1 Tema 2 La señal digital de video Bibliografía Manuel Rummel. “Producción de Vídeo Digital”. Paraninfo 1999. José Oliver Gil, M. Perez. “Compresión de.

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1 1 Tema 2 La 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/

2 2 Índice 1.Captura de la imagen. 2.Digitalización. 3.Transmisión. 4.Estrategias de Compresión de Vídeo. 5.Formatos de video y cine digital

3 3 Captura de la imagen CODIFICADOR SEPARADOR PRIMARIOS SEÑAL CODFICADA DECODIFICADOR R B G TUBO IMAGEN 1.- Captura de la imagen La captura de la imagen mediante una cámara supone el primer paso para el tratamiento de video digital. 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) 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)

4 4 Adquisición de video Células fotosensibles que transforman la luz en impulsos eléctricos. Células fotosensibles que transforman la luz en impulsos eléctricos. Distintas tecnologías CCD y CMOS Distintas 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 16:9 1 ó 3 CCD’s (RGB) o (HSI), 4:3 16:9 1.- Captura de la imagen

5 5 Frecuencia de muestreo 1.- Captura de la imagen La frecuencia con la que se captura una imagen de la realidad varían de unos sistemas a otros. La frecuencia con la que se captura una imagen de la realidad varían de unos sistemas a otros. Principalmente las tasas de muestreo son: Principalmente las tasas de muestreo son: –24 cine digital –25 PAL –30 NTSC –Otras variaciones.

6 6 Estrategia progresiva 1.- Captura de la imagen En una estrategia progresiva en cada instante de tiempo se captura una imagen completa, una fotografía. 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. Es la estrategia utilizada en cine analógico y digital y en muchos formatos de HD.

7 7 Estrategia entrelazada 1.- Captura de la imagen En una estrategia entrelazada en cada instante de tiempo se captura una parte de una imagen completa. 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. Es la estrategia utilizada en televisión analógica, video analógico y video digital SD. Si consideramos que una imagen se representa mediante una matriz de puntos. Si consideramos que una imagen se representa mediante una matriz de puntos.

8 8 Estrategia entrelazada 1.- Captura de la imagen 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 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 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) el campo B, inferior o secundario (Lower o Bottom en inglés) formado por las líneas impares (Odd en inglés)

9 9 El origen de video entrelazado es la tv 1.- Captura de la imagen Un televisor analógico está dividido en líneas horizontales, 625 en televisores PAL y 525 en televisores NTSC. Un televisor analógico 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. 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.

10 10 Trazado de líneas en pantalla CRT 1.- Captura de la imagen

11 11 Justificación del video entrelazado 1.- Captura de la imagen La retina mantiene una imagen durante un tiempo antes de que desaparezca (valor mínimo: 50 im/s). En caso de estar por debajo de ese valor se produce el efecto de parpadeo de imagen (flicker). La retina mantiene una imagen durante un tiempo antes de que desaparezca (valor mínimo: 50 im/s). En caso de estar por debajo de ese valor se produce el efecto de parpadeo de imagen (flicker).

12 12 Campos 1.- Captura de la imagen

13 13 Consecuencias del entrelazado 1.- Captura de la imagen 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. 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). 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 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

14 14 Campo A/B 1.- Captura de la imagen

15 15 Consecuencias del entrelazado 1.- Captura de la imagen 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. 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. 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. 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. Cuando una escena es estática, no hay cambios, ambos campos coinciden, o varían mínimamente, y la reproducción parece correcta a nuestros ojos.

16 16 Conclusiones 1.- Captura de la imagen En la captura de la imagen digital se establecen las primeras propiedades: 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. –Estrategia seguida: progresivo o entrelazado.

17 17 Digitalización o codificación 2.- Digitalización 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. CODIFICADOR SEPARADOR PRIMARIOS SEÑAL CODFICADA DECODIFICADOR R B G TUBO IMAGEN

18 18 Muestreo 2.- Digitalización 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.

19 19 Muestreo 2.- Digitalización Para saber cuantas muestras deberemos obtener en cada intervalo se debe conocer: Relación de aspecto. Aspecto del pixel. Resolución de la imagen Estrategia utilizada progresivo o entrelazada. Cuantificación Codificación Estrategia de compresión.

20 20 Resolución de la imagen 2.- Digitalización La resolución de la imagen es el número de pixels verticales por el número de pixels horizontales. La resolución de la imagen es el número de pixels verticales por el número de pixels horizontales.

21 21 Resolución de la imagen 2.- Digitalización

22 22 Relación de aspecto 2.- Digitalización 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. 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. No importa la unidad utilizada. También es posible expresar la relación como una proporción. También es posible expresar la relación como una proporción.

23 23 Relación de aspecto 2.- Digitalización Academy (1.85:1) y Scope (2.35:1) comparado con 4:3 (1.33:1)

24 24 Aspecto del pixel 2.- Digitalización Todos los monitores de ordenador y formatos gráficos usan pixels cuadrados, esto es misma distancia horizontal que vertical. En cambio en algunos formatos de video digital el aspecto del pixel no es cuadrado sino rectangular con la finalidad de preservar la relación de aspecto.

25 25 Relación de aspecto y aspecto del pixel 2.- Digitalización En una relación de aspecto de 4:3 (TV), si tenemos 576 líneas (pixels verticales) necesitamos 768 pixels de anchura para mantener esa relación con pixels cuadrados. El formato DV PAL tiene 720 pixels 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 pixel rectangular, pixels bajos y anchos. La relación de aspecto actual de los pixels son de 12:11 (1.09) DV PAL y de 10:11(0.9) DV NTSC

26 26 Relación de aspecto y aspecto del pixel 2.- Digitalización

27 27 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.

28 28 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

29 29 Profundidad de la imagen El número de bits que hace falta para representar un pixel 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 pixel si la imagen es en tonos grises. 2.- Digitalización

30 30 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

31 31 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

32 32 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) Si cada uno de los componentes se codifica con 8 bits. – –Y (8 bits): rango 16-235 – –Cb (8 bits) y Cr (8 bits): rango 16-240 2.- Digitalización

33 33 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

34 34 Codificación YUV 2.- Digitalización El esquema de codificación YUV se muestra como una relación de 3 números 4:4:4, donde: El esquema de codificación YUV se muestra como una relación de 3 números 4:4:4, donde: –Y o Luma horizontal muestreo. –Cr o U factor horizontal (relativo al primer digito) –Cb o V factor horizontal (relativo al primer digito), 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.

35 35 Codificación YUV 2.- Digitalización

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37 37 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