se ha convertido en el estándard más popular para compresión de audio. MPEG-2 Diseñado para tasas binarias entre 1.5 y 15 Mbit/s. Es el estándard adoptado para televisión digital en el que se basan todas las terminales de abonado. También se emplea para grabación en DVD.

44 MPEG-4 Inicialmente MPEG-4 tuvo como objetivo la codificación de audio y vídeo a tasas binarias muy bajas. El estándard se optimizó explícitamente para tres rangos: <64 kbit/s 64 a 384 kbit/s 384 kbit/s a 4 Mbit/s La primera versión de MPEG-4 (1999) se designa como MPEG-4 Visual, MEG-4 Parte 2 y no debe confundirse con MPEG-4 AVC MPEG-4 no es compatible con MPEG-2

45 H.264/AVC H.264 se inició por el VCEG (Video Coding Experts Group) en el seno de la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones). Las etapas finales de H.264 se desarrollaron conjuntamente por los grupos MPEG y VCEG. El estándard final fue designado como H.264/AVC (Advanced Video Coding) y se incorporó al estándar MPEG-4 como Parte 10 o MPEG-4 AVC H.264/MPEG-4 Parte 10 se publicó en MPEG-4 Visual y H.264 tienen aspectos relacionados pero significativamente diferentes. MPEG-4 hace énfasis en la flexibilidad. H.264 enfatiza la eficiencia y fiabilidad. H.264/AVC tampoco es compatible con MPEG-2

46 Todos los sistemas anteriores tienen semejanzas en el algoritmo de codificación que emplea: Estimación y predicción de movimiento inter-cuadro Codificación espacial por transformada (DCT) Cuantificación escalar Exploración en zig-zag Codificación por entropía (VLC)

47 Evolución histórica de la compresión

48 Evolución de los estándares de compresión

49 Evolucion de la capacidad de compresión

50 Formatos de codificación (no deben confundirse con formatos de compresión) CIF (Common Intermediate Format) Usado para estandarizar las resoluciones horizontal y vertical en píxels de secuencias de vídeo en componentes YCbCr. Se diseñó para convertir fácilmente PAL  NTSC y se propuso inicialmente en el estándard H.261. Define una secuencia de vídeo con resolución de 352(H)x288(V) y una frecuencia de cuadro de 30000/1100 (aprox cuadros/seg) con codificación de color YCbCr 4:2:0. QCIF (Quarter CIF). Significa "un cuarto de CIF" y ocupa la cuarta parte del área en CIF. La altura y el ancho se reducen a la mitad. También se utilizan SQCIF (Sub Quarter CIF), 4CIF (4× CIF) y 16CIF (16× CIF).

51 FormatoResolution (HxV) SQCIF128 × 96 QCIF176 × 144 CIF352 × 288 4CIF704 × CIF1408 × 1152

52 Todos los formatos XCIF resultan en imágenes con relación de aspecto 4:3 Los tamaños de imágen XCIF son múltiplos de macrobloques (16x16 píxels) Por ejemplo, una imagen CIF (352x288) corresponde a 22x18 macrobloques. 4CIF es adecuado para SDTV (TV estándard) y DVD CIF y QCIF se usan generalmente para videoconferencia QCIF o SQCIF son adecuados para aplicaciones multimedia móviles

x CIF 704 x 528 4CIF 352 x 264 CIF 176 x132 QCIF 128 x 96 SQCIF

54 5. CRITERIOS DE CALIDAD

55 Criterios de calidad Sistemas de video: Optimizados para visualizar escenas naturales Sistemas de cómputo: Diseñados para presentar mejor imágenes artificiales, gráficos o texto. Es necesario visualizar todo tipo de imágenes en ambos sistemas, es decir, es necesaria una convergencia entre los sistemas de televisión y las computadoras. Calidad objetiva: La imagen cumple con un conjunto de parámetros definidos claramente en las normas o estándares y son susceptibles de medirse. Calidad subjetiva La imagen resulta aceptable a un observador promedio aunque no necesariamente cumpla los parámetros fielmente.

56 Criterios de calidad para visualización de imágenes naturales (TV) Definición de una imagen o resolución: Es el grado de percepción de una imagen enfocada. Está relacionada con la resolución de los detalles finos en la imagen. Una imagen de TV estándard (NTSC) con relación de aspecto 4:3, contiene 525 elementos de imagen verticales y 700 elementos verticales o 367,500 elementos de imagen por cuadro.

57 Sin compresión

kbit 18 kbit

59 18 kbits

60 Imagen original 2592x1944 pixels 2.22 MB Imagen comprimida 720x540 pixels (aprox 4CIF) 54.5 kB

61 180x135 píxels (aprox. QCIF) 23 kB 360x270 píxels (aprox. CIF) 290 kB

62 CIF Misma imagen ampliada

63 QCIF Misma imagen ampliada

64 Calidad subjetiva Aquélla en que la calidad de la imagen es aceptable para un observador promedio. Una escala de calidad subjetiva que suele utilizarse es mediante una escala de 0 a 5: 5 Imagen totalmente aceptable 4 Imagen aceptable con algunos artefactos 3 Imagen con bastantes artefactos 2 Imagen inaceptable 1 Imagen totalmente inaceptable 0 Ausencia de señal