Televisio Digital 1 - Salle-URL · - ASK (Amplitude Shift Keying) / QAM (Quadrature Amplitud Modulation) (TV digital cable). - FSK : Frequency Shift Keying. - PSK : Phase Shift Keying

LaSa

lle

On

Lin

e

EN

GIN

YER

IES

TELEVISIÓ DIGITAL I

Guia d’estudi Gabriel Fernàndez i Ubiergo

2010 Creative Commons Deed

Creative Commons License Deed Reconeixement-No comercial-Sense obres derivades 3.0 Espanya

Vostè és lliure de: Copiar, distribuir i comunicar públicament l’obra.

Sota els següents condicionants:

Reconeixement.

S’ha de referenciar aquesta obra a Gabriel Fernàndez i Ubiergo - Enginyeria La Salle (Semipresencial)

No comercial. No es pot utilitzar aquesta obra per a finalitats comercials.

Sense obres derivades.

No es pot alterar, transformar o generar una obra derivada a partir d’aquesta.

Quan reutilitzeu o distribuïu l'obra, heu de deixar ben clar els termes de la llicència de l'obra.

Alguna d'aquestes condicions pot no aplicar-se si obteniu el permís del titular dels drets d'autor.

No hi ha res en aquesta llicència que menyscabi o restringeixi els

drets morals de l'autor.

Els drets derivats d'usos legítims o altres limitacions reconegudes

per llei no queden afectats per l'anterior

Això és un resum fàcilment llegible del text legal (la llicència completa) disponible en els idiomes següents:

Català Castellà Basc Gallec

Crèdits

Autor: Gabriel Fernàndez i Ubiergo

Editor: Lluís Vicent

Coordinació lingüística: Sara Laso

Revisió lingüística: Núria Mateo

Maquetació: Víctor Ballesteros

Disseny de portada: Víctor Ballesteros

Aquesta edició ha comptat amb el suport de l’Agència de Gestió d’Ajuts Universitaris i de Recerca (AGAUR) de la Generalitat de

Catalunya en la Convocatòria d’ajuts a l’edició i la difusió de llibres de text o manuals universitaris i llibres cientificotècnics, en suport

paper o en suport electrònic, escrits en llengua catalana (DILL 2010)

ISBN: 978-84-937712-5-6

1

Índex

SESSIÓ 1: Introducció als sistemes de TV .................................................................... 3

1. Introducció als sistemes de televisió ...................................................................... 3 1.1.1. La televisió com a sistema de comunicacions ........................................................................... 3 1.1.2. La digitalització de la televisió ................................................................................................... 6 1.1.3. Sistemes de televisió analògics i digitals ................................................................................... 7

SESSIÓ 2: Percepció visual -‐ 1 ..................................................................................... 9

2. Percepció visual ..................................................................................................... 9 2.1.1. La llum ....................................................................................................................................... 9 2.1.2. Quantitats radiomètriques ...................................................................................................... 10 2.1.3. Quantitats fotomètriques ....................................................................................................... 12 2.1.4. Sensibilitat a la lluentor del sistema visual humà ................................................................... 13

SESSIÓ 3: Percepció visual -‐ 2 ................................................................................... 15 2.2.1. L’ull: retina, cons i bastons ...................................................................................................... 15 2.2.2. Fenòmens visuals .................................................................................................................... 17

SESSIÓ 4: Colorimetria -‐ 1 ........................................................................................ 21 2.3.1. Especificació del color. Teoria triestímul ................................................................................ 21 2.3.2. Coeficients de luminància i crominància ................................................................................. 23 2.3.3. Mescla de llums ....................................................................................................................... 25

SESSIÓ 5: Colorimetria -‐ 2 ........................................................................................ 27 2.3.4. Representació espacial del color ............................................................................................. 27 2.3.5-‐ Models de color ...................................................................................................................... 29

SESSIÓ 6: Principis bàsics de la televisió ................................................................... 31

3. Senyal de vídeo analògic ..................................................................................... 31 3.1.1. Paràmetres bàsics ................................................................................................................... 31 3.1.2. Relació d’aspecte .................................................................................................................... 32 3.1.3. Nombre de línies per imatge ................................................................................................... 32 3.1.4. L’entrellaçat ............................................................................................................................ 33

SESSIÓ 7: Senyal de TV B/N ..................................................................................... 37 3.2.1. Estructura del senyal de vídeo ................................................................................................ 37 3.2.2. Ample de banda teòric de senyal de TV .................................................................................. 40 3.2.3. Resolució vertical i horitzontal ................................................................................................ 41

SESSIÓ 8: Transformada del senyal B/N ................................................................... 45 3.2.4. Transformada del senyal de TV ............................................................................................... 45 3.2.5. Senyal d’àudio ......................................................................................................................... 47

SESSIÓ 9: Característiques d’un sistema de TV color ................................................ 49 3.3.1. Fonaments del senyal color .................................................................................................... 49

SESSIÓ 10: El senyal de vídeo color .......................................................................... 57 3.3.2. Senyal de vídeo color NTSC ..................................................................................................... 57

SESSIÓ 11: El senyal color PAL .................................................................................. 61 3.3.3. Senyal de vídeo color PAL ....................................................................................................... 62 3.3.4. Senyal de vídeo color SECAM .................................................................................................. 65

2

SESSIÓ 12: Senyal de vídeo digital ........................................................................... 67

4. Senyal de vídeo digital ......................................................................................... 67 4.1.1. Digitalització d’un senyal analògic .......................................................................................... 67 4.1.2. Mostratge ................................................................................................................................ 68 4.2.1. Introducció .............................................................................................................................. 69 4.3.1. Introducció .............................................................................................................................. 69 4.3.2. Freqüència de mostratge ........................................................................................................ 70 4.3.3. Quantificació de les components ............................................................................................ 71 4.3.5. Mostres actives per imatge ..................................................................................................... 72 4.3.6. Patrons de mostratge .............................................................................................................. 73

SESSIÓ 13: Interconnexió de vídeo digital ................................................................ 75 4.4.1. Interfície paral·∙lela .................................................................................................................. 75 4.4.2. Interconnexió de vídeo digital en components. Interfície sèrie (SDI) ..................................... 76

SESSIÓ 14: Fonaments de compressió ...................................................................... 79

5. Compressió de vídeo ............................................................................................ 79 5.1.1. Necessitat de la compressió .................................................................................................... 79 5.2.1. Mètodes estadístics ................................................................................................................ 81 5.2.2. Mètodes predictius ................................................................................................................. 83

SESSIÓ 15: Mètodes de compressió transformats ..................................................... 87 5.2.3. Mètodes transformats ............................................................................................................ 87 5.3.1. Estàndard H.261 ...................................................................................................................... 89

SESSIÓ 16: Introducció al MPEG ............................................................................... 91 5.3.2. Estàndard MPEG-‐1 .................................................................................................................. 91 5.3.3. Estàndard MPEG2 ................................................................................................................... 93 5.4.4. MPEG4 Part-‐10/H.264 ............................................................................................................. 97

Bibliografia ............................................................................................................. 99

Glossari ................................................................................................................. 101

3

SESSIÓ 1: Introducció als sistemes de TV

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Introducció als sistemes de TV v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:

o Bibliografia bàsica: § [Fernàndez2001] § [Torres1993]

PRECEDENTS Per estudiar aquesta assignatura cal que l’alumne tingui uns coneixements bàsics de comunicacions i electrònica.

OBJECTIUS L’objectiu d’aquesta sessió és introduir a l’alumne els paràmetres i tecnologies que intervenen en un sistema de televisió de principi a fi.

CONTINGUTS

1. Introducció als sistemes de televisió

1.1. Els sistemes de televisió

1.1.1. La televisió com a sistema de comunicacions En la Figura 1. La televisió com a sistema de comunicacions podeu observar un diagrama on es presenta una cadena genèrica de transmissió de televisió, des de la càmera fins al televisor. Aquest sistema és vàlid també per a altres sistemes de comunicacions, tant analògics com digitals. En aquesta sessió l’objectiu principal és el d’avaluar cadascun dels elements d’aquest sistema de comunicacions, explicant breument el seu funcionament.

4

Figura 1. La televisió com a sistema de comunicacions

El transductor d’entrada El transductor d’entrada té per objectiu transformar el senyal òptic i acústic en elèctric, per tal que pugui ser tractat i transmès a través d’un canal. L’exemple més evident de transductor d’entrada és la càmera on, generalment, mitjançant sensors CCD (Charge Coupled Device) converteix l’energia dels fotons incidents en una acumulació de càrrega d’electrons per a cada punt de la imatge. Més tard, aquesta càrrega acumulada es converteix en un senyal elèctric que descriu la imatge formada en el sensor línia a línia. Segons el tipus de càmera podem trobar un únic sensor CCD (càmeres domèstiques) o bé de 3 CCD (càmeres professionals) on cada sensor capta el senyal d’un color diferent (vermell, verd i blau). Altres transductors d’entrada són el micròfon per l’àudio, o bé els capçals reproductors de magnetoscopis de vídeo o làsers lectors de CDROM o DVD si la informació ha estat prèviament enregistrada en un d’aquests formats. A més de captar el senyal, el transductor d’entrada ha d’amplificar-lo i adaptar-lo per a la següent etapa.

El transmissor El següent mòdul en la cadena de comunicacions és el transmissor que efectua l’adaptació del senyal al canal pel qual el senyals es propagarà. Per això requereix un senyal suplementari que li faci d’ona portadora de la informació. Aquest procés és conegut com modulació i com a resultat el senyal és desplaçat a freqüències superiors dins del canal que té reservat per a la seva transmissió. Els mètodes de modulació són diferents segons la forma en què es modula la portadora: Tipus de modulacions analògiques: el missatge que cal transmetre és una funció continua en el temps. Modulacions lineals: són aquelles modulacions que modifiquen l’amplitud del senyal portador.

- AM: modulació en amplitud (ràdio). - BLU: banda lateral única (ràdio). - DBL: doble banda lateral (per a la crominància en TV color).

5

- BLV: banda lateral vestigial (TV analògica). Modulacions no lineals:

- FM: modulació en freqüència (ràdio, TV satèl·lit). - PM: modulació en fase.

Modulacions digitals: el missatge que cal transmetre és un seguit de polsos d’amplituds discretes.

- ASK (Amplitude Shift Keying) / QAM (Quadrature Amplitud Modulation) (TV digital cable).

- FSK : Frequency Shift Keying. - PSK : Phase Shift Keying. - QPSK: Quaternary Phase Shift Keying (TV digital satèl·lit). - DPSK: Differential Phase Shift Keying (NICAM i modulació àudio en estèreo).

Totes les modulacions mostrades fins ara són uniportadores. Es poden utilitzar també modulacions multiportadora on, com el seu nom indica, utilitzen un gran nombre de portadores simultànies per modular diferents símbols d’un mateix senyal. És el cas de la Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) utilitzada en la televisió digital terrestre.

Canal de transmissió És el medi físic pel qual es transmet la informació. Pot ser de dos tipus: guiat o via “aèria”: De canals guiats n’hi ha de diversos tipus: el cable coaxial, la fibra òptica, les xarxes híbrides coaxial i òptiques (HFC) i el cable bifil·lar de coure. De canals no guiats en trobem de diferents tipus segons les bandes radioelèctriques utilitzades:

- Banda VHF: Banda I, II, III; 30 a 300 MHz. Aquesta banda és utilitzada per transmissió de TV (canals de 7 MHz) i FM de ràdio.

- Banda UHF: Banda IV, V; 300 MHz a 3 Ghz. Utilitzada per transmissió de senyal de TV (canals de 8 MHz), radar i ràdio enllaços.

- Banda SHF: 3 Ghz a 30 Ghz. Utilitzada per transmissió de senyal per satèl·lit (banda C: 4-6 GHz, Ku12-14 GHz).

Tots els canals de transmissió introdueixen un seguit d’atacs al senyal, en major o menor mesura. Aquests atacs es poden agrupar en: soroll, interferència i distorsió. Soroll: són els diferents senyals elèctrics aleatoris de caràcter natural que contaminen el senyal que transmetem. El soroll afecta de forma diferent a un senyal de TV analògic que digital. Per exemple, en TV analògica, en utilitzar una modulació lineal on el soroll afecta directament al missatge (amplitud del senyal), les imatges es veuen amb neu; en una transmissió de TV digital, el soroll induirà alguns bits erronis que podran ser recuperats en alguns casos i en altres faran aparèixer blocs amb informació errònia a la pantalla; altrament la imatge serà perfecta. Interferència: contaminació causada per altres senyals creats per l’home (màquines, altres emissions de TV, etc.) que per la seva similitud al nostre senyal a transmetre fa

6

que el senyal rebut es vegi modificat. Per exemple, un canal de TV que interfereix un altre pel fet d’estar en canals adjacents. Un cas especial d’interferència és la multicamí o multitrajectòria, produïda pel fet que el senyal rebut en una antena (especialment terrestre) és la suma dels mateixos senyals que han recorregut diverses trajectòries (a causa de rebots en edificis o altres elements). Aquest fenomen és especialment greu en el cas de la recepció terrestre. Distorsió: deformació que pateix la forma d’ona del senyal a causa de les diferents atenuacions que efectua el canal a diferents freqüències. Cada canal de transmissió té unes característiques diferents que fan que la modulació que cal dur a terme prèviament hagi d’estar adaptada a aquestes característiques. Per exemple, el medis guiats per cable no pateixen de gaire soroll i disposen de la possibilitat de reamplificar el senyal, amb la qual cosa una modulació en amplitud com al QAM és perfectament vàlida. En canvi, en el medi satèl·lit, cal una modulació més robusta, com la QPSK que modula la informació amb quatre possible fases, a canvi de reduir l’eficiència espectral (ample de banda més gran), la qual cosa no resulta un problema en les transmissions satèl·lit a bandes de GHz. Finalment, en la transmissió terrestre tenim problemes de relativa baixa potència i ample de banda i interferència multicamí, amb la qual cosa cal aplicar una modulació robusta i eficient a la vegada, com la OFDM.

El receptor Adapta el senyal rebut pel canal a senyal elèctric. El seu funcionament dependrà de la transmissió i canal utilitzats. Bàsicament ha de fer tres funcions:

- Seleccionar el canal. - Amplificar. - Desmodular.

Transductor de sortida Transforma el senyal elèctric en imatges que pugui rebre l’usuari. Es tracta del monitor de televisió amb tecnologies de tub de raigs catòdics (TRC), projectors o pantalles planes de plasma o LCD. En el cas de l’àudio es tracta de l’altaveu.

1.1.2. La digitalització de la televisió La tendència dels darrers anys ha estat la d’anar digitalitzant els cinc blocs del sistema de la televisió. Els motius principals pels quals es prefereixi treballar amb senyals digitals són:

- Possibilitat de corregir errors: pot incorporar sistemes basats en algorismes matemàtics per recuperar possibles errors causats durant la transmissió.

- Facilitat per processar el vídeo digital. Possibilitat de replicar la informació de forma idèntica.

7

- Possibilitat de la compressió del vídeo digital: sistema que redueix el volum d’informació digital (reducció d’informació binària), fent així una reducció de l’ample de banda que retransmetem.

- Factor econòmic: circuits barats, potents i de grans prestacions. - Control per software: els programes utilitzats es poden actualitzar amb més

facilitat. - Oferiment de serveis afegits: ofereix serveis com la possibilitat d’enviar dades,

interactivitat, encriptació de serveis, etc. En contrapartida, la digitalització provoca l’error de quantificació: quan discretitzem un senyal realitzem la quantificació que produeix el denominat error de quantificació. Aquest tipus d’error és acumulatiu i irreversible.

1.1.3. Sistemes de televisió analògics i digitals A la Figura 2. Classificació dels diversos sistemes de TV analògics i digitalspodem veure un quadre-resum dels diferents sistemes de televisió analògica i digital existents. D’esquerra a dreta, els diferents sistemes augmenten en prestacions, des de televisió de definició estàndard (SDTV) com el NTSC, PAL o SECAM, passant pels IDTV (Improved Definition Television) que incorporen millores en la recepció i els EDTV (Extended Definition Television) com el sistemes MAC o PAL Plus fins els sistemes d’alta definició analògics (HDTV) Muse i HD-MAC. Aquest fou d’alguna forma l’evolució de la televisió fins a principis de la dècada dels 90. A partir d’aleshores, començaren a instaurar-se els sistemes de televisió digital que, entre d’altres avantatges, permeten que el mateix sistema pugui abarcar totes les qualitats, des de la definició estàndard a l’alta definició. El sistema europeu DVB i americà ATSC són els més importants en aquest àmbit, sense menysprear el japonès ISDB. Tots ells són incompatibles però tenen elements comuns, com el fet que es basen en la codificació MPEG com a base per a la compressió del senyal.

8

Figura 2. Classificació dels diversos sistemes de TV analògics i digitals

9

SESSIÓ 2: Percepció visual - 1

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Percepció visual - 1 v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:


PRECEDENTS En la sessió anterior hem introduït els conceptes generals de la televisió com a sistema de telecomunicacions complert.

OBJECTIUS L’objectiu d’aquesta sessió és introduir els conceptes vinculats a la llum i la percepció que els sistema visual humà en té d’aquesta. La formació d’una imatge consisteix, bàsicament, a detectar la llum procedent de cada punt de la imatge. És cabdal, doncs, conèixer els fonaments físics de la llum i com el sistema visual la percep, per tal de convertir-la, d’alguna forma, en senyal elèctric que es pugui transmetre a distància.

CONTINGUTS

2. Percepció visual

2.1. Paràmetres d’una llum

2.1.1. La llum La llum és una radiació electromagnètica que estimula la nostra resposta visual. Aquesta radiació ocupa una zona de l’espectre electromagnètic molt estreta que va d’uns 400 nm a 780 nm. Els diferents colors que podem percebre estan vinculats a les diferents longituds d’ona incloses en aquesta regió, començant pel violeta, passant pel blau, cyan, verd, groc i taronja fins arribar al vermell. Vegeu la Figura 3. Espectre visible de la llum

10

Figura 3. Espectre visible de la llum

D’una llum en distingirem dos tipus de quantitats: aquelles que estan referides a quantitats físiques de la llum, que es poden mesurar quantitativament (quantitats radiomètriques), i les quantitats referides a la sensació subjectiva perceptual que en tenim de la llum, que difícilment podrem mesurar i que dependran de l’individu (quantitats fotomètriques).

2.1.2. Quantitats radiomètriques Les quantitats radiomètriques estan vinculades a paràmetres físics de la llum. A continuació se’n descriuen les més importants.

Distribució energètica de la llum Com tota radiació, la llum està caracteritzada per una distribució energètica C(x, y, t, λ) on x i y són les variables espacials del pla que travessa la llum, t és la variable temporal i λ és la longitud d’ona. Aquesta funció rep el nom d’irradiància per longitud d’ona i es mesura en watts/m3. En general, ens fixarem només en la variació de la distribució d’energia en la longitud d’ona, simplificant l’expressió a C(λ). Cada llum té una distribució C(λ) d’energia diferent. A la Figura 4. Diverses distribucions d’energia de llums on (b) i (c) són llums monocromàtica i blanca, respectivament. podeu veure alguns exemples de distribucions d’energia d’algunes llums.

11

Figura 4. Diverses distribucions d’energia de llums on (b) i (c) són llums monocromàtica

i blanca, respectivament. Distingirem dos casos extrems de distribucions: Llum monocromàtica: quan una llum té únicament energia en una sola longitud d’ona, és a dir, la seva distribució d’energia és una delta a una longitud d’ona concreta. Aleshores direm que es tracta d’una llum monocromàtica. Llum blanca: contràriament a la llum monocromàtica, quan una llum té igualtat d’energia a totes les longituds d’ona visibles, aleshores tindrem la llum blanca. En general, la majoria de llums seran un cas intermedi entre aquests dos casos extrems i es caracteritzaran per tenir una distribució on hi haurà una longitud d’ona principal (longitud d’ona dominant), on s’acumularà la major part de l’energia amb certa amplada de banda.

§ [Fernàndez2001] p. 7-9

§ [Torres1993] p. 15-17

Irradiància i energia total Altres quantitats radiomètriques són la irradiància i l’energia total. La irradiància consisteix a integrar la funció de distribució per totes les longituds d’ona i es mesura en watts/m2. L’energia total la podem obtenir de fer tota la integral en x, y, t i λ de la distribució d’energia. Es mesura en Joules.

§ [Fernàndez2001] p. 9

§ [Torres1993] p. 16

∫= λλ dtyxCiaIrrandianc ),,,(

∫= dtdxdydtyxCtotalEnergia λλ ),,,(

12

2.1.3. Quantitats fotomètriques Ens referim com quantitats fotomètriques a aquelles que tenen en compte la percepció que tenim de la llum a través del sistema visual humà. Es tracta, per tant, de quantitats no mesurables quantitativament, ja que depenen del individu. Malgrat tot, es poden fer estimacions d’aquests valors i establir una relació bastant directa entre les quantitats fotomètriques i les radiomètriques mencionades anteriorment.

Lluentor La lluentor és la sensació que tenim d’intensitat d’una llum. De forma planera podríem dir que és la informació que veuríem d’una llum en un monitor de TV en blanc i negre. Podem tenir dues llums de diferent color, però que en lluentor siguin iguals. La lluentor, com a paràmetre subjectiu que és, depèn de les condicions de l’observador, estat d’ànim, il·luminació de l’escena, etc. La lluentor té una relació directa amb l’energia de la llum, tot i que, com ja hem dit, no es tracta de la mateixa cosa. La primera és una quantitat subjectiva (fotomètrica) i la segona és objectiva (radiomètrica).

Matís El matís és la sensació que ens permet identificar un color; el que ens permet distingir una llum d’un to blavós d’una de verdós. Ho podríem definir com la percepció que tenim del color d’una llum. El matís d’una llum està molt relacionat amb el valor radiomètric de la longitud d’ona dominant de la distribució.

Saturació Finalment, el tercer paràmetre fotomètric és la saturació que ens descriu la sensació que tenim de la vivor d’un color. Un color poc saturat el veurem pàl·lid i tindrà molta quantitat de llum blanca (el blau cel). En canvi, un color molt saturat és un color molt viu, sense gens de llum blanca (el blau marí). Fixeu-vos que podem tenir una llum amb el mateix matís (el blau) però amb diferent saturació (blau cel o blau marí). Tampoc cal confondre la saturació amb la lluentor, ja que podem tenir un blau marí molt poc lluent i un blau cel molt lluent. La saturació està molt lligada amb l’ample de banda de la distribució d’energia. Quan més petit sigui l’ample de banda, més tendirem a tenir una llum monocromàtica que té màxima saturació. A l’inrevés, quan menor sigui la saturació, més tendirem a tenir una llum blanca que és la de mínima saturació i ample de banda infinit.

13

2.1.4. Sensibilitat a la lluentor del sistema visual humà

Ja s’ha mencionat en l’apartat anterior que el sistema visual humà percep una lluentor que està relacionada amb l’energia de la llum, però que aquesta relació no és directa, ja que hi ha la subjectivitat i la resposta del sistema visual humà que entren en joc. En aquest apartat veurem l’intent que s’ha efectuat per tal de normalitzar aquesta sensibilitat a la lluentor que tenim els humans.

Adaptació en lluentor Anomenem adaptació en lluentor al fet de visualitzar dues distribucions diferents, però que des del punt de vista del sistema visual humà es percebin amb igual lluentor.

Corba de sensibilitat, V(λ) La corba de sensibilitat de l’ull humà, també anomenada d’eficiència lluminosa relativa V(λ), ens indica la sensibilitat a la lluentor que tenim de mitjana els humans a cadascuna de les longituds d’ona. Per calcular la corba es feren diferents tests, on uns observadors havien de comparar la llum monocromàtica de test (λt) amb una altra de referència (λr) i modificar-les per tal d’obtenir l’adaptació en lluentor. Es calcula, aleshores, la relació C(λr)/C(λt) i s’obté el punt de la corba per λt. Repetint el test per diferents llums de test s’obté la corba de sensibilitat, Figura 5. Corba de sensibilitat de l’ull humà

Figura 5. Corba de sensibilitat de l’ull humà

La corba de sensibilitat es normalitza al seu màxim que resulta ser a λr = 555 nm. Observem, doncs, que el sistema visual humà es comporta a nivell de longituds d’ona

14

com un filtre passa-bandes, on a les freqüències al voltant de 555 nm (groc) tenim màxima sensibilitat i als extrems de l’espectre (vermell i violeta) en tenim mínima.

§ [Torres1993] p. 17-18

Luminància Una vegada tenim una modelització de la sensibilitat que tenim a la lluentor ja podem fer una estimació de la lluentor que percebem per a qualsevol distribució C(λ). La luminància és, doncs, aquesta aproximació matemàtica que es fa de la sensació de lluentor que tenim els humans. Aquesta luminància no deixa de ser una aproximació a la lluentor ja que, com hem dit abans, la lluentor és un paràmetre subjectiu que depèn de molts altres paràmetres. La luminància (Y) es calcula com la integral per tot l’espectre visible del producte V(l) per C(l) multiplicat per una constant. La luminància es mesura en lumens/m2 on k pren el valor de 680. Aquest paràmetre de luminància serà de molt important posteriorment, ja que serà el senyal que utilitzarem per transmetre la informació en B/N d’una imatge.

§ [Torres1993] p. 18-19

§ [Fernàndez2001] p. 10-11

RESUM En aquesta sessió hem vist els paràmetres radiomètrics (físics) i els paràmetres fotomètrics (perceptuals) de la llum. Aquest conceptes, especialment els fotomètrics, juntament amb la luminància seran molt importants per la resta del curs.

∫= λλλ dVCkY )()(

15

SESSIÓ 3: Percepció visual - 2

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Percepció visual - 2 v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:


PRECEDENTS En la sessió anterior hem vist els paràmetres principals que determinen una llum. Hem classificat aquests paràmetres en radiomètrics (físics) i fotomètrics (perceptuals). Dels perceptuals, els més importants són la lluentor, matís i saturació. També hem calculat la luminància com una aproximació matemàtica a la sensació de lluentor.

OBJECTIUS En la present sessió veurem amb detall el sistema visual humà, el seu funcionament i la percepció que tenim de certes coses que fan que realment puguem adonar-nos de les nostres limitacions visuals; característiques que són fonamentals per definir un sistema de televisió.

CONTINGUTS Bàsicament, en aquesta sessió analitzarem la fisiologia i funcionament del sistema visual humà (SVH). L’estudi del SVH ens determinarà més endavant la definició del sistema de televisió.

2.2. Sistema visual humà

2.2.1. L’ull: retina, cons i bastons El sistema visual humà és un dels sistemes més complexes que existeixen a la natura. Consisteix en dos nivells ben diferenciats:

1. El nivell perifèric: que transforma la llum en senyals neuronals; l’element principal és l’ull.

16

2. El nivell central: que processa els senyals neuronals i els converteix en “informació visual”. Això succeeix en la part posterior del cervell anomenada còrtex.

El nervi òptic té la funció de transportar els senyals neuronals entre una part i l’altra. Mentre que el funcionament del nivell perifèric és bastant conegut, el del nivell central és encara una incògnita.

§ [Torres1993] p. 35

Fisiologia de l’ull Atés que les sensacions de color i lluminositat són percebudes pel cervell per mitjà de l’ull, és interessant descriure aquest últim amb un cert detall. La part anterior de l’ull està constituïda per un cos transparent anomenat còrnia. La llum circularà a través d’ella, penetrant fins una lent convergent anomenada cristal·lí. Entre la còrnia i el cristal·lí es troba la pupil·la de l’iris, una espècie de diafragma fotogràfic que es s’obre o es tanca, en una certa mesura, d’acord amb la intensitat lluminosa incident. L’interior del globus ocular està constituït per una massa gelatinosa coneguda com humor vitri , mentre que la pròpia paret interna disposa d’una pel·lícula sensible a les radiacions visibles i que rep el nom de retina. Per últim, el nervi òptic, connectat amb el cervell, transmet a aquest les impressions que han estat recollides per la retina. La imatge exterior és enfocada sobre la retina gràcies al cristal·lí que, deformant-se sota l’acció d’uns certs músculs, adapta l’enfoc abans esmentat per a compensar les diferents profunditats de la visió. Podeu veure un esquema de les parts de l’ull a [Fernàndez2001], pàgina 13.


§ [Torres1993] p. 35-36

La retina La retina conté les cèl·lules sensibles a la llum i que converteixen l’energia lluminosa en senyals neuronals. Es coneixen dos tipus de cèl·lules sensibles a la llum que es diferencien per la forma: els cons i els bastons. En un punt de la retina hi surt el nervi òptic que va cap al cervell. En aquest punt no hi ha cèl·lules de cap tipus i, per tant, és un punt de ceguesa. Les cèl·lules tipus bastó són uns 100 milions i estan situades més o menys uniformement en tota la retina, excepte a la part central anomenada fóvea. Són molt sensibles a la intensitat de la llum, però no són capaces de distingir els colors. Podríem dir que són les responsables de la visió en blanc i negre. La seva connexió al nervi òptic es produeix amb grups de moltes cèl·lules a una mateixa fibra, comportant poca capacitat de definició espacial. Les cèl·lules con, en canvi, són les responsables de la visió en color i no de la intensitat. Són uns 6 milions i es centren bàsicament a la fóvea. La connexió al nervi

17

òptic és molt més directa i, per tant, es dota de major definició espacial. Es coneixen tres conjunts de cèl·lules tipus con segons la sensibilitat a diferent longituds d’ona. Simplificant, es pot dir que hi ha les cèl·lules con sensibles al vermell, al verd i al blau. La distribució de cons i bastons es pot observar a la Figura 6. Distribució de bastins i cons a la retina. Observeu el punt de ceguesa al voltant dels 20 º.

Figura 6. Distribució de bastins i cons a la retina

De tot això se’n desprèn alguns efectes que podem observar sense gaire dificultat, com el fet que en condicions de poca il·luminació hi vegem sense color ni definició, ja que, aleshores, només treballen els bastons. També podem observar que la visió de detall que ens aporten els cons només la tenim en la part central de la retina, ja que és allà on es situen els cons. Finalment, cal afegir que l’ull humà és més sensible a les variacions produïdes a nivell de lluentor, és a dir, informació blanc i negre, que a les variacions de color. Això ens obligarà més endavant a millor “tractar” el senyal referent a la lluentor que els senyals referents al color.

§ [Fernàndez2001] p. 114-15

§ [Torres1993] p. 36-37

2.2.2. Fenòmens visuals En l’apartat anterior hem estudiat el funcionament de l’ull humà a nivell fisiològic que explica, aproximadament, com veiem les coses. Tot i així, hi ha un munt de fenòmens visuals, alguns dels quals resten inexplicables, i que ens ajuden a acabar de veure el funcionament del sistema visual humà.

18

Adaptació en lluentor L'ull es capaç de diferenciar 1010 nivells diferents de lluentor, però de forma simultània només en pot captar uns 50. L’ull adapta el nivell mínim (negre) i el màxim (blanc) en funció de les condicions d’il·luminació de la sala. Aquest procés d’adaptació no és immediat i explica el fet que inicialment ens costi veure-hi dins d’una habitació poc il·luminada i que més tard, en adaptar-se els marges de visió, comencem a veure millor. El fet que només puguem diferenciar 50 nivell de lluentor simultanis ens indica també la precisió en què podrem quantificar el senyal de luminància en un sistema digital. Podem assegurar que si quantifiquem a 128 nivells o 256 (7 o 8 bits) per a l‘ull humà, aquella luminància serà com una funció continua sense discretització.

§ [Torres1993] p. 38-40


Les bandes de Mach Un altre efecte important referent al canvi en la lluentor percebuda en una escena és l’efecte de les bandes de Mach. Aquest efecte visual consisteix a mirar unes barres verticals de luminàncies creixents. Malgrat que la luminància dins de cada barra és constant, dóna la sensació de que les barres tenen una certa degradació de la luminància als laterals. La part esquerra de cada barra, per comparació amb la barra del costat esquerra més fosca, apareix més lluenta i la part dreta, més fosca. Aquest efecte fa pensar que l’ull humà realitza com un filtrat espacial on la informació que recollim de cada punt de la imatge depèn també dels punts veïns; de forma anàloga que quan s’aplica a un senyal un filtre amb grans discontinuïtats, es produeixen fenòmens de sobreoscilació. Aquest fenomen es pot veure a la Figura 7. Bandes de Mach

Figura 7. Bandes de Mach

§ [Torres1993] p. 40-41


19

Emmascarament visual Per emmascarament visual entenem la reducció d’un estímul visual enfront de canvis temporals i espacials. És a dir, tenim menor capacitat de percepció visual quan es produeixen canvis a la imatge. Existeixen dos tipus d’emmascarament visual: el temporal i l’espacial. Emmascarament temporal: en presència de moviments bruscs en la imatge o en l’objecte representat, o en presència de canvis de pla, tenim menor capacitat de discernir els detalls de la imatge. Per exemple, a un atleta no li podem discernir els detalls de la roba quan està corrent ràpidament davant una càmera. Emmascarament temporal: en presència de canvis en el domini espacial de la imatge (un contorn d’un objecte) tenim menor percepció. Això es pot observar, per exemple, en una imatge contaminada per soroll uniforme. Allà on hi hagi els contorns de l’objecte representat (discontinuïtats espacials de la imatge) ens semblarà que hi ha menys sorolls. Això és degut a que la discontinuïtat del contorn ens emmascara el soroll i ens fa semblar que no n’hi hagi tant.

§ [Torres1993] p. 42-43

Freqüència crítica de flícker Suposem que disposem d’un focus d’intensitat intermitent i variem la seva cadència d’intermitència. En anar augmentant la freqüència arriba un moment que veurem que la llum és contínua. Això és degut a que en la retina hi ha una certa persistència visual, on l’impacte lluminós roman durant un cert temps. La freqüència, a partir de la qual això es produeix, és la freqüència crítica de flícker (Fcf). Per freqüències inferiors a la Fcf es produeix el flícker, un fenomen de pampallugueig molt ràpid i molest. No hi ha una única Fcf, ja que el seu valor depèn de diferents factors com la il·luminació, mida de l’objecte, condicions de visió, etc. Per exemple, si la luminància de l’objecte és molt gran la Fcf augmenta, com també ho fa si l’objecte il·luminat té una gran superfície. En general podem dir que la Fcf està al voltant de 40 Hz, és a dir, que cal mostrar més de 40 imatges per segon en una pantalla per tenir un impressió de llum continua. Com hem dit, aquesta freqüència varia davant certs factors. A la figura 1.3.7 a [Torres1993] es veu com augmenta la Fcf en funció de la intensitat lluminosa de la llum.

§ [Torres1993] p. 43-44

Sensació de moviment Definim sensació de moviment el fet que la visualització seqüencial d’imatges ens produeixi la sensació que els objectes de l’escena estan descrivint moviments reals. S’ha pogut comprovar que aquesta il·lusió visual es produeix a partir de 15 imatges per segon.

20

Com s’ha vist anteriorment, per evitar el flícker hem de procurar tenir, més o menys, 40 imatges per segon; i per crear sensació de moviment hem de tenir més de 15 imatges per segon. Per tant, en definir un sistema de televisió caldria que treballés a més de 40 imatges per segon, que assegura complir els dos criteris. En el sistema de TV europeu es fa servir una cadència de 25 imatges per segon, mentre que als Estats Units d’Amèrica utilitzen una cadència de 30 imatges per segon. Com es pot comprovar, aquestes freqüències no compleixen el criteri mencionat anteriorment. Això és possible gràcies a que cada imatge es desglossa en dos camps: un camp conté les línies parell i l’altre camp, les línies senars. Aquests camps es mostren alternativament obtenint, aleshores, 25 imatges per segon * 2 camps/imatge = 50 camps/segon, és a dir, una freqüència d’impactes lluminosos superior a la freqüència crítica de flícker i un nombre d’imatges per segon superior a 15. Al cinema es treballa a 24 fotogrames per segon, i el que es fa és il·luminar cada fotograma dos cops, obtenint 24 fotogrames per segon * 2 il·luminacions/fotograma = 48 il·luminacions/segon i, per tant, una visualització lliure de flícker.

§ [Torres1993] p. 43-44

RESUM En aquesta sessió hem repassat el funcionament del sistema visual humà, tant fisiològicament com a nivell dels fenòmens visuals. Aquesta introducció ens permet entendre la forma com funciona el nostre sistema de visió i ens permetrà, més endavant, definir els sistemes de televisió.

21

SESSIÓ 4: Colorimetria - 1

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Colorimetria - 1 v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:


PRECEDENTS En les sessions anteriors hem estudiat el sistema visual humà. Les seves característiques fonamentals i limitacions que ens ajudaran a definir els sistemes de televisió.

OBJECTIUS L’objectiu de la present sessió és introduir els conceptes relacionats amb el color d’una llum, com podrem reproduir una llum a partir de la combinació d’unes llums primàries.

CONTINGUTS

2.3. Especificació del color. Colorimetria

2.3.1. Especificació del color. Teoria triestímul Ja hem comentat en la sessió anterior, dedicada a l’estudi de la llum, que la informació de color d’una llum venia determinada pel seu matís i la seva saturació. Aquesta informació de matís i saturació de la llum l’anomenem crominància de la llum, en contraposició a la luminància, que ens mesura la lluentor (informació en blanc i negre). Fent un repàs ràpid podem dir que tota llum té una distribució espectral determinada (C(λ)) amb una amplada de banda que podem associar a la saturació de la llum (quantitat de llum blanca) i una longitud d’ona dominant que associem al matís. Vàrem parlar de llums monocromàtiques quan la distribució era una delta (energia acumulada en una sola longitud d’ona), però generalment les llums no són monocromàtiques sinó que responen a una distribució, més o menys “gaussiana”, amb una longitud d’ona dominant (valor mig) i una certa saturació (variància). Vist d’aquesta forma, qualsevol color es podria aconseguir mitjançant la mescla de la llum monocromàtica corresponent (saturat al 100 %) i una certa quantitat de llum blanca.

22

Una propietat interessant de l’ull és que distribucions espectrals diferents poden produir-nos la mateixa sensació visual. En aquest cas direm que aquestes distribucions són metàmers.

Teoria triestímul La teoria triestimul estableix que un color es pot reproduir a partir de la mescla de les quantitats adequades de tres primaris. Com hem vist en la sessió anterior existeixen tres tipus de cèl·lules con: un tipus és sensible a les radiacions vermelles, un altre a les blaves i uns tercers a les verdes. D’aquesta manera, l’ull pot percebre d’altres colors diferents als tres fonamentals. Per exemple, el groc es rep com a tal si s’exciten simultàniament, i a la proporció adequada, els cons sensibles al vermell i al verd. En la figura 1.2.1 a [Torres93] o bé a la pàgina 28 de [Fernàndez2001] podeu trobar les corbes de sensibilitat de cada tipus de cèl·lula con. D’alguna forma l’ull humà treballaria com un banc de filtres on la distribució espectral d’una determinada llum (C(λ)) es filtrada per cada tipus de cel·lular resultant tres quantitats que mesuren la quantitat de vermell, verd i blau de la distribució en qüestió.

§ [Torres93] p. 19-21

§ [Fernàndez2001] p. 27-29

Reproducció del color És possible reproduir o adaptar un color com a mescla de tres llums primàries. Per a tal fet, la Comissió Internacional de la Il·luminació (CIE) va escollir tres colors primaris amb l’objectiu de fixar una normativa universal que permetés reproduir tots els colors espectrals. Aquests primaris anomenats R, G i B, es van escollir de manera que cap d’ells no pogués ser obtingut per barreja d’altres colors, resultant les longituds d’ona següents:

- R: vermell de 700 nm. - G: verd de 546,1 nm. - B: blau de 435,8 nm.

Més tard, quan es desenvolupà la televisió en color, la adaptació del colors s’havia de fer a partir dels fòsfors disponibles per a tubs de raig catòdics que emetien a longituds d’ona diferents de les establertes pel CIE. En la pantalla del televisor, cada píxel es composa de tres punts de fòsfor (R, G i B); el que veiem és la integració dels tres. Això va obligar a utilitzar uns nous primaris per l’ús de la televisió en color. Les seves longituds d’ona són les següents:

- R: Vermell de 610 nm. - G: Verd de 537 nm. - B: Blau de 472 nm.

Una vegada disposem dels primaris, ja podem passar a la part de la reproducció del color que s’efectua mitjançant l’experiment del colorímetre.

23

El colorímetre és l’aparell per aconseguir llums monocromàtiques a partir dels tres colors primaris. El seu funcionament consisteix en ajustar les intensitats de les tres llums primàries fins aconseguir un efecte igual a la llum monocromàtica desitjada amb una energia radiant d’1 W. Les tres quantitats necessàries de cada primari R, G i B reben el nom de valor tricromàtics. A la figura de la pàgina 33 de [Fernàndez2001] es pot observar la configuració del colorímetre, i a la Figura 8. Corbes tricromàtiques per a cada primari les corbes que obtenim, on per cada llum monocromàtica adaptada s’indica la quantitat necessària de cada primari.

Figura 8. Corbes tricromàtiques per a cada primari

Com podeu observar hi ha llums que precisen de quantitats negatives de certs primaris, això vol dir que aquella llum no es pot adaptar amb aquells primaris. A nivell experimental això equival a canviar de costat en la pantalla del colorímetre el primari en qüestió. Els valors tricromàtics obtinguts es normalitzen perquè tinguin àrea 1; així passen a ser els coeficients triestímul.

2.3.2. Coeficients de luminància i crominància Els valors triestímul R, G i B són molt útils per a reproduir un color, però per si mateixos no ens donen informació de la luminància o la crominància d’una llum. És per això que es defineixen els coeficients de luminància i crominància.

Coeficient de luminància Recordem que anteriorment hem definit la luminància com una adaptació a la lluentor a partir de l’equació:

24

∫= λλλ dCVKY )()(

A partir d’aquesta expressió podem posar la luminància en funció del valors triestímul R, G i B ens queda definida com a Y = l * R + m * G + n * B. (Vegeu la explicació a [Torres1993], pàgina 24. Observeu el canvi de nomenclatura utilitzat). Els valors l, m i n dependran del conjunt de primaris utilitzats, segons si són estandarditzats per CIE o bé per a TV color, i representen la luminància de cada primari per poder adaptar un blanc de referència. CIE : l = 0,17, m = 0,81, n = 0,01. TVC: l = 0,3, m = 0,59, n = 0,11. Nosaltres utilitzarem sempre els coeficients definits per a TV color. Cal observar que els tres coeficients sumen 1. En barrejar els tres colors primaris amb la mateixa quantitat de cadascun s’obté el color blanc, això vol dir que en cas d’una llum blanca on R = G = B = k, la Y també valdrà k.


Coeficients de crominància Els coeficients de crominància ens donen la informació sobre el matís i la saturació de forma independent de la luminància de la llum. Per aconseguir aquesta independència el que es fa és normalitzar els coeficients triestímul obtinguts anteriorment obtenint r, g i b.

;;;BGR

BbBGR

GgBGR

Rr++

=++

=++

=

De l’expressió anterior es dedueix que r + g + b = 1. S’ha de recordar que els tres primaris del sistema R G B, (amb longituds d’ones definides al principi d’aquesta secció), obtenen el blanc (W, blanc d’igual energia) quan es barregen en proporcions iguals. Sota aquestes condicions, amb R = G = B, el càlcul dels coeficients tricromàtics porta immediatament a la següent conclusió:

bgBGR

Rr ===++

= 33.0

Ja es coneix que els coeficients tricromàtics compleixen la condició r + g + b = 1. D’aquí es dedueix que conegut dos d’ells, el tercer queda definit inequívocament. Per exemple, b = 1 – r - g. D’aquesta manera, un color pot representar-se en un sistema de coordenades on es relacioni únicament g i r. El tercer coeficient queda definit pels altres dos. En la següent sessió veurem que a partir d’aquests coeficients en podem trobar una relació amb el matís i la saturació del color.


§ [Torres1993] p. 21-24

25

2.3.3. Mescla de llums Abans d’acabar aquesta sessió, aturem-nos un moment a explicar com funciona la mescla de llums. Les característiques que regeixen una mescla de llums han estat recollides en les anomenades lleis de Grassman.

Lleis de Grassman 1. Dues llums són equivalents si produeixen sensacions visuals equivalents. (Recordeu el concepte de les distribucions metàmers). 2. Els valor triestímul d’una llum resultant d’una mescla es poden calcular com la suma dels coeficients triestímuls de cada llum:

C1(R1, G1, B1) + C2(R2, G2, B2) = C3(R1 + R2, G1 + G2, B1 + B2). En una barreja de llums com l’anterior si substituïm alguna llum per la seva equivalent, el resultat no variarà 3. La luminància d’una mescla de llums és la suma de les luminàncies de les llums:

Y (C1) + Y (C2) = Y (C3). 4. La crominància (matís i saturació) d’una barreja de llums no varia si multipliquem o dividim per un mateix factor els components de la barreja. En canvi, a la luminància variarà proporcionalment al factor pel qual haguem multiplicat o dividit. Posem un exemple: Si tenim una llum amb R = 3, G = 4 i B= 5, per tant C(3, 4, 5) i ens demanen calcular la luminància: el primer que farem serà substituir els valors que ens han donat en la formula de coeficients de Y:

Y(C) = 0,3R + 0,59G + 0,11B Y(C) = 0,3*3 + 0,59*4 + 0,11*5 = 3,81.

Si ara ens fan calcular els coeficients de crominància r, g i b:

r = R/(R + G + B)= 3/(3 +4 + 5)= 3/12 g = G/(R + G+ B)= 4/(3 + 4 + 5)= 4/12 b = B/(R + G + B)= 5/(3 + 4 + 5)= 5/12.

Suposem ara que multipliquem per 2 les proporcions de cada primari i que, per tant, C2(6, 8, 10), veurem que la luminànca el duplica, però la crominància resta igual.

Y(C2)=0,3*6 +0,59*8 + 0,11*10 = 2*Y(C) r2 = r, g2 = g i b2 = b.

26

RESUM En aquesta sessió hem estudiat la forma d’especificar un color i, per tant, reproduir-lo a partir d’un conjunt de tres primaris. Això ens ha donat els coeficients triestímul de la llum. A partir d’aquest coeficients hem deduït els coeficients de luminància i de crominància associats a aquesta llum. Finalment, també hem repassat la teoria de la mescla de llums.

27

SESSIÓ 5: Colorimetria - 2

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Colorimetria – 2 v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:


PRECEDENTS En la sessió anterior hem estudiat els conceptes de colorimetria bàsica, coeficients triestímul i coeficients de crominància.

OBJECTIUS L’objectiu d’aquesta sessió és el de completar els coneixements de colorimetria necessaris per a més endavant entendre la televisió en color.

CONTINGUTS

2.3.4. Representació espacial del color Gràcies als coeficients de crominància explicats en la sessió anterior, podrem fer una representació bidimensional de les llums, que ens serà bastant útil a l’hora d’entendre les relacions entre els coeficients de crominància i el matís i la saturació de la llum.

Lloc en l’espectre d’una llum Sabem que els coeficients de crominància r, g i b estan relacionats entre ells per la relació r + g + b = 1. Això vol dir que sempre podrem posar una component en funció de les altres dues i que, per tant, és possible representar qualsevol color dins d’un pla on cada color és un punt d’aquest pla r-g. (Per exemple, com es mostra a la figuraFigura 9. Triangle de cromaticitat r-g). En aquest diagrama, l’origen de coordenades correspondrà al primari blau (r = g = 0, b = 1), el punt (1, 0) al primari vermell (b = g = 0, r= 1) i el punt (0, 1) al primari verd (r = b = 0, g = 1). A la regió que formen aquests tres vèrtexs se l’anomena triangle de cromaticitat on el blanc està al punt (1/3, 1/3), ja que r = g = b = 1/3. Tots els colors que podem reproduir amb els tres primaris estaran confinats dins d’aquest triangle.

28

Figura 9. Triangle de cromaticitat r-g

Si pintéssim un punt per a cada color visible dins aquest espai bidimensional, en resultaria el diagrama de cromaticitat (DdC) que podem observar a la figura 1.2.6 a [Torres1993] o bé a la pàgina 43 de [Fernàndez2001]. Observem que el conjunt de punts descriu una regió similar a una llengua. Aquesta llengua sobrepassa el triangle de cromaticitat. Això vol dir que no tots els colors visibles són reproduïbles amb els tres primaris que disposem i que si en disposéssim d’altres els color reproduïbles serien els del triangle que formarien aquest tres nous punts. Les llums corresponents al perímetre de la línia corba del DdC representa a tots els colors espectrals, és a dir, les llum monocromàtiques. En aquest sentit, la recta inferior de tancament entre el vermell i el blau, anomenada línia de porpres, no forma part d’aquest conjunt. Els púrpures o magentes no són colors espectrals, és a dir, no es poden trobar com a llum monocromàtica i solament es poden obtenir com a barreja del vermell i el blau. Si les llums del perímetre són els monocromàtiques vol dir que allà la saturació és màxima; els punts de l’interior de la corba representen colors obtinguts a partir de mescla de llums amb una longitud d’ona dominat i una saturació determinada. El blanc, situat al (1/3, 1/3) és el punt de mínima saturació. Amb tot això podem dir que si tracem un línia entre qualsevol llum (punt A) i el blanc (punt W) i projectem la recta fins al perímetre de la corba, la llum situada en aquest punt (punt B) serà una llum del mateix matis que A però de saturació màxima. Totes les llums que estiguin situades en el segment que va de W a B passant per A comparteixen el mateix matís, però en canvi van canviant de saturació: a W tenen saturació nul·la i a B del 100 %. Canviant el pendent de la recta i deixant que passi sempre pel blanc anirem obtenint diferent matisos. Numèricament podem dir que el percentatge de saturació de la llum es pot calcular com la següent relació entre distàncies:

100% ____

____

xWB

WAsaturació =

29

Generalment treballarem amb el triangle de cromaticitat i no el diagrama de cromaticitat complert ja que el triangle és el que ens representa els color que nosaltres podrem reproduir, donats els primaris que disposem per fer les mescles.


§ [Torres1993] p. 25-27

Mescla de llums Com hem vist, el triangle de cromaticitat és molt útil per treballar amb les llums i conèixer el seu matís i la seva saturació. La mescla de dues llums també es pot representar en el triangle. Donades dues llums, la llum resultant de la mescla ha d’estar situada en algun punt sobre el segment que les uneix. El punt exacte es pot calcular gràficament fent algunes triangulacions com es pot veure en la figura de la pàgina 49 a [Fernàndez2001]. Un punt a destacar és el de les llums complementàries. Diem que dues llums L1(R1, G1, B1) i L2(R2, G2, B2) són complementàries quan la seva suma dóna la llum blanca. Això vol dir que la seva suma, component a component, dóna el mateix valor: R1 + R2 = K. G1 + G2= K. B1 + B2 = K. En el triangle de cromaticitat això quedarà representat com que les dues llums i la llum blanca estaran alineades formant un angle de 180 º. Finalment, existeix el concepte de gamma de colors. Anomenem gamma de colors al conjunt de colors reproduïbles a partir de tres colors; gràficament al conjunt de punts dins del triangle format pels tres colors.

§ [Fernàndez2001] p. 48-49

2.3.5- Models de color L’objectiu d’un model de color és poder especificar tots els colors d’una gamma determinada, d’una manera pràctica. Els models més populars són l’RGB, per a la reproducció de colors en pantalles, el CMY, per dispositius d’impressió en color.

Model RGB És el model utilitzat per una mescla de llums i el que hem estat utilitzant fins ara en una mescla de llums. Es basa en la barreja additiva dels tres primaris vermell (R), verd (G) i blau (B). La mescla additiva consisteix a sumar les distribucions de cada llum de la mescla per a obtenir la distribució de la mescla resultant. D’aquesta forma la mescla

30

dels tres primaris dóna la llum blanca que consisteix a tenir una distribució uniforme. A més, l’addició dels primaris dos a dos dóna com a resultat els colors complementaris, el cyan, el magenta i el groc:

Ye = R + G ; Mg = R + B ; Cy = B + G. Depenent del matís d’R, G i B que ens proporcionin els fòsfors del nostre monitor, tindrem una gamma de colors diferents.


Model CMY És el model utilitzat en fer mescles de pintures o substàncies de diversos colors. Es basa en el fet que quan nosaltres observem una substància d’un determinat color, és que aquesta determinada substància absorbeix totes les radiacions, excepte la corresponent a aquell color que percebem. Si mesclem dues substàncies de diferents colors, la substància resultant absorbirà les radiacions d’una i de l’altra. En al cas límit, la mescla de tots els colors ens donarà una substància negra. Aquest fenomen és el que es coneix com a mescla substractiva, ja que a nivell de distribucions espectrals el que fem cada cop que mesclem és multiplicar les distribucions espectrals. Els colors complementaris del model RGB (cyan, magenta y groc) actuen ara com a primaris en el model CMY, i el primaris del RGB ara seran els secundaris, ja que la suma dos a dos de cada primari CMY dona un primari RGB.

Ex: Cy + Ye = (W – R) + (W – B) = W – R – B = G. Tant els pintors com els dispositius d’impressió gràfica en color utilitzen aquest model per a crear colors com a barreja dels tres secundaris.


RESUM En aquesta sessió hem acabat de veure els conceptes relacionats amb la colorimetria, principalment el concepte de la representació espacial d’una llum, mescles de llums i models de color.

31

SESSIÓ 6: Principis bàsics de la televisió

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Principis bàsics de la televisió v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:

o Bibliografia bàsica: § [Fernàndez2001]

o Bibliografia complementària: § [Bethencourt1990] § [Torres1993]

PRECEDENTS En les sessions anteriors vàrem estudiar els diferents paràmetres físics de la llum, les característiques del sistema visual humà i la colorimetria.

OBJECTIUS L’objectiu d’aquesta sessió és el d’aprendre els paràmetres fonamentals que defineixen un sistema de televisió. Estudiarem els paràmetres bàsics del senyal de televisió en blanc i negre, que vénen determinats per les característiques del sistema visual humà. Aquests paràmetres es poden resumir en relació d’aspecte, nombre de línies per imatge i sistema entrellaçat.

CONTINGUTS

3. Senyal de vídeo analògic

3.1. Principis bàsics de la televisió

3.1.1. Paràmetres bàsics Tal com hem vist en les sessions anteriors, el sistema visual humà (SVH) presenta una sèrie de limitacions que permet que les imatges de televisió no requereixin una resolució infinita per resultar visualment realistes. Les principals limitacions del SVH són l’angle de visió, la compressió en la transmissió de la informació òptica al cervell, el poder de resolució i la persistència visual a la llum i al moviment. També cal remarcar que solament la visió frontal és en detall.

32

Els paràmetres bàsics del senyal de televisió són:

- la relació d’aspecte. - el nombre de línies per imatge. - l’entrellaçat.

3.1.2. Relació d’aspecte La relació d’aspecte (quocient entre l’amplada i l’alçada de la imatge) sempre és major que 1. ja que l’home disposa de dos ulls sobre un eix horitzontal donant lloc a un angle de visió horitzontal d’ aproximadament 140 º; molt més gran que el vertical. A més a més, la majoria de moviments es realitzen en aquesta direcció. En els sistemes estàndards de televisió, la relació d’aspecte és W/H = 4/3, i en els sistemes moderns i d’alta definició, W/H = 16/9. Les noves tendències són, doncs, d’aconseguir una major immersió de l’espectador en el contingut adaptant la imatge al seu camp de visió i, com veurem més endavant, fent que l’espectador s’acosti més a la pantalla.

3.1.3. Nombre de línies per imatge

Condicions de visió Com veurem, una imatge de televisió es composarà d’un seguit de línies disposades horitzontalment. Cal definir, doncs, el nombre de línies que ens asseguri una sensació d’uniformitat i continuïtat de la imatge. Aquest nombre dependrà del poder de resolució de l’ull i de la distància a què estiguem de la pantalla. El poder de resolució de l’ull humà (capacitat de l’ull humà de distingir dos focus de llum molt propers) és d’un minut de grau (1/60 part d’un grau). Empíricament s’ha trobat que la distància de visió òptima a la pantalla, en els sistemes de resolució estàndard és entre 6 i 10 vegades la seva alçària. En els sistemes d’alta definició, la distància òptima només és 3 vegades l’alçària de la pantalla.

Nombre de línies per imatge Tenint en compte el poder de resolució de l’ull humà, podem relacionar la distància entre l’espectador i el monitor, d, i l’alçària de cadascuna de les línies, h. En la Figura 10. Distància de visió d’una pantallaes pot observar la relació de distàncies.

33

Figura 10. Distància de visió d’una pantalla

On el triangle rectangle format pels catets h i d han de formar, com a molt, un angle de 1’.:

18060'1'1

⋅

Π⋅=⋅≈⋅= ddtgdh

Aquesta aproximació es pot realitzar, ja que per angles molt petits es pot aproximar la tangent pel valor de l’angle. Si H és l’alçària del monitor, el nombre de línies, N, serà:

18060 ⋅Π

⋅=≥d

HhHN

Si prenen el cas més crític, on la distància entre l’observador i la pantalla és d = 6H:

9.5721800

180606

=Π

=

⋅

Π⋅

≥H

HN

En el sistema PAL s’ha pres 575 línies actives. El nombre de línies per imatge ha de ser senar per tal de simplificar l’entrellaçat. Vegeu les figures de la pàgina 63 de [Fernàndez2001]. Més endavant veurem que caldrà afegir unes línies per tal de sincronitzar les imatges, augmentant el nombre total a 625 línies/imatge. D’aquí surt una freqüència de línia o horitzontal, com el nombre de línies per segon a mostrar Fh = N Fi = 625 línies/imatge x 25 imatges/s = 15625 línies/s (Hz) i un període o temps de línia de Th = 1/Fh = 64 µs. En el sistema americà, el nombre total de línies és de 575 línies/imatge.

§ [Fernàndez2001] p. 63-65

3.1.4. L’entrellaçat

34

L’entrellaçat En els sistemes PAL i SECAM es disposa de 25 imatges per segon, i en el sistema NTSC, de 30 imatges per segon. En ambdós sistemes, es compleix el criteri de moviment, ja que disposem de més de 15 imatges/segon. En disposar de menys de 40 imatges/segon detectem flícker, fluctuació de la llum. Per solucionar-ho, subdividim la imatge en dos camps que mostrarem seqüencialment, cadascun format per la meitat de les línies, com es mostra a la Figura 11. Sistema entrellaçat

Figura 11. Sistema entrellaçat

D’aquesta manera no detectem fluctuacions de llum, ja que tenim 50 impactes lluminosos/segon (60 en el cas americà) que està per sobre de la freqüència crítica de flícker, però no augmentem la informació a transmetre, mantenint l’ample de banda. L’oposat del sistema entrellaçat és un sistema progressiu, on no es desglossen les imatges en camps. En haver un nombre senar de línies (625), obtenim dos camps de 312,5 línies cadascun, fet que facilita la presentació del senyal entrellaçat.


Sistema d’exploració Les línies es pinten d’esquerra a dreta, i de dalt a baix. Aquesta exploració és producte de la conjunció de dos moviments periòdics: un d’horitzontal, d’esquerra a dreta, amb un període de 64 µs, i un de vertical amb un període de 20 ms (durada d’un camp). El fet que hi hagi dos moviments simultanis, un en cada direcció, fa que les línies no siguin perfectament horitzontals, sinó que estiguin lleugerament inclinades perquè mentre el feix escombra d’esquerra a dreta, també es va desplaçant de dalt a baix. En acabar de pintar una línia, cal retornar ràpidament a l’esquerra (temps de retorn horitzontal o flyback).

35

Una vegada pintat un camp, cal retornar a dalt per començar el següent camp (temps de retorn vertical). Durant aquest temps se segueix produint la deflexió horitzontal. El temps de retorn resultant en els dos camps és idèntic. L’inici de l’exploració de cada camp té la mateixa posició horitzontal, tenint el marge dinàmic pels dos camps. Aquest aspecte simplifica la circuiteria electrònica. En la Figura 12. Exemple d’imatge entrellaçada amb 7 línies totals, 5 d’actives (2,5 per a cada camp) i 2 de no actives (1 per camp)es mostra un exemple d’exploració d’un sistema entrellaçat de només 7 línies totals.

Figura 12. Exemple d’imatge entrellaçada amb 7 línies totals, 5 d’actives (2,5 per a cada

camp) i 2 de no actives (1 per camp)

RESUM En aquesta sessió hem vist els paràmetres principals del sistema de televisió com són la relació d’aspecte, el nombre de línies per imatge i el sistema d’exploració entrellaçat.

36

37

SESSIÓ 7: Senyal de TV B/N

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Senyal de TV B/N v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 3 hores v Treball a lliurar: no v Material:


o Bibliografia complementària: § [Kuhn1995]

PRECEDENTS En la sessió anterior hem vist els fonaments bàsics que determinen un sistema de televisió. S’han revisat paràmetres bàsics com la relació d’aspecte o el nombre de línies per imatge i nombre d’imatges per segon necessàries per tal de fer un sistema de TV, que des del punt de vista del sistema visual humà sigui atractiu i realista. En la sessió anterior hem vist també les bases del sistema entrellaçat i el sistema d’exploració de la imatge.

OBJECTIUS En aquesta sessió veurem en què consisteix el senyal de TV en blanc i negre (B/N). Estudiarem el senyal, tant a nivell de luminància (amplitud) com a nivell temporal, fent especial èmfasi als sincronismes. Finalment, també estudiarem l’ample de banda teòric del senyal de TV B/N i els conceptes relacionats amb el detall observable de la imatge (resolució).

CONTINGUTS Bàsicament, en aquesta sessió explicarem el senyal de televisió B/N, el sistema de sincronització, l’ample de banda teòric del senyal de TV i la resolució del senyal.

3.2. Senyal TV B/N

3.2.1. Estructura del senyal de vídeo El senyal de televisió B/N consisteix en la transmissió seqüencial línia a línia de la informació de luminància corresponent a la imatge, seguint el sistema entrellaçat; és a dir, fent la divisió d’una imatge en dos camps amb la meitat de línies cadascun i la transmissió seqüencial de cada camp. El senyal haurà de transportar la informació de luminància i també de sincronismes per tal que el receptor pugui reproduir la imatge en

38

pantalla correctament. Com ja s’ha comentat en sessions anteriors la durada de cada línia en el sistema europeu és de 64 µs, i que cada camp en tenir 312,5 línies té una durada de 20 ms.

L’amplitud del senyal de televisió El senyal de TV B/N acostuma a tenir una amplitud de 1 Vpp de tensió. Aquest volt de tensió es divideix en dues parts, la part corresponent a informació de luminància i la part corresponent a sincronisme. Generalment, prenent 0 Volts com a nivell de mínima luminància (nivell de negre), el nivell de màxima luminància (nivell de blanc) és de 0,7 Volts. Els nivells intermedis entre 0 i 0,7 Volts correspondran a diferents nivells de gris. Els sincronismes tenen reservats amplituds entre 0 i –0,3 Volts. El receptor de TV haurà de mostrar per pantalla tota la informació que estigui per sobre els 0 Volts, també anomenat nivell de Blanking, mentre que tot el que resti per sota d’aquest nivell no s’haurà de visualitzar. Vegeu la Figura 13. Línia d’un senyal de televisió en B/N

Figura 13. Línia d’un senyal de televisió en B/N

Informació de sincronismes Els sincronismes són imprescindibles per a una correcta representació de les imatges en la pantalla de televisió. Són necessaris dos tipus de sincronisme: l’horitzontal, que ens indica el final de línia i que obliga al sistema d’exploració a canviar de línia, i el vertical, que està situat al final de cada camp i que indica que el sistema d’exploració o ràster ha de situar-se a la seva posició original vertical. Els sincronismes pròpiament són polsos de –0,3 V d’amplitud, i la única forma de diferenciar un sincronisme horitzontal d’un de vertical és per la diferent durada que tenen. Els sincronismes estan proveïts d’un pòrtic anterior de protecció i d’un pòrtic posterior per deixar que el ràster efectuï el canvi de posició (retorn cap a l’esquerra o bé cap a dalt, segons el cas). Durant el temps total de pòrtic anterior + sincronisme + pòrtic posterior no s’ha de mostrar informació, per això a tot aquest interval se l’anomena interval d’esborrat, horitzontal o vertical, segons el cas. L’interval d’esborrat horitzontal té una durada total de 12 µs, la qual cosa farà que cada línia de 64 µs quedi dividida en dues parts: una part activa amb informació de vídeo de 52 µs i una per esborrat horitzontal de 12 µs. En la Figura 14. Interval d’esborrat horitzontal.

39

Figura 14. Interval d’esborrat horitzontal

L’interval d’esborrat vertical té una durada de 160 ms i es situa al final de cada camp; aquest temps és l’equivalent a 25 línies (160 ms/64 µs). Això implica que de les 625 línies per imatge que teníem, 50 línies són utilitzades pels dos esborrats verticals que hi ha en una imatge i que, per tant, el nombre de línies actives a cada imatge són 575. La Figura 15. Interval d'esborrat vertical.

Figura 15. Interval d'esborrat vertical

§ [Fernàndez2001] p. 70-75

§ [Torres1993] p. 56

Esborrat vertical. Polsos de preigualació i postigualació Degut al fet que l’interval d’esborrat vertical és d’una durada superior a una línia (exactament dura 25 línies) caldrà que durant l’interval vertical hi continuïn apareixent impulsos de sincronisme horitzontal. Així doncs, l’esborrat vertical (incloent l’impuls de sincronisme vertical) es veurà asserrat per impulsos de sincronisme horitzontal. Aquesta barreja d’impulsos de sincronisme durant l’esborrat vertical suposa alguns problemes al detector de sincronismes. Els detectors de sincronismes ja es veuran més endavant, però per entendre la problemàtica direm que el sincronisme vertical es detecta mitjançant un integrador de senyal. Si la integració de l’àrea de l’impuls de

40

sincronisme és superior a un cert llindar, es determinarà l’arribada d’un sincronisme vertical. La problemàtica existeix perquè en un camp i en l’altre la corba d’integració no és idèntica per la presencia del sincronismes horitzontals barrejats amb el vertical, provocant una detecció del sincronisme vertical a instants diferents en cada camp. Això obliga a asserrar l’esborrat vertical amb uns polsos de sincronisme horitzontal a una freqüència doble de la de línia, concretament durant 2,5 línies abans (pre-igualació), durant i 2,5 línies després (postigualació) de l‘impuls de sincronisme vertical, donant lloc a una detecció idèntica del sincronisme vertical en cada camp.


§ [Torres1993] p. 57-59

3.2.2. Ample de banda teòric de senyal de TV Un cop hem estudiat l’estructura temporal del senyal de televisió, passem a fer un estudi freqüencial del mateix. En una primera etapa farem un càlcul aproximat i teòric de la freqüència màxima (ample de banda) que hauria de tenir el senyal de TV.

Hipòtesis del càlcul Per començar a fer aquest càlcul teòric de l’ample de banda, reduirem el problema a calcular la freqüència màxima que podrà prendre el senyal, atés que la freqüència mínima la suposarem nul·la. També suposarem que per aquest càlcul no tenim en compte els esborrats horitzontals o verticals, és a dir, tota la informació és activa. Per acabar, suposarem que la màxima freqüència representable en una imatge serà la mateixa en direcció vertical i en horitzontal.

Càlcul de la freqüència màxima Donades les hipòtesis de l’apartat anterior, la freqüència màxima serà aquella freqüència on es representi una màxima variació temporal de la imatge horitzontalment. Per tant haurem de definir un mínim element d’imatge representable (píxel). La freqüència màxima serà aquella que ens ofereixi un píxel negre i un de blanc, alternativament.

Figura 16. Imatge de máxima freqüència representable amb píxels quadrats

41

Si considerem que al llarg d’una línia hi haurà NxW/H píxels i la línia dura Th, la freqüència màxima representable serà aquella que tingui un període dues vegades Th/(NxW/H):

HWxNFh

HNxWThTf

2)//(21

min1

max ===

Tenint en compte que la Fh = N Fi obtenim l’expressió final de la freqüència màxima:

ifHWNf ⋅=

2

2

max

Com es pot observar, substituint pels valors N = 625, fi = 25 imatges/s i W/H = 4/3, la freqüència màxima teòrica pel sistema europeu seria d’uns 6,5 MHz; a la realitat, aquest valor es limita a 5 MHz.

§ [Fernàndez2001] p. 67-68

3.2.3. Resolució vertical i horitzontal La resolució és un paràmetre íntimament relacionat amb la qualitat de la imatge. Denota el mínim detall observable en una imatge. Cal tenir en compte que la resolució és un paràmetre que tracta del detall observable, és a dir, que ha de tenir en compte el comportament del sistema visual humà. Per simplificar el problema del càlcul de la resolució, ens limitarem a fer-ho només en dues direccions, l’horitzontal i la vertical.

Paràmetres pel càlcul de la resolució Abans de calcular els valors de resolució, ens cal calcular alguns altres factors. En l’apartat anterior hem vist la freqüència màxima del senyal com una aproximació, en el cas que la imatge estès dividida en píxels quadrats. Això ens donava una freqüència màxima teòrica. Ja hem vist que generalment el senyal es limita a una freqüència menor. Això farà que el nombre de píxels disminueixi. Si prenem la fórmula de la freqüència màxima i la utilitzem per a extreure'n el nombre de píxels per imatge (NxNxW/H) trobem la següent expressió:

iii f

fPixPixfWWNff max2

max2

Im/Im/21

21

=⇒⋅=⋅=

Per fer el càlcul encara més real caldria que tinguéssim en compte els temps d’esborrat vertical i horitzontal que ens fan perdre línies i píxels actius. En la Figura 17. Part activa d’una imatges’il·lustra esquemàticament.

42

Figura 17. Part activa d’una imatge

Caldrà, doncs, calcular uns factors de quantitat d’informació activa en cada direcció de la forma següent:

6452;

625575

== HV ρρ

on 575 son les línies actives/imatge respecte les totals i 52 són els microsegons actius/línia respecte els totals d’una línia. Afegint aquests factors correctors, el nombre total de píxels actius/imatge seran:

HViffimatgeactiusPix ρρmax2

/ =

Substituint els valors del sistema europeu a la formula ens surt que els píxels actius per imatge són uns 300.000.

§ [Fernàndez2001] p. 77-80

Resolució horitzontal La resolució horitzontal està referida a la quantitat de punts o píxels que podem observar al llarg d’una línia. Amb el càlcul de l’apartat anterior aquest valor es pot obtenir fàcilment dividint els píxels actius/imatge pel nombre de línies actives.

ampladaunitatpíxelsimatgeactiusPixlinPix /520575// ==

Atés que la pantalla és més ampla que alta, per tal de comparar de manera equitativa les resolucions H i V hem de ponderar la primera per la relació d’aspecte. És a dir, calculem els píxels que tindrem en horitzontal dins d’una distància equivalent a l’alçària del televisor:

alçadaunitatpíxelslinPixsH /39052043/

43Re =⋅==

43

Cal mencionar que aquest valor de la resolució horitzontal està directament relacionat amb l’amplada de banda que li deixem al senyal de vídeo. Com més gran sigui l’ample de banda, major són les variacions possibles del senyal dins d'una línia i, per tant, la capacitat de representar petits detalls de la imatge. Una regla pràctica és recordar que cada MHz afegit al senyal aporta nus 80 píxels de resolució (5 MHz ≅ 400 píxels).

§ [Fernàndez2001] p 82-83

Resolució vertical. El factor de Kell La resolució vertical té una relació directa amb el nombre de línies actives en una imatge. Malgrat tot, en tractar-se d’un paràmetre perceptual, no podem dir que totes les línies actives siguin directament observables pel sistema visual humà; només un percentatge de les línies ho són. Aquest percentatge és l’anomenat factor de Kell i quantifica els errors que pot tenir el sistema d’exploració en representar les línies i la pèrdua de detall observable en un sistema entrellaçat respecte a un de progressiu. Podem expressar la resolució en línies/píxels/punts/cicles per cm/m/alçària/polzades del televisor. Així doncs, a la pràctica, de les 575 línies teòricament visibles, només se n’aprecia una fracció determinada pel factor de Kell.

KellNs activesv =Re Per Kell = 0,7, la resolució vertical és 575 x 0,7 = 400 línies/alçària de televisor (línies que realment es veuen). A diferència de la resolució horitzontal, la resolució vertical és independent de la fmax.

§ [Fernàndez2001], p. 81-82

RESUM En aquesta sessió hem vist l’estructura general del senyal de vídeo, tant a nivell d’amplitud com temporal. També hem estudiat l’ample de banda del senyal i el concepte de resolució.

44

45

SESSIÓ 8: Transformada del senyal B/N

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Transformada del senyal B/N v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 3 hores v Treball a lliurar: no v Material:


o Bibliografia complementària: § [Kuhn1995]

PRECEDENTS Fins ara hem vist els paràmetres bàsics de la televisió i l’estructura del senyal de TV B/N. En la sessió anterior hem vist en què consisteix el senyal de TV en blanc i negre (B/N). S’ha estudiat el senyal, tant a nivell de luminància (amplitud) com a nivell temporal, fent especial èmfasi als sincronismes. Finalment, s’han vist els conceptes d’ample de banda teòric del senyal de TV B/N i els conceptes relacionats amb el detall observable de la imatge (resolució).

OBJECTIUS En aquesta sessió veurem en què consisteix la transformada del senyal de TV en B/N

CONTINGUTS

3.2.4. Transformada del senyal de TV En l’apartat 3.2.2 hem vist l’ample de banda teòric del senyal de TV que a la pràctica en el sistema europeu es limitava a 5 MHz. Del que es tracta ara és de veure amb detall la forma de l’espectre del senyal de TV B/N. Per fer-ho haurem d’utilitzar la transformada de Fourier d’un senyal bidimensional i passar-ho a una dimensió.

Transformada del senyal bi-dimensional Un sistema de televisió consisteix en la transmissió seqüencial d’imatges que varien en el temps. Les imatges en B/N es poden veure com funcions que depenen de dues dimensions espacials (x i y) que representen la luminància d’una escena. El senyal de

46

TV el que fa és explorar unidimensionalment aquestes imatges obtenint finalment un senyal d’una dimensió. Per trobar l’expressió matemàtica de la transformada del senyal de TV haurem, doncs, de partir de la transformada de les imatges com a funcions bidimensionals. Per començar, i per simplificar el problema, considerarem que les imatges són estàtiques i que el fet que siguin explorades d’esquerra a dreta i de dalt a baix es com si tinguéssim un senyal bidimensional periòdic de duració infinita. (Vegeu Figura 18. Exploració d’una imatge mitjançant l’extensió periòdica del senyal bidimensional.

Figura 18. Exploració d’una imatge mitjançant l’extensió periòdica del senyal

bidimensional. Un senyal bidimensional periòdic es pot expressar com un desenvolupament en sèrie de Fourier bidimensional, com el que s’indica a la fórmula següent: on i W i H són els períodes fonamentals en cadascuna de les dimensions espacials. Si efectuem el canvi de variable de x = Vx·t on Vx és la velocitat d’exploració en x i t és el temps, aleshores el període W = Vx·Th on Th és el període de línia, dividint les expressions de x i W trobem la relació on x/W = t/Th = t·Fh, efectuant el canvi equivalent en l’eix vertical arribem a l’expressió en una sola dimensió temporal següent:

∑ ∑∞

−∞=

∞

−∞=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+

=m n

Hny

Wmxj

mneCYXfπ2

),(

∫ ∫⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+−

=H V H

nyWmxj

mn dxdyeyxfWH

C0 0

2),(1 π

( )∑ ∑∞

−∞=

∞

−∞=

+=m n

tnfmfjmn

vheCtf π2)(

47

§ [Fernàndez2001] p. 86-88

§ [Torres1993] p. 83-85

Forma de l’espectre del senyal B/N Acabem de veure l’expressió tancada del senyal de televisió en B/N. La seva representació gràfica ens serà molt útil per a entendre conceptes que vindran més endavant en el curs. De la expressió matemàtica deduïda a l’apartat anterior observem que es tracta d’un senyal doblement periòdic amb harmònics a múltiples de la freqüència horitzontal nFh, a partir dels quals hi haurà harmònics desplaçats mFv. A la Figura 19. Espectre del senyal B/Npodem observar l’acumulació d’energia a múltiples de Fh i com l’energia decreix a mida que augmenta la freqüència. L’espectre anirà decreixent fins a arribar als 5 MHz, on el senyal quedarà filtrat.

Figura 19. Espectre del senyal B/N

Observem, doncs, que l’espectre presenta uns espais buits, on la freqüència central compleix la característica de ser un múltiple senar de la meitat de la freqüència de línia. Aquests espais buits s’anomenen espais de Gray i ens serviran més endavant per inserir la informació del color.


§ [Torres1993] p. 85

3.2.5. Senyal d’àudio El senyal d’àudio monofònic de televisió en el sistema europeu s’envia modulat en freqüència a una portadora de 5,5 MHz per tal d’evitar que hi hagi solapament freqüencial amb el senyal de vídeo que arriba fins a 5 MHz. El senyal d’àudio queda, doncs, sempre 5,5 MHz més amunt de la portadora de vídeo i s’utilitza modulació en freqüència en ser més robusta al soroll i a interferències. La freqüència de desviació és de +/-50 KHz.

48

RESUM En aquesta sessió hem repassat el concepte de l’espectre del senyal de vídeo en blanc i negre i la seva transmissió en banda lateral vestigial. També hem vist la correcció en gamma, un concepte que més endavant ens produirà algun efecte no desitjat.

49

SESSIÓ 9: Característiques d’un sistema de TV color

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Característiques d’un sistema de TV color v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:


o Bibliografia complementària: § [Bethencourt1990]

PRECEDENTS En les sessions anteriors hem estat estudiant les característiques del sistema visual humà i el senyal de televisió en blanc i negre.

OBJECTIUS En aquesta sessió estudiarem les característiques generals del senyal en color, quins requisits ha de complir i com s’envia la informació de color.

CONTINGUTS

3.3. Senyal de vídeo color

3.3.1. Fonaments del senyal color Els requisits que han de complir els sistemes de televisió en color van encaminats a mantenir la compatibilitat amb els sistemes de televisió que els precedeixen. Cal fer possible la recepció del senyal en color, en els receptors antics, en blanc i negre. Això implica que els sistemes en color han de transmetre la mateixa informació i en el mateix format que ho feien en el senyal en blanc i negre. La informació de color ha de ser transparent en els receptors en blanc i negre, respectant l’assignació i distribució dels canals, mantenint l’ample de banda del senyal de vídeo a 5 MHz. La Figura 20. Relació de compatibilitats entre TV B/N i color

50

Figura 20. Relació de compatibilitats entre TV B/N i color

§ [Fernàndez2001] p. 107-109

Components del color Tal com es va veure en les sessions dedicades a la colorimetria, gairebé qualsevol color es pot representar com una combinació lineal de llums primaries. Existeixen, doncs, diferents possibilitats per enviar la informació de color. Es podrien enviar els tres primaris (R, G i B). Aquesta opció, però, no compleix amb el primer criteri de compatibilitat, ja que no s’envia la informació de luminància que permet visualitzar el senyal de vídeo en els monitors en blanc i negre. També podríem enviar la informació de luminància conjuntament amb dos primaris, o bé la luminància amb dos senyals diferència (R-Y, B-Y o G-Y). Aquestes dues opcions són vàlides. Es va optar per la segona opció, ja que en imatges en blanc i negre, els senyals diferència s’anul·len, desapareixent el cross-color en els receptors en blanc i negre, la interferència del senyal de color en el senyal de luminància. Dels tres senyals diferència, es va descartar el senyal G-Y ja que presenta amplituds menors que els altres senyals i per tant, és més vulnerable al soroll. S’utilitza una matriu resistiva per aconseguir el senyals i recuperar els senyals R, G i B, tal i com es mostra en la Figura 21. Matriu per a l'obtenció de les components Y, R-Y i B-Y

Figura 21. Matriu per a l'obtenció de les components Y, R-Y i B-Y

Per a descodificar les components R, G i B en recepció s’utilitzen dues matrius com les que s’indiquen a la Figura 22. Descodificació de Y, R-Y i B-Y

51

Figura 22. Descodificació de Y, R-Y i B-Y

On la matriu 1 permet obtenir G-Y a partir de R-Y i B-Y, a partir de la següent expressió. (La seva demostració es deixa com a exercici de l’alumne):

§ [Fernàndez2001] p. 110-112

Principi de luminància constant El principi de luminància constant estableix la independència entre els canals de croma i luminància en un sistema de televisió en color. Encara que el senyal de crominància es perdi o es modifiqui per soroll o qualsevol altre motiu, el senyal de luminància ha de mantenir-se immune. En cas que aquest principi no es complís, els receptors B/N no serien capaços de recuperar el senyal de luminància correcta en no poder desmodular el senyal de crominància. A més, la major sensibilitat de l’ull a les variacions de luminància causaria que el soroll al canal de crominància es traduís en variacions de luminància molt més perceptibles per a l’ull humà. Per comprovar que les components Y, R-Y i B-Y compleixen el principi de luminància constant, suposarem que en el senyal de crominància s’hi afegeix un soroll additiu N, com es mostra a la Figura 23. Descodificació de Y, R-Y i B-Y davant la presència de soroll N en el canal de crominància

)(59.011.0)(

59.03.0)( YBYRYG −−−

−=−

52

Figura 23. Descodificació de Y, R-Y i B-Y davant la presència de soroll N en el canal de

crominància La sortida del senyal G-Y es veu afectada pel soroll N de la següent forma: Si calculem la luminància resultant de les components entregades a la pantalla: Comprovem que la luminància representada és la mateixa que la luminància transmesa. Veiem, doncs, que el sistema de codificació amb components diferència compleix el principi de luminància constant.

§ [Fernàndez2001] p. 113-114

Correcció en gamma en televisió en color Recordant la secció 3.3.2 del curs on s’explicava en concepte de correcció en gamma, en un sistema de TV color aquesta correcció s’ha de mantenir per cadascuna de les components R, G i B. Això fa que mantenir la compatibilitat amb la correcció en gamma efectuada en un sistema B/N sigui una mica complexa.

Sistema compatible Podeu observar el diagrama de blocs d’un esquema compatible en la Figura 24. Esquema de transmissor i receptors en un sistema compatibleCom indica el seu nom aquesta seria la millor forma de mantenir una correcció en gamma compatible en sistema B/N i color.

NYGYNBYNRYG rec 59.041.0)(

59.011.0)(

59.03.0)( −−=−+−−+

−=−

YNBNGONRYrep =++−++= )(11.0)59.041.0(59.)(3.0

53

Figura 24. Esquema de transmissor i receptors en un sistema compatible

En els monitors en B/N la luminància representada és la correcta i és un sistema completament transparent respecte el senyal de color. En els monitors en color es recuperen els primaris transmesos i per tant, és el receptor ideal, però no és implementable per tenir 4 blocs no lineals, esdevenint un receptor complicat i car.


Sistema quasi compatible En la Figura 25. Esquema de transmissor i receptors en un sistema quasi compatible podeu observar un sistema quasi compatible. El sistema es basa en corregir en gamma a partir del primaris, això fa que la luminància que es transmeti no sigui exactament la mateixa que tindríem en un sistema B/N. La denotem com a Yq’ per diferenciar-la de la Y’ que obtindríem en un sistema compatible.

Figura 25. Esquema de transmissor i receptors en un sistema quasi compatible

54

En aquest cas, en els monitors en blanc i negre, la luminància representada no és exactament la luminància correcta, perdent la total compatibilitat i violant el principi de luminància constant. Com es pot observar a continuació: En emissions en B/N se segueix mantenint la compatibilitat que es perd en les emissions en color. El pitjor cas es dóna pel blau 100 % saturat. En aquest cas, es perd un 12 % de la luminància original. A la pràctica això resulta menyspreable, ja que els colors altament saturats només s’emeten en un 1 % del temps. En els monitors en color se segueix recuperant els primaris transmesos correctament. En sistemes on hi ha una correcció en gamma es viola el principi de luminància constant, ja que part de la informació de luminància viatja pel canal de crominància (la Y que hi ha a les components (B-Y) i (R-Y)). Si hi ha soroll al canal de croma, la luminància es veurà afectada. L’índex de luminància constant (ILC) permet quantificar la dependència entre els canals de croma i luminància. Podeu observar com es calcula aquest índex en la pàgina 124 de [Fernàndez2001]. Bàsicament es tracta de veure de la luminància representada (Yrep) en un monitor color, quina es la part que ha “viatjat” en el canal de luminància (Yl) i quina és la que ha viatjat en el de crominància (Ycr) El ILC es calcula com ILC = Yl/(Yl + Ycr) = Yl/Yrep. Com més gran sigui el ILC, o sigui la proporció Yl/Yrep, menys susceptible serà el sistema a violar el principi de luminància constant. De nou el pitjor cas és el blau saturat. En el cas d’una llum B/N, Ycr = 0, ja que les components de color s’anul·len i en aquest cas el ILC = 100 % i no hi ha risc de violació del principi de luminància constant.

§ [Fernàndez2001] p. 116-124

El senyal de crominància Per mantenir la compatibilitat, la informació de crominància ha d’anar inserida dins del canal de televisió. El senyal de croma es modula amb una subportadora per traslladar el seu espectre a la zona de mínima interferència amb l’espectre de luminància. S’utilitzen els espais de Gray de la zona d’alta freqüència de l’espectre de luminància. L’elecció de la subportadora depèn de cada sistema. Ja que la sensibilitat a la llum dels cons és inferior a la dels bastons, es limita l’ample de banda del senyal de crominància a 1,3-1,5 MHz segon el sistema. Els dos senyals diferència es modulen en quadratura, a la mateixa freqüència i amb 90 º de desfasament, fent que la interferència entre R-Y i B-Y sigui nul·la.

YNBNGONRYrep ≠++−++= γγγ )'(11.0)59.041.0'(59.)'(3.0

55

Figura 26. Modulació en quadratura de les components B-Y i R-Y

En modular en quadratura obtenim un vector de crominància, la fase del qual ens indica el matís, el mòdul i la saturació.

Figura 27. Vector de crominància

Un cop generat el senyal de crominància, aquest senyal es suma al senyal de Y ja existent del sistema B/N. Aquesta composició de senyals (d’aquí ve el nom de senyal de vídeo compost) fa que el marge dinàmic del senyal compost sobrepassi els límits previstos. Per tal d’evitar una sobremodulació, els senyals diferència es ponderen, evitant que sobrepassin en més d’un 33 % els nivells de blanc i negre. Els senyals ponderats reben el nom de senyals U i V i es calculen de la següent forma:

U = 0,493 (B-Y); V = 0,877 (R-Y).

§ [Fernàndez2001] p. 125-131

YBYR

YBYRCr

BGRY

Cr −

−=

−+−=

++=

−1

22

tan

)()(||

11.059.03.0

ϕ

56

RESUM En aquesta sessió hem repassat la problemàtica d’inserir el senyal de crominància dins del senyal de televisió B/N, tot mantenint la compatibilitat dels sistemes B/N.

57

SESSIÓ 10: El senyal de vídeo color

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: El sistema de TV color NTSC v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:



PRECEDENTS En la sessió anterior varem estudiar les característiques generals dels sistemes de televisió en color, quins requisits havien de seguir i com es podia enviar la informació de crominància.

OBJECTIUS En aquesta sessió estudiarem el sistema NTSC, les seves característiques generals i com es codifica el senyal de color.

CONTINGUTS

3.3.2. Senyal de vídeo color NTSC El sistema americà NTSC (National Television System Committee) va ser el primer sistema de televisió en color. És compatible amb el sistema en B/N americà de 525 línies i 60 camps/s. En el sistema en color, calgué modificar lleugerament la freqüència de camp a 59,94 camps/s per tal de minimitzar les interferències produïdes per la intermodulació entre les subportadores de color i so sobre la luminància. L’ample de banda del canal està limitat a 6 MHz, i la luminància, a 4,2 MHz. S’envia luminància i els senyals diferència de color, modulades en quadratura. Podeu veure una explicació detallada del sistema NTSC a [Torres1993], pàgines 120-129 i algunes explicacions a [Fernàndez2001], pàgines 132-153.

58

Senyals I i Q L’ull no és igualment sensible a les diferències de color en totes les zones del diagrama de cromaticitat. Per aquesta raó en el sistema NTSC no s’envien els senyals diferència (R-Y) i (B-Y) directament, sinó que s’envien uns senyals que representen la croma en funció dels eixos de màxima i mínima sensibilitat a les variacions de color. En la pàgina 141 de [Fernàndez2001] podeu observar les el·lipses de McAdam, definides com les regions de l’espai de color, dins de les quals els colors són indistingibles. Un color adjacent a una el·lipse per la part de fora és tot just distingible (JND) respecte el color al centre de l’el·lipse. El sistema NTSC defineix dos eixos segons la màxima i mínima resolució de l’ull respecte del color. L’eix de màxima resolució és I (in phase) i el de mínima, l’eix Q (quadrature), que es modulen amb amples de banda diferents en funció de la resolució del color. Pel senyal I, on tenim major sensibilitat, tenim un ample de banda de 1,5 MHz, i pel senyal Q, de 0,5 MHz. Per convertir els senyals R-Y i B-Y en I i Q, cal realitzar una rotació dels eixos de 33 º. En la Figura 28. Espectre del senyal de vídeo NTSC podeu observar l’espectre del senyal de vídeo NTSC. Per tal de no superar l’ample de banda del senyal de luminància, la banda lateral superior de I s’atenua, utilitzant una modulació en banda lateral vestigial, amb una banda lateral inferior completa. El senyal Q s’envia en doble banda lateral.

Figura 28. Espectre del senyal de vídeo NTSC

Ja que els senyals Y, I i Q disposen de diferent ample de banda, davant d’una variació brusca (contorn), el senyal amb major ample de banda tindrà un temps de pujada menor, provocant un retard dels senyals I i Q. Per tal de minimitzar aquest problema, cal retardar la luminància.

§ [Fernàndez2001] p. 149-145

Patró d’interferència

59

Definim el patró d’interferència com la imatge que il·lustra la interferència que ens provocarà la crominància sobre de la luminància. En els semiperiodes positius de la crominància aquesta interferència afectarà en un augment de la llluentor, mentre que en els semiperiodes negatius serà a l’inrevés. Podeu veure els criteris per a seleccionar la subportadora de color en la pàgina 134 de [Fernàndez2001]. Seguint aquests criteris, en NTSC es va prendre una freqüència de portadora de 3,583125 MHz, que més endavant es va modificar molt lleugerament. Tenint una freqüència de subportadora múltiple senar de la freqüència de línia, obtenim un patró d’interferència fàcilment integrable per a l’ull. Podeu observar els patrons d’interferència en les pàgines 136 i 137 de [Fernàndez2001] Aquesta freqüència de la subportadora de color, però, presenta un problema, ja que els batuts (intermodulacions) entre les portadores d’àudio i croma creen interferències d’alta visibilitat en la luminància. Observeu la pàgina 138 de [Fernàndez2001]. Per tal de no perdre la compatibilitat amb els sistemes existents, la freqüència de portadora de so no es pot modificar, per la qual cosa, es va optar per modificar la freqüència de subportadora de color. Es força que els batuts siguin a una freqüència múltiple senar de la freqüència de línia, concretament 117 * fH, fent que la freqüència de so sigui 572 * fH. D’aquí obtenim que les línies són una mica més llargues que en el sistema monocrom ja que la fH ara és de 15734,26 Hz. Podeu veure el desenvolupament matemàtic en la pàgina 139 de [Fernàndez2001].

§ [Fernàndez2001] p. 134-139

Sincronisme de color Consisteix en una ràfega de subportadora de color que es transmet en el pòrtic posterior i permet sincronitzar l’oscil·lador local de subportadora de color. El senyal de burst consta de 10-12 cicles de subportadora de color inserits al pòrtic posterior de l‘esborrat horitzontal, i permet la sincronització en fase de l’oscil·lador local del receptor.


Codificador NTSC Podeu trobar una explicació i diagrama del sistema NTSC a [Torres1993], pàgina 125. Bàsicament consisteix en un modulador en quadratura dels senyals I i Q que es suma al senyal de luminància. Per tal de poder recuperar la portadora de color amb la fase correcta, s’envia el senyal de burst al pòrtic posterior del sincronisme horitzontal.

60

§ [Torres1993] p. 125

RESUM En aquesta sessió hem estudiat els fonaments del sistema NTSC, els senyals utilitzats, la freqüència de subportadora i el diagrama de blocs del codificador.

61

SESSIÓ 11: El senyal color PAL

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: El senyal color PAL v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:



PRECEDENTS En la sessió anterior vam estudiar les característiques generals del sistema NTSC.

OBJECTIUS En aquesta sessió estudiarem el principal problema que presenta el sistema NTSC: el crosstalk. També estudiarem el sistema PAL, el codificador i els receptors PAL-S.

CONTINGUTS

Distorsions en el sistema NTSC: el crosstalk i l’error de fase

A causa de la asimetria en l’amplada de banda de la I i la Q (1,5 MHZ i 0,5 MHz, respectivament) en inserir la Cr dins de l’espectre de la Y, la component Q queda modulada en doble banda lateral, mentre la I queda asimètrica, en banda lateral vestigial, com es pot observar en la Figura 29. Espectre del senyal NTSC.

Figura 29. Espectre del senyal NTSC

62

En la representació vectorial dels vectors de crominància, la informació Q és la suma de dos vectors simètrics en l’ample de banda que sumats només tenen component en Q. En estar I modulat en banda lateral vestigial, hi ha components atenuades, perdent la simetria en els vectors i interferint el senyal Q provocant un crosstalk. La component I queda desplaçada i la part projectada sobre l’eix I se suma a Q.

Figura 30. Interferència I sobre Q en el sistema NTSC

Això provoca un canvi de fase del vector de croma, que provoca un canvi en el matís de color. A més a més del crosstalk, el sistema NTSC és molt sensible als errors de fase, ja que una variació de fase fa variar els color. Per això, els televisors NTSC tenen l’ajust hue que permet sincronitzar la fase de l’oscil·lador local amb el de l’emissora.

§ [Fernàndez2001] p. 150-152

3.3.3. Senyal de vídeo color PAL El sistema PAL (Phase Alternating Line) és una varietat del sistema NTSC americà, desenvolupat pel Dr. Walter Bruch a Alemanya. Al 1963, Telefunken va introduir aquest nou sistema. El PAL és utilitzat a Europa, a excepció de França on s’utilitza el SECAM. El PAL resol el problema principal del sistema NTSC provocat per errors de fase entre l’oscil·lador local i el generador de subportadora. Els errors de fase entre l’oscil·lador local del receptor i el generador de subportadora provoca variacions de matís, detectables per l’ull humà a partir de 5 º i molèsties a partir de 10 º. El sistema PAL corregeix automàticament els defectes deguts als errors de fase. (Vegeu a [Fernàndez2001], pàgines 155-156).

63

Codificador PAL La croma s’envia en doble banda lateral, modulant els senyals diferència en quadratura, i variant el signe de la component V, en cada línia, canviant el signe de la fase del senyal de crominància com es mostra a la Figura 31. Modulació de la Cr en un sistema PAL

Figura 31. Modulació de la Cr en un sistema PAL

La correcció dels errors de fase es basa en la hipòtesi que la croma de dues línies consecutives no varia significativament. En desmodular la croma, es canviarà el signe de la component V i es promitjarà la Cr de dues línies consecutives. La resultant té la mateixa fase que el vector original. Es pot veure una il·lustració del fenomen a la Figura 32. Il·lustració de la correcció de l’error de fase en el sistema PAL

Figura 32. Il·lustració de la correcció de l’error de fase en el sistema PAL

Hem cancel·lat l’error de fase (matís) però hem introduït un error en el mòdul (saturació) que ha quedat lleugerament atenuat. L’ull, però, no és tan sensible a variacions de saturació com a les variacions de fase. Un desfasament de 10 º del matís (molest) es converteix en una variació d’entre un 1 i 1,5 % del valor de la saturació. Podeu trobar una explicació més detallada a [Torres1993], en les pàgines 129-133, i a [Fernàndez2001], pàgines 157-158.

64

Elecció de la subportadora de color Cal seguir els criteris que s’havien exposat en el sistema NTSC. La freqüència de subportadora de color ha de ser el més alta possible, ha de respectar l’ample de banda de la luminància, i respectar el principi d’imbricació de l’espectre. En PAL, en commutar la fase de la component V, línia a línia, no podem agafar una freqüència que sigui un múltiple senar de la fH/2. Recordem que tenim un senyal de Cr del següent tipus:

Cr(t) = U(t) sinWspt ± V(t) cosWspt. Si canviem l’alternança de signe per un senyal signe S(t):

Cr(t) = U(t) sinWspt + S(t)V(t) cosWspt on S(t) és:

Figura 33. Senyal S(t) que implementa el canvi de signe de V

Si fem el desenvolupament en serie de Fourier de S(t), obtenim: Si substituïm a Cr(t): El canvi de signe, provoca un desplaçament de freqüència de la component V respecte a la V de fh/2. Si escollíssim fsc = (2n + 1)fH/2. Aleshores, la component V aniria a parar a sobre de la Y.

Figura 34. Interferència Y i V en el cas Fsp = (2n + 1)Fh/2

Per tal de no interferir el senyal de luminància, aleshores es tria una freqüència de subportadora de color de fsc = (2n + 1)fH/4.

tttttS HHHH

2cos2)

25cos

51

23cos

31

2(cos2)( ωωωω

Π≅++−

Π=

])2

)[cos((sin)()( ttVttUtCr Hspsp

ωωω ±+=

65

Figura 35. Espectre PAL amb Fsp =(2n + 1)Fh/4 Podeu trobar més informació a [Fernàndez2001], pàgines 176-180 i a [Torres1993], pàgines 134-136.

Patrons d’interferència PAL Si triem una freqüència de subportadora (2n + 1)Fh/2, el senyal de crominància provocaria una interferència d’alta visibilitat com es pot observar a la pàgina 181 de [Fernàndez2001], on el patró consisteix a unes barres més lluentes una mica esbiaixades. Amb (2n + 1)Fh/4, el patró d’interferència PAL té una periodicitat de quatre imatges, massa lent per tal que pugui ser integrat per l’ull. Si afegim 25 Hz a la Fsc = (2n + 1)Fh/4 + 25 Hz s’assoleix un patró molt més dispers i més fàcilment integrable per a l’ull humà. El motiu d’això es que en sumar 25 Hz = (Fh/625) el que estem fent és, al llarg de 625 línies, augmentar en un cicle més el nombre total de períodes de Fc dins d’una imatge. Això implica que a meitat de la imatge hi tinguem mig cicle, l’equivalent a un canvi de fase de 180 º. Aconseguint finalment tenir un patró d’interferència del camp I complementaria del camp 2 i així el patró d’interferència final és menys visible (més semblant a un tauler d’escacs), la figura de la pàgina 183 a [Fernàndez2001] il·lustra el patró obtingut. Amb totes les modificacions el valor final de la Fsc del sistema PAL és 4,43361875 MHz. Podeu veure més informació a [Fernàndez2001], pàgines 182-183.

3.3.4. Senyal de vídeo color SECAM El sistema SECAM (Séquentiel à Couleur avec Memoire) és un sistema TVC utilitzat a França i a l’antiga Unió Soviètica. És un sistema molt semblant al sistema PAL (25 imatges/s, 625 línies/imatge, sistema entrellaçat). Una primera diferència la trobem en l’ample de banda del senyal de luminància. En el sistema SECAM, l’ample de banda de la luminància és de 6 MHz, permetent una resolució horitzontal major que en el sistema PAL.

66

L’altra gran diferència és en la transmissió del senyal de color. Els senyals diferència es modulen en FM, utilitzant dues subportadores a freqüències diferents. A mes a més, a cada línia s’envia només un dels dos senyals diferència. En modular el senyals en FM s’elimina el crosstalk i els errors de fase, però en ocupar més ample de banda, s’augmenten les interferències sobre la Y respecte el sistema PAL. En alternar les components a cada línia, la resolució del color en vertical és pitjor que en el sistema PAL. S’usen dues portadores, una per a cada component, per limitar l’ample de banda limitant l’amplitud del senyal d’entrada (es tracta de modulació FM). Es tria una freqüència de subportadora específica per a cada freqüència per a disminuir la distorsió que es produeix en limitar el senyal en amplitud. Per tal de poder identificar les línies parells de les línies senars, en el modulador SECAM s’insereix l’identificador, format per una seqüència d’impulsos inserits al sincronisme vertical. En el desmodulador SECAM, un retard de 64 µs permet memoritzar la línia anterior. Segons arribi R-Y o B-Y, commutarem els senyals directe o memoritzat. Pel fet de modular el senyal de croma en FM, tenim més interferència del color respecte el senyal de luminància quan menys color hi ha a l’escena, ja que la potència es concentra a la freqüència de subportadora. A les pàgines 189-193 de [Fernàndez2001] hi ha alguns diagrames i explicacions del sistema SECAM.

§ [Fernàndez2001], p. 189-193

RESUM En aquesta sessió hem repassat el sistema PAL i quines són els seus principals avantatges. Hem discutit també l’elecció de la freqüència de subportadora de color. Finalment, hem vist el funcionament bàsic del sistema SECAM.

67

SESSIÓ 12: Senyal de vídeo digital

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Senyal de vídeo digital v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:

o Bibliografia bàsica: § [Fernàndez2001] § [Benoit1998]


PRECEDENTS En les sessions anteriors hem estudiat el senyal de televisió analògic. A partir d’aquesta sessió comencem a veure les característiques i funcionament dels sistemes de televisió digital.

OBJECTIUS En aquesta sessió farem una introducció al senyal digital, basant-nos en la norma ITU-R601 que fixa els paràmetres per la codificació del senyal.

CONTINGUTS

4. Senyal de vídeo digital

4.1. Introducció al senyal digital

4.1.1. Digitalització d’un senyal analògic El senyal analògic és susceptible al soroll i a les distorsions, afectant directament a la qualitat de la imatge. Qualsevol tractament o manipulació suposa una degradació del senyal, introduint una distorsió. El senyal digital és aquell que està codificat en dos nivells (0 i 1). Com que el món real és analògic, sempre caldrà una conversió d’analògic a digital. En el senyal digital ens importa la seqüència binària i polaritat, però no la forma, per la qual cosa les distorsions no alteren el missatge i són possible múltiples còpies sense degradació. En cas que el senyal digital presenti errors, en alguns casos és possible corregir-ne algun, sense perdre qualitat.

68

També hi ha efectes especials possibles de realitzar amb el senyal analògic que sí que es poden fer, un cop el senyal de vídeo és digitalitzat, i facilita la compatibilitat entre equips, malgrat disposar de sistemes diferents. El principal problema és l’important volum de dades a transmetre quan aquestes no estan comprimides. L’ample de banda que ocupa el senyal digital és major que el que ocupa el senyal analògic. Els passos per a digitalitzar un senyal són el filtratge passa baixes, el mostratge, la quantificació i la codificació, com es mostra a la Figura 36. Esquema de digitalitzacióEn els següents apartats discutirem els diferents paràmetres que intervenen en la digitalització del senyal.

Figura 36. Esquema de digitalització

4.1.2. Mostratge El criteri de Nyquist-Shannon estableix que per aconseguir un mostratge-recuperació sense distorsió es requereix que la freqüència de mostratge sigui almenys dues vegades la freqüència màxima present en el senyal analògic mostrejat: De no complir aquest criteri es pot caure en el fenomen conegut com aliasing, on el senyal recuperat després de la digitalització és de freqüència menor a la real a causa de la manca de mostres suficients per a fer una bona reconstrucció. L’altre criteri a tenir en compte és el de la quantificació en N nivells i el nombre de bits a codificar el senyal on:

max2 FFm ≥

bN 2=

69

4.2. Senyal de vídeo digital compost

4.2.1. Introducció El senyal digital compost s’obté de digitalitzar directament el senyal de vídeo compost analògic (NTSC, PAL o SECAM). El senyal digital compost no resol la incompatibilitat entre sistemes de televisió diferents, malgrat mantenir la mateixa freqüència de mostratge i codificació. La descodificació ens tornaria els senyals NTSC, PAL o SECAM. Tampoc elimina les interferències típiques del vídeo compost analògic (crosstalk, cross-color, cross-luminance). Es pren una freqüència de mostratge que és 4 vegades la freqüència de subportadora (freqüència de mostreig = 17,734475 MHz). Disposem de 1135 mostres total, de les quals 948 són mostres actives. La quantificació pot ser amb 8 o 10 bits. El nivell de blanc 100 % (700 mV) es codifica en el valor 211 (8 bits) i 844 (10 bits). El nivell de negre (0 V) es codifica amb els valors 64 i 256, respectivament. El nivell de sincronismes (-300 mV) es codifica amb els valors 1 i 4, respectivament. El valor 0 (en 8 bits) i els valors 0-3 (en 10 bits) estan reservats per a altres usos. La transmissió pot ser en sèrie o en paral·lel. Vegeu les il·lustracions a [Fernàndez2001], pàgines 335-338. Aquest sistema de vídeo digital compost no soluciona les limitacions que ja existien en l’analògic, pel que fa a les interferències del cross-color i cross-luminance i, per tant, és un sistema d’implantació reduïda. Vegeu la figura 2.2 ,a la pàgina 18 de [Benoit1998] i la pàgina 335 a [Fernàndez2001].


§ [Benoit1998] p. 18

4.3. Senyal de vídeo digital en components

4.3.1. Introducció Per tal de resoldre la problemàtica del senyal digital compost, es proposa digitalitzar cadascuna de les components per separat. El senyals mostrejats són els senyals corregits en gamma Y’, R’-Y’, B’-Y’.

70

El principal avantatge d’aquest sistema és la compatibilitat entre els sistemes PAL, SECAM i NTSC. La ITU (Unió Internacional de Telecomunicacions) va establir el 1982 la norma 4:2:2 ITU-R 601 de televisió digital en components. La Figura 37. Esquema de la digitalització del senyal en mostra l’esquema de la digitalització segons aquesta norma. El tractament digital en components elimina les interferències entre luminància i crominància, i desapareixen els problemes derivats de l’estructura de 4 i 8 camps, en edició. Solament cal tenir en compte l’estructura de dos camps entrellaçats.

Figura 37. Esquema de la digitalització del senyal en

components segons la norma ITU-R 601

4.3.2. Freqüència de mostratge La freqüència de mostratge a utilitzar per a digitalitzar el senyal en components ha de complir dos criteris. El criteri de mostratge ortogonal i el ja conegut criteri de Nyquist. Seguint el criteri de Nyquist, la freqüència de mostratge ha de ser més gran que el doble de la freqüència màxima de la banda base de vídeo. El sistema SECAM és el sistema més restrictiu en aquest cas, ja que presenta el major ample de banda, de 6 MHz, per la qual cosa cal prendre una freqüència de mostratge de 12 MHz, com a mínim, per trobar un estàndard internacional. Per tal que el mostratge sigui ortogonal (mateix nombre de mostres per a totes les línies i que estiguin alineades, com es mostra a la Figura 38. Patró de mostratge ortogonal), cal que el temps de línia, Th, sigui un múltiple del període de mostratge, el que comporta que la freqüència de mostratge hagi de ser múltiple enter de la freqüència de línia.

71

Figura 38. Patró de mostratge ortogonal

Per raons de compatibilitat internacional, caldrà, doncs, que la freqüència de mostratge triada sigui múltiple enter de totes les freqüències de línia existents (NTSC i PAL/SECAM). Considerant que la freqüència de línia dels sistemes PAL i SECAM és 15,625 Hz i que la del NTSC és 15.734,2657Hz, cal trobar una freqüència múltiple a la vegada d’aquests dos valors. La freqüència 2,25 MHz és a la vegada múltiple de 15,625Hz (144 x 15.625 Hz = 2,25 MHz) i de 15.734,2657Hz (143 x 15.734,2657 Hz) = 2,25 MHz). Com que 2,25 MHz no compleix el criteri de Nyquist, cal cercar el múltiple més petit de 2,25 MHz que si que ho compleixi. En aquest cas 6 x 2,25 MHz = 13,5. La freqüència de mostratge triada per a la luminància és, doncs 13,5 MHz, que compleix les condicions requerides. Com que la freqüència màxima del senyal de crominància es fixa a la meitat de la de la Y, la freqüència de mostratge de la croma és 6,75 MHz (13,5 MHz/2).

4.3.3. Quantificació de les components Seguint l’esquema de la Figura 37. Esquema de la digitalització del senyal en, el senyals sortint de la càmera estan normalitzats i corregits en gamma. Observant la Taula 1. Valors a l’entrada i a la sortida de la matriu en componentses pot veure que, tot i que els valors R’, G’ i B’ estan normalitzats, només la Y’ ho està; els valors R’-Y’ i B’-Y’ tenen un marge dinàmic de {-0,701...0,701} i {-0,886...0,886}, respectivament.

72

Taula 1. Valors a l’entrada i a la sortida de la matriu en components

Els valors de luminància estan compresos entre 0 i 1. Es codifiquen amb 8 bits, amb 220 nivells per quantificar la luminància i la resta reservats com a guarda. Els nivells 0 i 255 estan reservats per sincronització. El nivell de blanc es codifica amb el valor 235 i el nivell de negre, amb el valor 19. Yq = round (219 * Y’ + 16). Els valors de R’-Y’ estan compresos entre +0,701 i –0,701, i els valors de B’-Y’, entre +0,886 i –0,886. Per tal de restablir l’excursió dels senyals diferència a la unitat (de +0,5 a –0,5) cal emprar els següents coeficients de ponderació: Kr = 0,5/0,701 = 0,713. Kb = 0,5/0,886 = 0,564. Les mostres de crominància també es codifiquen amb 8 bits, amb 225 nivells assignats als colors i la resta reservats com a guarda. El nivell màxim de croma es codifica amb el valor 240, el nivell zero, amb el valor 128 i el nivell mínim de croma, amb el valor 16. Cr = round (224* 0.713*(R’-Y’)) + 128 = round (160*(R’-Y’)) + 128. Cb = round (224* 0.564*(B’-Y’)) + 128 = round (126*(B’-Y’)) + 128.

§ [Fernàndez2001] p. 345-350

4.3.5. Mostres actives per imatge Durant el blanking no hi ha mostratge, ja que la informació en aquest interval és coneguda. En definir el nombre de mostres actives per línia, i tot cercant certa compatibilitat entre sistemes de 525 línies (amb un temps de línia activa de 53,33 µs) i els de 625 línies (amb un temps de línia activa de 52 µs), es va triar la major de les dues. De forma que les mostres actives de luminància per línia seran 53,33 µs x 13,5 M most/s = 720 mostres actives de Y/ línia en tots els sistemes.

73

Aquesta decisió implica que en la digitalització del senyal analògic d’un sistema a 625 línies hi apareguin unes poques mostres negres a principi i final de línia, corresponent al mostratge de l’esborrat horitzontal que apareixen pel fet d’agafar un temps de línia activa una mica superior que l’estàndard. Pel que fa a les mostres en vertical, aquestes haurien de correspondre a les línies actives (575 en un sistema de 625 línies). El problema està en el fet que les 575 estan organitzades en dos camps, i que, per tant, cada camp té un nombre no enter de línies (287,5 línies exactament). Aquest fet ocasiona problemes per a emmagatzemar digitalment les mitges línies de cada camp i es prefereix que aquestes línies es completin, donant lloc al nombre de línies actives en un sistema digital de 576 línies. En un sistema a 525 passa el mateix, donant lloc a 480 línies. En la Figura 39. Mostres actives per imatge en sistemes de 525 i 625 línieses mostren les mostres actives de Y per a cada sistema.

Figura 39. Mostres actives per imatge en sistemes de 525 i 625 línies

§ [Fernàndez2001] p. 351-354

4.3.6. Patrons de mostratge El patró definit per la ITU-R 601 s’anomena 4:2:2. Tot i així, existeixen 4 patrons de mostratge on es relacionen les mostres de color amb les de luminància. - 4:2:2: on la informació de Y i Cr té la mateixa resolució vertical però la Cr té la

meitat de resolució horitzontal. És emprat en l’enregistrament professional en cinta o disc i per a la transmissió del senyal entre televisions.

- 4:2:0: on es parteix del 4:2:2 i es redueix la resolució vertical de color a la meitat. Es el patró més emprat en la transmissió de televisió digital (sigui satèl·lit, terrestre o cable) o per a la distribució de vídeo en DVD.

- 4:1:1: on es parteix també del 4:2:2, però en aquest cas es redueix la resolució horitzontal de la Cr a una quarta part de la Y. És emprat en l’enregistrament en alguns formats d’enregistrament en cinta.

74

- 4:4:4: la Y i la Cr tenen la mateixa resolució horitzontal i vertical. Permet alta qualitat i no és utilitzat en difusió, només en entorns de producció de molt alta qualitat.

En la Figura 40. Patrons de mostratgees mostres els patrons de mostratge 4:2:2, 4:1:1 i 4:2:0, on les “X” indiquen les mostres de luminància i les “O” les mostres de crominància (R-Y i B-Y).

Figura 40. Patrons de mostratge

RESUM En aquesta sessió hem pogut veure la digitalització del senyal de vídeo analògic, tant del senyal compost com el de components.

75

SESSIÓ 13: Interconnexió de vídeo digital

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Interconnexió de vídeo digital v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:



PRECEDENTS En la sessió anterior vam estudiar el mostratge, la quantificació i la codificació del senyal analògic, obtenint el senyal de vídeo digital compost i en components.

OBJECTIUS En aquesta sessió veurem les dues interfícies que permeten connectar equips digitals de producció, permetent als fabricants dissenyar les característiques d’entrada i sortida dels seus equips.

CONTINGUTS

4.4. Interconnexió de vídeo digital en components

4.4.1. Interfície paral·lela Aquesta interfície consisteix en una connexió unidireccional de 9 o 11 cables (8 o 10 per a dades, senyal de televisió o dades auxiliars, i un pel rellotge de 27 MHz). És utilitzat en edició, en interconnexió entre equips que es troben a poca distància (fins a un màxim de 100 metres) i ha caigut darrerament en desús. La circuiteria és simple, i per tant, els equips són barats. En canvi els cables i connectors són cars, i la commutació per connectar múltiples aparells, cara i complicada.

76

Altres desavantatges és el fet que es pot produir diafonia (interferència entre senyals) i si les velocitats de propagació són diferents, a gran distància, hi poden haver problemes. Pels motius anteriorment descrits, es prefereix utilitzar el senyal digital en sèrie que veurem en el següent apartat.

4.4.2. Interconnexió de vídeo digital en components. Interfície sèrie (SDI)

El 1985, la UER va establir l’interfície sèrie per a l’acoblament entre equips de producció de televisió. Aquest interfície rep el nom de Serial Digital Interface (SDI) i consisteix en una connexió unidireccional entre dos equips. Com a punt positiu del SDI és que els cables i connectors són senzills i barats, podent-se utilitzar cable coaxial de qualitat. La commutació és senzilla. A més a més, el senyal es autosincronitzable i sense polaritat, la qual cosa fa que sigui fàcil d’instal·lar i d’utilitzar. En contrapartida, la circuiteria dels equips és cara i complexa (cal serialitzar el senyal i fer-lo autosincronitzable). La freqüència de transmissió és major i hi ha poca flexibilitat per allargar la paraula de codi (de 8 a 10 bits). El senyal de vídeo, les referències temporals i els senyals d’identificació estan multiplexats en el temps. La luminància i la crominància s’envien multiplexades en el temps a 27 MHz, ja que multiplexem 13,5 M mostres de luminància i 6,75 M mostres per cadascuna dels senyals diferència, per segon. Se segueix l’ordre següent: Cb Y Cr Y Cb Y ... En cadascuna de les línies tenim 720 mostres de luminància, 360 mostres U i 360 mostres V. En total, doncs, tenim 1440 mostres/línia. Una vegada multiplexats els senyals, aquests es serialitzen considerant que s’utilitzen 10 bits/mostra encara que la senyal d’origen sigui en 8 bits. D’aquesta forma la interfície SDI té un bitrate total de 270 Mbps, independentment de si transporta vídeo digital a 8 bit/mostra o 10 bit/mostra (si es treballa en 8 bits/mostra es posen dos bits a zero).

Els senyals de referència temporals Permeten identificar l’inici de les línies digitals i el començament de les dades de vídeo actiu, de la mateixa manera que feien els sincronismes, en el senyal de televisió analògic. Existeixen dues referències temporals que indica el començament de la línia activa (SAV) i el final (EAV). Cada referència temporal està formada per una seqüència de quatre paraules, que prenen els valors hexadecimals

77

FF 00 00 XX. Les tres primeres paraules adverteixen la presència d’una referència temporal. La quarta paraula de la referència temporal informa si la línia actual pertany a l’esborrat vertical, a quin camp pertany i si la referència temporal és EAV o SAV. Els codis 00 i FF estan reservats per a la identificació dels sincronismes i no es poden trobar enlloc més del senyal.

Dades auxiliars Partint d’una freqüencia de 27 mostres/s, en una línia de durada 64 µs tindrem 270 mostres/s x 64 µs/línia = 1728 mostres/línia. D’aquestes 1728 mostres/línia, 1440 són de mostres actives (720 Y + 360 B-Y + 360 R-Y), 8 són per als sincronismes (4 pel SAV i 4 pel EAV). La resta, 280, s’utilitzen per transmetre altres dades, com per exemple àudio digital. Hi ha capacitat per a transmetre fins 8 canals estèreo d’àudio dins del senyal SDI.

Aleatorització i autosincronització El senyal resultant ha de ser robust als errors i autosincronitzable, i per això s’aleatoritza i es codifica mitjançant una codificació NRZI. L’aleatorització permet evitar ràfegues de 0 i 1 que podrien donar problemes de sincronització en el descodificador. Amb l’aleatoritzador aconseguim un senyal autosincronitzable. El codificador NRZI permet obtenir un senyal sense polaritat. La informació està codificada en les transicions, fent que el senyal resultant no tingui polaritat i sigui més fàcil de manipular.


Senyals HDTV A més a més del senyal SDI de definició estàndard, existeixen altres senyals d’alta definició amb les corresponents interfícies d’interconnexió. Com a quadre resum podem obtenir els següents formats:

78

Standard ITU

Nom comercial

Mostres/ línia

Línies/ imatge

Frame rate Fmy

Bitrate-‐total

(4:2:2, 10 bit)

Bitrate-‐net (4:2:2, 10

bit) Interfície ITU-‐R 601 576i 720 576 25 13,5 MHz 270 Mbps 207,3 Mbps SDI

ITU-‐R 1543 720p 1280 720 50 74,25 MHz 1,485 Gbps 921,6 Mbps HD-‐SDI

ITU-‐R 709 1080i 1920 1080 25 74,25 MHz 1,485 Gbps

1,0368 Gbps HD-‐SDI

ITU-‐R 709 1080p 1920 1080 50 148,5 MHz 2,97 Gbps 2,0736 Gbps

2 x HD-‐SDI/ 3G-‐

SDI

RESUM En aquesta sessió hem vist les dues interfíces principals d’interconnexió de vídeo digital, la interfície paral·lela i la interfície sèrie.

79

SESSIÓ 14: Fonaments de compressió

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Fonaments de compressió v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:

o Bibliografia bàsica: § [Fernàndez2001] § [Benoit1998] § [Torres1993]


PRECEDENTS En les sessions anteriors, vàrem fer una introducció del senyal digital de televisió i estudiar la norma ITU-R601.

OBJECTIUS En aquesta sessió veurem la necessitat de comprimir per tal de poder transmetre el senyal de televisió digital, i estudiarem els mètodes estadístics i predictius que ens permeten fer aquesta compressió.

CONTINGUTS

5. Compressió de vídeo

5.1. Necessitat de la compressió

5.1.1. Necessitat de la compressió La digitalització del senyal de vídeo genera un gran volum de dades. Per un altre costat, sabem que els amples de banda disponibles en les diferents xarxes de transmissió són limitats, i per tant, es fa necessari comprimir el senyal de vídeo digital, existint un compromís entre compressió i qualitat de la imatge. Afortunadament, les dades a transmetre presenten grans dosis de redundància. Els mètodes de compressió permeten eliminar la redundància per tal que la informació sigui més compacta i que, per tant, es pugui representar amb menys bits.

80

En una seqüència de vídeo existeixen tres tipus de redundància: l’estadística, la temporal i l’espacial. En les properes seccions en parlarem amb més detall.

Factor de compressió Un sistema de compressió es caracteritza pel seu factor de compressió. El factor de compressió és el paràmetre bàsic que ens indica el nombre de vegades que reduïm el volum d’informació després de la compressió, es defineix, doncs, com:

scomprimidedadesvolumoriginaldadesvolumcompressiódeFactor =

Evidentment per tenir compressió cal que el factor de compressió sigui major que la unitat.

Tipus de compressors Existeixen diverses formes de classificar les tècniques de compressió. Una d’elles és en funció de la distorsió introduïda en el procés de compressió. Anomenem sistemes reversibles, sense pèrdua o lossless a aquells sistemes que no introdueixen cap distorsió en el procés. Normalment, el factor de compressió obtingut és relativament baix (2-4). Les aplicacions que requereixen d’aquest tipus de compressió són aquelles on generalment qui les consumeix és una màquina (fitxers binaris i executables) o un expert (imatges mèdiques o científiques). En contraposició, els mètodes irreversibles, amb pèrdua o lossy són aquells que introdueixen una certa distorsió en el procés. Permeten grans factors de compressió, que són variables en funció de la distorsió que la nostra aplicació accepti. Generalment, s’apliquen a contingut digitalitzat com l’àudio, les imatges o el vídeo, on l’usuari final és l’esser humà que està disposat a acceptar certa distorsió en el resultat final. Aquests sistemes de compressió seran, més o menys, eficients en funció de la redundància existent en el senyal. A continuació, es descriuen les diverses redundàncies.

Redundància estadística En qualsevol volum de dades hi ha símbols que apareixen més que altres. Els mètodes de compressió reversibles (tipus ZIP, ARJ, etc.) permeten eliminar aquesta redundància, utilitzant mètodes de codificació de longitud variable. Aquesta compressió és totalment reversible.

81

Redundància temporal En una seqüència d’imatges, el contingut entre imatges no varia excessivament, a excepció de quan hi ha canvis de pla o moviments bruscos. Aquesta repetició d’informació al llarg del temps és la redundància temporal. Per eliminar la redundància temporal generalment s’utilitzen mètodes anomenats predictius. Utilitzant mostres de la imatge anterior, i mitjançant tècniques predictives, podrem deduir de manera aproximada quina és la situació dels píxels en la imatge actual. L’eliminació de la redundància temporal és el procés que comprimirà més en una seqüència de vídeo.

Redundància espacial En una imatge, els píxels propers en l’espai presenten valors de luminància i crominància molt semblants. Aquesta semblança és la redundància espacial. Els contorns trenquen aquesta redundància. L’eliminació de la redundància espacial generalment es realitza mitjançant tècniques transformades que concentren l’energia del senyal en pocs coeficients decorrelats entre ells.

Redundància psicofísica i psicovisual Els nostres sistemes de percepció estan limitats. Hi ha informació, visual i audible que no detectem i que pot ser eliminada. Per exemple, hi ha detalls fins d’una imatge que són imperceptibles visualment i que, per tant, poden ser considerats redundants o superflus des del punt de vista visual.

§ [Fernàndez2001], p. 368-370

5.2. Fonaments de la compressió de vídeo

5.2.1. Mètodes estadístics Els mètodes estadístics s’utilitzen per eliminar la redundància estadística. En general, els mètodes estadístics són mètodes de compressió reversible (lossless). Permeten recuperar la imatge original, mantenint el 100 % de la seva qualitat, però presenten factors de compressió petits (entre 2 i 3). D’entre els diversos mètodes estadístics podem mencionar els codis de longitud variable, els codis basats en diccionaris i el codificador aritmètic. Un dels més utilitzats en vídeo, i a la vegada simple, és el codi de longitud variable. Vegeu [Benoit1998], pàgines 25-28

82

Codis de longitud variable. Huffman En els codis de longitud variable (VLC, Variable Length Code) es defineix una taula de símbols obtinguda estadísticament a partir de la freqüència d’aparició de cada símbol en una seqüència. La base del codi consisteix en assignar codis curts als símbols més probables, i codis més llargs als símbols que apareixen amb menys freqüència. Aconseguint reduir la longitud mitja del senyal codificat final. Per que un codi d’aquest tipus funcioni cal que ens assegurem que la descodificació no té cap ambigüitat. Per aconseguir-ho cal que cap codi sigui prefix de cap altre. Per entendre el concepte suposem que volem comprimir la següent seqüència de lletres:

a e c e d f a a c d. Aquests 10 símbols provenen d’un alfabet de només 5 lletres. Si els volguéssim codificar binàriament amb un codi de longitud fix ens caldrien 3 bits/símbol i per tant 30 bits en total. Una possible assignació de codis seria aquesta:

Tot i així podem cercar un codi més eficient que codifiqui amb un codi binari més curt aquells símbols que són més probables:

Aquest codi presenta una longitud mitja per símbol de 1,5 bits/símbol i per tant comprimiria amb 15 bits la seqüència de 10 símbols. Obtenint un factor de compressió respecte el codi de longitud fix de FC = 30/15 = 2. Malgrat tot, aquest codi no és vàlid. La seva descodificació no és única, ja que davant d’un 0, el descodificador no té forma de saber si ha de descodificar un a o es tracta del principi d’una c o d. Per construir un codi vàlid cal que cap codi sigui prefix de cap altre. Podríem construir molts codis que tinguessin aquesta propietat, però de tots ells el que té millors prestacions de compressió és el codi de Huffman. Consisteix en ordenar els símbols de major a menor probabilitat i després, iterativament, anar agrupant els dos símbols de menor probabilitat. A cada agrupació, sumem les probabilitats de cada símbol o grups de símbols que agrupem. Finalment, resta només una sola branca que haurà de tenir la suma de totes les probabilitats, és a dir, la unitat.

símbol probabilitat codeword a 3/10 0 e 2/10 1 c 2/10 00 d 2/10 01 f 1/10 11

símbol codeword a 000 e 001 c 010 d 011 f 100

83

Un cop aquest arbre està fet, cal assignar, començant per la branca arrel, un 0 o un 1 a cada branca. Construint el codi final a partir de la lectura de cada camí, des de l’arrel a les fulles:

Així doncs, el codi obtingut assegura descodificació unívoca, tot oferint la màxima compressió possible que podem obtenir amb un codi de longitud variable. En aquest cas, la longitud promig del codi és de 2,3 bits/símbol, que correspon a un factor de compressió de FC = 30/23 = 1,3. De forma similar, i complementaria a l’anterior, hi ha el codi de longitud de segment (RLC; Run Lenght Code) que evita la transmissió consecutiva de valors repetits. Vegeu [Benoit1998], a les pàgines 25-26.

5.2.2. Mètodes predictius Els mètodes predictius són mètodes de compressió irreversibles (lossy), només aplicables a dades digitalitzades, com és el cas del senyal de televisió. Introdueixen certa distorsió en la qualitat de la imatge, podent recuperar una aproximació de l’original, amb un grau de qualitat inversament proporcional al factor de compressió. Ofereixen factors de compressió majors. Els mètodes predictius s’encarreguen d’eliminar la redundància temporal existent entre imatges.

84

Els mètodes predictius eviten enviar informació redundant que es pot predir amb les imatges anteriors, enviant només l’error de predicció. Vegeu l’explicació a [Torres1993], pàgines 168-181. La clau dels sistemes predictius consisteix a predir la informació, a codificar en funció de les mostres ja codificades i enviar només la diferencia entre l’original i la predicció, anomenat error de predicció. L’error de predicció, en tenir una estadística amb valors propers a zero, es pot comprimir molt més que no pas la imatge original. L’aplicació dels mètodes predictius per codificar imatges consecutives té el problema que en cas que hi hagi moviment entre una imatge i l’altra la predicció és errònia. És per això que, abans de fer la predicció, el que cal és detectar el moviment entre les imatges (estimació de moviment) i després fer una predicció que contempli el moviment que hi ha hagut entre imatges (compensació de moviment).

Estimació de moviment El primer pas per tal de reduir la redundància temporal entre imatges és l’estimació de moviment, comparant dues imatges consecutives. La informació de moviment s’expressa mitjançant vectors de moviment, associats a cada bloc, generalment particions de 16 x 16 píxels de la imatge. Per tal de poder trobar el vector de moviment òptim per a cadascun dels blocs existeixen diferents mètodes, entre els quals podem destacar l’estimació de moviment per la tècnica del block matching. Aquesta tècnica consisteix a trobar, per a cada bloc de la imatge, un bloc que sigui el més semblant possible a l’inicial, dins d’una àrea de cerca en la imatge que ens serveix de referència per a fer la predicció. Per tal de poder aplicar aquest mètode, cal que es compleixin unes condicions: el moviment ha de tenir lloc en el pla perpendicular a l’eix de la càmera i només en forma de translacions, la il·luminació ha de ser espacialment i temporalment uniforme i les oclusions d’objectes han de ser infreqüents. El block matching es pot aplicar de diverses formes, el mètode de cerca exhaustiva (full search) consisteix a buscar en la imatge de referència el bloc que més s’assembla de formar exhaustiva (tenint en compte totes les possibilitats dins de l’àrea de cerca). Aquest mètode permet obtindre una molt bona solució, però mitjançant un alt cost de computació. Una simplificació de la cerca exhaustiva és la cerca en tres passes que consisteix a seleccionar només un conjunt de punts de forma iterada en tres passes per a fer la comparació entre els blocs. El sistema és molt més ràpid a costa d’obtenir una solució subòptima.

§ [Fernàndez2001] p. 373-376

§ [Benoit1998] p. 42-43

85

Compensació de moviment Abans de codificar la imatge, tenim en compte la informació proporcionada per la imatge anterior i el vector de moviment. Només cal enviar l’error entre aquesta predicció i la imatge real, podent codificar més eficientment la imatge actual. Quan més exacte sigui el vector de moviment, menys error de predicció hi haurà i més eficient serà el compressor.


RESUM En aquesta sessió hem vist la necessitat de comprimir el senyal de vídeo digital, eliminant la redundància. Hem estudiat els mètodes estadístics i predictius que permeten eliminar la redundància estadística i temporal, respectivament.

86

87

SESSIÓ 15: Mètodes de compressió transformats

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Mètodes de compressió transformats v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:

o Bibliografia bàsica: § [Fernàndez2001] § [Benoit1998] § [Torres1993]


PRECEDENTS En la sessió anterior vam estudiar els mètodes estadístics (codis de longitud variable) i predictius (estimació i compensació del moviment) que ens permetien comprimir el senyal de vídeo.

OBJECTIUS En aquesta sessió estudiarem els mètodes transformats que permeten eliminar la redundància espacial. També estudiarem els estàndards de compressió de vídeo per a videoconferència.

CONTINGUTS

5.2.3. Mètodes transformats Els mètodes transformats són mètodes de compressió irreversibles en el quals es fa un canvi de base per tal que el nombre de bits a transmetre sigui menor que el de la imatge sense transformar. Introdueixen certa distorsió en la qualitat de la imatge, podent recuperar una aproximació de l’original, amb un grau de qualitat inversament proporcional al factor de compressió. Ofereixen factors de compressió majors i s’encarreguen d’eliminar la redundància espacial i temporal. Els sistemes irreversibles només són aplicables a dades digitalitzades, com és el cas del senyal de televisió.

88

Els objectius d’aquestes tècniques són concentrar l’energia del senyal en el menor nombre possibles de coeficients, i descorrelar aquests. En tenir uns coeficients descorrelats, aquests es poden quantificar de forma independent, podent aplicar més o menys quantificació, d’acord amb la corba de sensibilitat de l’ull. Vegeu [Torres1993], pàgines 182-188

La transformada discreta del cosinus La DCT (Discrete Cosine Transform) deriva de la transformada discreta de Fourier (DFT, Discrete Fourier Transform) però compacta millor l’energia, havent de transmetre menys coeficients. La DCT no redueix directament el nombre de bits a transmetre sinó que s’aplica a blocs de 8 x 8 píxels. La reducció en el nombre de bits prové de la ponderació d’aquests valors segons la resposta de l’ull humà, en la qual prenen més importància els coeficients de baixa freqüència. Cada coeficient de la DCT original és dividit pel seu valor corresponent en la matriu de quantificació, que no és única. Com que la divisió no és exacta, produeix pèrdues que fan que el procés no sigui reversible. La matriu de quantificació s’envia conjuntament amb la imatge, empitjorant el bitrate. Realment només s’envia la matriu de quantificació cada cop que es canviï. La magnitud de cada coeficient DCT indica la contribució de freqüències horitzontals i verticals del bloc. El primer coeficient és l’anomenat coeficient de contínua (DC). A mesura que ens movem en l’eix X, la freqüència horitzontal augmenta, i en moure’ns per l’eix Y, augmenta la freqüència vertical. Els coeficients transformats són codificats seguint el camí d’energia decreixent, començant pel coeficient de contínua, i seguint amb un escombrat en forma de zig-zag. La manera d’enviar els coeficients contribueix a reduir el bitrate. Un buffer fa el control del flux de dades per tal d’obtenir un bitrate constant. Si el buffer està molt ple, proper a l’overflow, s’augmenten els valors de la matriu de quantificació, provocant una disminució de les dades a transmetre, empitjorant la qualitat de la imatge. Si una imatge està per sota d’aquest bitrate constant, el que es fa és disminuir els coeficients de la matriu de quantificació, o afegir bits de farciment (stuffing bits).

§ [Fernàndez2001], p. 383-390

§ [Torres1993], p. 188-194

§ [Benoit1998], p. 28-35

89

5.3. Estàndards de compressió de vídeo

5.3.1. Estàndard H.261 Els estàndards H.261 i H.263 estan concebuts per aplicacions audiovisuals a p x 64 kbps, on p és el nombre de canals XDSI utilitzats. El bitrate va des de 64 kbps a 1,5 Mbps. Concretament són utilitzats en videotelefonia (p = 1, 2) i videoconferència sobre XDSI (p>2). Són estàndards que operen en temps real, amb un retard inferior a 150 ms, oferint un factor de compressió unes tres vegades superior al JPEG. Vegeu [Fernàndez2001], pàgines 379-381 i [Torres1993], pàgines 210-216.

Formats d’imatge Els formats utilitzats són el CIF (Common Intermediate Format) i el QCIF (Quarter of CIF). En el CIF, la freqüència de mostratge de la luminància és de 6,75 MHz, i la dels senyals diferència, la meitat, 3,375 MHz. El patró de mostratge utilitzat és 4:2:0, obtenint imatges de 352 x 288 mostres de luminància, i 176 x 144 mostres d’U i V. El QCIF està orientat a videotelefonia, on l’ample de banda és menor. Les imatges tenen 176 x 144 mostres de luminància, i 88 x 72 mostres d’U i V.

§ [Benoit1998], p. 21-22

Mètodes utilitzats Per tal de comprimir la informació s’utilitza la codificació de longitud variable que permet eliminar la redundància estadística. S’aplica sobre macroblocs d’imatge de 16 x 16 píxels. Amb la predicció temporal eliminem la redundància entre imatges consecutives. Es fa sobre macroblocs d’imatge de 16 x 16 píxels i dins de finestres de recerca de +- 15. Finalment, la DCT, aplicada en blocs de 8 x 8 píxels, permet reduir la redundància espacial.

Modes de codificació En el mode intraframe, els valors de luminància i crominància es codifiquen sense cap tipus de predicció. S’aplica directament la DCT als valors Y, U i V de la imatge. D’aquesta manera disposem de punts de partida i evitem arrossegar errors que s’hagin pogut produir durant la transmissió.

90

En el mode interframe, només es codifica l’error de predicció, després d’haver comparat la imatge amb la predicció. Si la predicció no és prou bona, s’utilitza el mode intraframe. A la pàgina 382 de [Fernàndez2001] podeu veure el diagrama de blocs del codificador H.261, i a la pàgina 391, del descodificador.

RESUM En aquesta sessió hem estudiat els mètodes transformats que permeten eliminar la redundància espacial. També hem estudiat l’estàndard H.261 de compressió de vídeo per a videoconferència.

91

SESSIÓ 16: Introducció al MPEG

FITXA DE LA SESSIÓ v Nom: Introducció al MPEG v Tipus: teòrica v Format: no presencial v Durada: 2 hores v Dedicació: 2 hores v Treball a lliurar: no v Material:



PRECEDENTS En les sessions anteriors vam estudiar els diferents mètodes: estadístics, predictius i transformats que ens permetien comprimir el senyal de vídeo. També vàrem estudiar els estàndards utilitzats per a videoconferències.

OBJECTIUS En aquesta sessió estudiarem els estàndards MPEG. Estudiarem el MPEG2 vídeo, els perfils i nivells que utilitza, i la sintaxi emprada.

CONTINGUTS

5.3.2. Estàndard MPEG-1 El comitè MPEG (Motion Picture Experts Group) sorgeix de la col·laboració competitiva entre empreses per definir els estàndards per a la codificació eficient d’informació audiovisual en format digital. Aquest concepte d’eficiència en la codificació ha anat evolucionant i es refereix a que la informació ocupi el mínim espai amb la màxima qualitat, un accés ràpid a la informació, possibilitat de mètodes de cerca flexible, etc. Els estàndards MPEG no descriuen mètodes, ni el procés de codificació, ni els detalls del codificador. En canvi, sí especifiquen els formats en què es presentaran les dades al descodificador i un conjunt de regles per interpretar aquestes dades. Els formats de dades reben el nom de sintaxi i s’utilitzen per crear diferents tipus de bitstreams. Les regles per a interpretar les dades s’anomenen semàntica. L’únic requeriment que MPEG disposa al codificador és que generi un bitstream sintàcticament correcte i que pugui ser interpretat seguint la semàntica de descodificació de qualsevol descodificador compatible.

92

El fet que el descodificador no sigui estàndard implica que poden coexistir codificadors compatibles amb nivells de prestació diferents. Els estàndards MPEG són jeràrquics: els nivells superiors sempre són compatibles amb els anteriors. L’estàndard MPEG1 és utilitzat en sistemes d’emmagatzematge (CD-ROM, etc.) i ofereix una qualitat VHS. El seu bitrate és petit, entre 1,5 i 3 Mbps, i el format d’imatge utilitzat és el SIF. MPEG2 està orientat a la transmissió de TV digital i HDTV. El bitrate és entre 4 i 25 Mbps i el format d’imatge, el ITU601. MPEG3 està orientat a la compressió HDTV, però no s’utilitza ja que el nivell anterior (MPEG2) és prou flexible. MPEG4 està dissenyat per sistemes de compressió multimèdia.

§ [Fernàndez2001], p. 392-394

MPEG1 L’estàndard MPEG1 (ISO11172) va sorgir d’un comitè constituït al 1988 per 15 participants. La primera redacció es va presentar el 1990. En aquell moment, el comitè ja estava constituït per 150 participants. És un estàndard orientat a l’emmagatzematge de vídeo en medis digitals i aplicacions multimèdia. Parteix de la filosofia H.261 que vam veure a la sessió anterior, però introdueix lleugeres modificacions per treballar a velocitats més elevades. Proporciona una qualitat semblant al VHS amb un bitrate de 1,5 Mbps.

§ [Fernàndez2001] p. 395-397

§ [Torres1993], p. 217-221.

MPEG1 Systems El MPEG1 Systems defineix una estructura de paquets per multiplexar dades de vídeo i àudio en un únic stream, mantenint la seva sincronització. La sintaxi garanteix la correcta sincronització entre vídeo i àudio (mitjançant segells temporals), l’accés aleatori (en punts de la seqüència amb codificació intraframe) i la coexistència de diferents streams de vídeo i àudio.

§ [Fernàndez2001], p. 398

§ [Benoit1998], p. 65-69

93

MPEG1 vídeo MPEG1 vídeo especifica la sintaxi de l’stream de vídeo i el procés de codificació corresponent. Inicialment va ser concebut per a codificar vídeo a resolució CIF, encara que accepta resolucions majors. El format SIF emprat és el següent: En PAL, tenim 25 imatges per segon, de 352 x 288 píxels. En NTSC, disposem de 30 imatges per segon, de 352 x 240 píxels. En ambdós casos, el patró de mostratge és 4:2:0, les imatges, progressives i el bitrate sense compressió, de 30 Mbps. Els mètodes de codificació per eliminar les redundàncies espacial i temporal són molt similars als emprats en H.261.


§ [Benoit1998], p. 36-44

MPEG1 àudio El MPEG1 àudio especifica la sintaxi de l’stream d’àudio i el procés de codificació corresponent. El sistema de compressió es basa en una descomposició en subbandes del senyal, aconseguint bitrates de 64, 128 o 192 kbps.


§ [Benoit1998], p. 58-61

5.3.3. Estàndard MPEG2 L’estàndard MPEG2 és compatible amb el seu antecessor, MPEG1, però suporta l’escombrat entrellaçat. Està orientat a vídeo d’alta qualitat (NTSC, PAL, SECAM, HDTV) i disposa de múltilples formats, tamanys i patrons de mostratge. El bitrate del MPEG2 va des de 1,5 a 25 Mbps i es poden recuperar errors d’emmagatzematge o transmissió. El sistema de predicció de moviment és millor que en el MPEG1 i tenim la possibilitat de disposar de múltiples qualitats i resolucions a partir d’un únic stream, gràcies a l’escalabilitat. Les principals aplicacions del MPEG2 són la distribució de senyal de televisió digital terrestre, per cable o satèl·lit, HDTV, DVD, vídeo sota demanda, vídeo professional (edició no lineal, postproducció, etc.). En les pàgines 404 i 405 de [Fernàndez2001] podeu observar les diferències principals entre els estàndards MPEG1 i MPEG2. L’anatomia del MPEG2 la podeu veure a la pàgina 403 de [Fernàndez2001].

94

MPEG2 vídeo El desenvolupament de l’estàndard MPEG2 vídeo es va realitzar en dues fases. En una primera, les empreses competien per tal de treure el seu estàndard. Posteriorment, van decidir col·laborar entre elles per tal de crear un estàndard únic. L’MPEG2 suporta vídeo entrellaçat, vídeo escalable amb diferents resolucions i formats d’imatge. L’àmplia funcionalitat de l’estàndard està estructurada entorn de 5 perfils bàsics orientats a aplicacions diferents. Vegeu [Fernàndez2001], pàgines 408-409 i [Benoit1998], pàgines 44-46.

Perfils i nivells MPEG2 MPEG2 és un estàndard genèric que suporta una gran quantitat d’eines i algorismes. La construcció de descodificadors que suportessin totes aquestes eines no és econòmicament viable. La solució consisteix en agrupar totes les aplicacions possibles en un conjunt de classes (perfils) organitzades en una estructura jeràrquica. Actualment existeixen 5 perfils (profiles): simple, principal, escalable en SNR, espacialment escalable i alt. Les seves característiques generals les trobareu a la pàgina 417 de [Fernàndez2001]. A més dels perfils es defineixen el nivells. Els nivells són les diferents resolucions amb les quals poden treballar cadascun dels perfils. Es defineixen 4 nivells (baix, principal, alt 1440 i alt) i van des de resolucions tipus CIF fins a alta definició. No totes les combinacions perfil-nivell són possibles, les que l’estàndard permet són els punts de conformitat, que podeu trobar a la pàgina 419 de [Fernàndez2001]. Els dissenyadors de descodificadors s’han d’adherir a aquests parells, ja que no totes les combinacions són permeses. Només ho són aquelles que tenen sentit des del punt de vista aplicatiu. Els nivells inferiors també es poden descodificar, encara que no es poden considerar pròpiament punts de conformitat. En les pàgines 420-426 de [Fernàndez2001] podeu trobar les característiques, paràmetres, aplicacions i requeriments dels perfils simple i principal. En les pàgines 424-428 podeu trobar les característiques, aplicacions i requeriments del perfil escalable en SNR. A les pàgines 427 i 428 podeu trobar les característiques i requeriments del perfil espacialment escalable i a la pàgina 429, les característiques del perfil alt. Malgrat que MPEG2 està finalitzat, el procés de definició de perfils segueix obert per tal d’acomodar noves eines que poden ser necessàries en un futur. Actualment hi ha dues àrees per les quals s’estan definint nous perfils: el vídeo professional d’alta qualitat i el vídeo amb múltiples punts de vista. A les pàgines 431-434 de [Fernàndez2001] podeu trobar informació sobre aquests nous perfils.

§ [Fernàndez2001], p. 415-434

§ [Benoit1998], p. 46-48

95

Sintaxi del MPEG2 vídeo La sintaxi especifica com han de ser les dades. Està organitzada entorn d’una estructura jeràrquica de 6 nivells: seqüència, grup d’imatges, imatge, slice, macrobloc i bloc. Observeu aquesta jerarquia a la pàgina 436 de [Fernàndez2001]. El nivell superior d’aquesta jerarquia és la seqüència, formada per la seqüència de vídeo completa. La informació que porta la seva capçalera la podeu veure en la pàgina 438 de [Fernàndez2001]. En aplicacions de radiodifusió, la capçalera es retransmet cada 500 ms, com a mínim, seguida d’una imatge I, per tal que els nous usuaris disposin de la informació que transporta.

§ [Fernàndez2001], p. 435-456

Grup d’imatges Els grups d’imatges (group of pictures, GOP) és la base per a realitzar la codificació temporal de les imatges. Un GOP està format habitualment per 12 imatges. Si agafem un nombre més gran, aconseguirem taxes de compressió major però els errors es propagaran durant més temps. Les imatges estan constituïdes per slices i és la unitat de codificació bàsica. Podem distingir tres tipus d’imatges: imatges I (intraframe), imatges P (predicted) i imatges B (bidirectional). Les imatges I són les imatges que s’utilitzen en un principi de seqüència d’imatges o de GOP. En aquestes imatges només s’apliquen tècniques de compressió de redundància espacial i estadística, per la qual cosa són les que menys compressió presenten. Permeten definir punts d’accés aleatori a la seqüència, la recerca ràpida i edició, i eviten la propagació d’errors. Les imatges P utilitzen la predicció i compensació de moviment, a partir de la imatge I o P anterior. L’ordre de visualització i transmissió són el mateix. (Vegeu pàgina 440 de [Fernàndez2001]). Les imatges B utilitzen predicció bidireccional a partir de les imatges I i P anterior i posterior. L’ordre de transmissió difereix de l’ordre de visualització. (Vegeu les pàgines 441 i 442 de [Fernàndez2001]). El procés per reordenar les imatges el podeu trobar a la pàgina 446. Les imatges I, P i B relacionades entre elles formen un GOP. El factor N és la distància entre imatges I i el factor M, la distància entre imatges I i P. Aquests factors són flexibles: un major nombre d’imatges B augmentarà la relació de compressió, però ens separa les imatges P de les seves referències I, empitjorant la predicció de les imatges P. Per escenes amb moviment ràpid, en què els errors de codificació són difícils de detectar, les imatges P proporcionen un millor compromís entre qualitat i velocitat d’actualització de la imatge.

96

Els GOP són oberts o tancats en funció de si la primera imatge B necessita o no de l’anterior imatge P (del GOP anterior) per poder ser predita. Observeu l’exemple de la pàgina 443 de [Fernàndez2001]. La informació que porta la capçalera de la imatge la podeu trobar a la pàgina 448 de [Fernàndez2001].

Slice Un slice (llesca) és una cadena de macroblocs consecutius de longitud arbitrària. En les imatges I, transmetem tots els macroblocs dins d’un slice, i en les imatges P i B, els macroblocs nuls (o amb poca informació) poden no ser enviats, però sempre cal transmetre el primer i darrer macrobloc de l’slice. Un slice pot ser tan llarg com l’amplada de la imatge, però normalment es divideix per evitar la propagació d’errors i ja que hi ha informació que es transmet de forma diferencial de MB a MB (vectors de moviment, component DC). Aleshores, en cas d’error, aquest es propaga per tot l’slice. Dissenyarem, doncs, la longitud del slice en funció dels errors de transmissió. Els vectors de moviment es codifiquen diferencialment dins d’un slice, enviant-se el primer de forma absoluta. El nivell de DC de la DCT de cada bloc també s’envia de forma diferencial. Cada nova capçalera de slice es reinicialitza el nivell de DC i els predictors de vectors de moviment. A la pàgina 450 de [Fernàndez2001] podeu trobar la capçalera de l’slice.

Macrobloc És la unitat emprada per a la predicció i compensació de moviment. A cada MB s’hi associa un vector de moviment. Per tal d’augmentar la compressió, el codificador pot decidir no enviar alguns MB. En imatges P, els MB no transmesos són reproduïts pel mateix MB en la imatge anterior. En imatges B, s’estimen a partir del vector de moviment del MB previ. A la pàgina 452 de [Fernàndez2001] podeu trobar la capçalera del macrobloc. La seva estructura per MP@ML la podeu trobar a la pàgina 455.

Tipus de macrobloc En imatges I només hi ha dos tipus de MB possibles: intra o intra+macroblock_quant. En imatges P, quan hi ha moviment, s’utilitzen MB inter (amb compensació de moviment). Si el fons és fix, no es transmet la informació de moviment sinó que es fa la

97

diferència entre MB situats en la mateixa posició. També es poden utilitzar MB intra quan l’error de predicció és gran i convé més enviar els valors originals. En imatges B, s’utilitza la compensació de moviment cap endavant (forward, a partir d’una imatge I o P anterior), cap endarrere (backward, a partir d’una P o I posterior) o bidireccional (interpolated, fent una mitjana de les dues prediccions anteriors). Això permet evitar errors de predicció elevats quan hi ha oclusions o aparicions o desaparicions d’objectes en l’escena. Malgrat tot, si l’error de predicció és massa elevat, sempre hi ha l’opció d’utilitzar un MB intra.

§ [Fernàndez2001] p. 452-453

Bloc Els blocs consten de les dades dels coeficients de la DCT quantificats d’un bloc de 8 x 8 píxels. En el MP@ML consta de 6 blocs per MB (4 de luminància i un per cada component de color). Existeix una taula de quantificació dels coeficients de la DCT diferent per a MB inter i per MB intra, ja que tenen estadistiques diferents. La capçalera de bloc la podeu veure a la pàgina 456 de [Fernàndez2001].

5.4.4. MPEG4 Part-10/H.264 El sistema MPEG4 Part 10 (nomenclatura ISO) o bé H.264 (nomenclatura ITU) és el sistema de compressió d’imatge de millors prestacions actualment. S’utilitza per a HDTV i també per a vídeo de baix bitrate, per exemple per a Internet. La base del codificador és molt semblant als anteriors sistemes, tot incorporant un conjunt de millores:

• Compensació de moviment amb mida de bloc variable (4 x 4, 8 x 8, 8 x 16, to 16 x 16).

• Estimació de moviment amb precisió de ¼ de píxel. • Possibilitat de tenir referència temporal a partir de múltiples imatges. • Aplicació de predicció espacial en les imatges intra. • Transformada DCT amb coeficients enters i sobre blocs de 4 x 4 píxels. • Codificació estadística adaptativa. • Introducció d’un filtre anti-efecte de bloc en el llaç predictiu.

98

RESUM En aquesta sessió hem estudiat l’estàndard MPEG1. Hem introduït el MPEG2 i estudiat els nivells i perfils, i sintaxi del MPEG2 vídeo. Finalment, hem comentat els principals aspectes del H.264/MPEG4-Part 10.

99

Bibliografia

LLIBRES

Sistemas analógicos y digitales de televisión Torres, Luis; Lleida, Eduardo; Casas, Josep Ramon Edicions UPC Barcelona, 1993 [Torres1993]

Television Measurements. PAL System Craig, Margaret Tektronix Beaverton, 1991 [Craig1991]

La calidad y sus medidas en la señal de televisión Pérez López, Emilio Instituto Oficial de Radiotelevisión Española Madrid, 1993 [Pérez1993]

PAL Plus Pareja Carrascal, Emilio Instituto Oficial de Radiotelevisión Española Madrid, 1995 [Pareja1995]

Sistemas de televisión. Clásicos y avanzados Bethencourt Machado, Tomás Instituto Oficial de Radio y Televisión Madrid, 1990 [Bethencourt1990]

Televisión digital. MPEG-1, MPEG-2, Sistema europeo DVB Benoit, Hervé Editorial Paraninfo Madrid, 1998 [Benoit1998]

100

APUNTS

Sistemes de Televisió Fernàndez, Gabriel Enginyeria i Arquitectura La Salle Barcelona, 2001 [Fernàndez2001]

Televisió. Pràctiques Güell, Jaume; Ribas, Josep Enginyeria i Arquitectura La Salle Barcelona, 2001 [Güell2001]

Encoding Parameters of Digital Television for Studios, ITU-R 601 Unió Internacional de Telecomunicacions ITU 1990 [itu601]

Conventional Analog Television – An introduction Kuhn, Kelin J. 1995 www.ee.washington.edu/conselec/CE/kuhn/ntsc/95x4.htm Referència: [Kuhn1995]

101

Glossari

3-STEP-SEARCH Mètode d’implementació del block matching en el qual es busca dins un subconjunt de punts. Menys costós que el full-search però la solució és subòptima.

Aliasing PAL-Plus. La recepció d’una imatge en 16:9 en una pantalla en 4:3 posa la informació d’alta freqüència del senyal (detalls de la imatge) en una modulació ultranegra en la part superior i inferior de la pantalla. Aquestes bandes són les que ajuden als receptors PAL Plus a fer la reconstrucció de la imatge (ja que sinó hi hauria molt poca resolució). Mentre enviem el vertical helper no podem enviar color.

BANDES DE MACH Són les barres de color que a vegades veiem en les cartes d’ajust. La luminància en aquestes barres és constant, però nosaltres la percebem diferent perquè tendim a comparar-les amb les del voltant.

BLOCK Cada macroblock està format per un conjunt de 4 blocks de 8 x 8 píxels sobre els quals es fa la DCT.

BLOCK MATCHING Tècnica d’estimació de moviment. És el més usat per la seva senzillesa. Consisteix a dividir la imatge en blocs. Té dues modalitats: full-search i 3-step-search (cerca en tres passes).

BURST Sincronització de color. Té la funció de sincronitzar la Fsp del OL i informar del tipus de línia senar o parell. És un sincronisme perfecte de 0,3 V d’amplitud en fase entre el senyal de l’emissor i el receptor (l’ha de conèixer el receptor per agafar-lo com a referència). Consta de 10 a 12 cicles de subportadora inserits al pòrtic posterior del senyal en color per transmetre la sincronització local del receptor (senyal de vídeo compost).

CAMP Per tal d’aconseguir unes imatges contínues hem d’arribar a veure més de 40 imatges per segon. Degut al fet que la freqüència de xarxa seria massa crítica, desdoblem les imatges formades per 625 línies en dos camps, un d’ells formats per 312,5 línies parelles i l’altre per les 312,5 línies senars. En la pantalla, primer apareixerà un camp i llavors l’altre, donant l’efecte que tenim el doble d’imatges per segon i podem veure les imatges més contínues (sense la sensació de pampallugueig).

CODI DE HUFFMAN

102

Codi de longitud variable de descodificació unívoca. És òptim basat a partir de probabilitats.

CODIFICACIÓ DUOBINÀRIA Reduir l’ample de banda a la meitat passant de dos a tres nivells. Amb aquest sistema l’ample de banda varia segons la component que estem transmetent.

COEFICIENTS TRIESTÍMULS A causa del tipus de cèl·lules con, tots els colors els podem definir com una combinació del vermell (R), verd (G) i blau (B). La llum blanca és quan R = G = B.

COFMD Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing. S’utilitza en el DVB-T i permet aprofitar molt bé l’espectre. Es basa amb una modulació multiportadora on els ecos es poden cancel·lar fàcilment.

COMPRESSIÓ La compressió intenta eliminar la redundància que podem trobar en determinades fonts d’informació. La compressió pot ser reversible (quan no hi ha pèrdua amb el que comprimeixes) o irreversible (amb pèrdua, lossy, són els que l’original i el reconstruït no són idèntics).

CORRECCIÓ EN GAMMA La correcció en gamma consisteix a aplicar en el transmissor una no linealitat al senyal del tipus elevat a 1/gamma. Això es fa per compensar la no linealitat que existeix al tubs de raigs catòdics dels receptors que generalment són del tipus elevat a gamma. Gamma és un factor que dependrà de la no linealitat del receptor i acostuma a prendre valors al voltant de 2. D’aquesta forma la resposta global del sistema emissor-receptor serà lineal.

CROMINÀNCIA És la especificació del color (matís i saturació).

CROSS-COLOR Interferència del color sobre la luminància. Per molt que s’utilitzin els espais de Gray, com que compartim el mateix ample de banda entre la luminància i el color sempre tenim alguna interferència.

CROSS-LUMINÀNCIA Interferència de la luminància sobre el color. Per molt que s’utilitzin els espais de Gray, com que compartim el mateix ample de banda entre la luminància i el color sempre tenim alguna interferència.

CROSSTALK Interferència entre els senyals I i Q, els quals haurien de ser independents. Això produeix un canvi en el matís del color (igualment que els errors de fase).

DATACAST

103

Servei de lloguer per transmetre dades utilitzant els les línies 20 – 21 del camp I i les línies 333 – 334 del camp II.

DCT Discrete Cosine Transform. És una transformada real i fixa. Proporciona resultats molt similars als que obtindrem amb KLT. Els seus coeficients ens permeten codificar les imatges en blocs sobre els quals es farà la DCT.

DEFLEXIÓ És el fet de desviar el feix d’electrons d’esquerra a dreta en un TRC. Això s’aconsegueix creant un camp magnètic, donant una rampa de corrent a les bobines de deflexió horitzontals. Existeix també la deflexió vertical que serveix perquè el feix faci el moviment de dalt a baix.

DFT Discrete Fourier Transform. Transformada complexa que s’utilitza en l’anàlisi espectral.

DIGITALITZACIÓ Un senyal digital és més robust al soroll que un d’analògic i necessita menys potència per ser transmès. L’ús de circuits electrònics digitals ens permeten manipular més fàcilment el senyal, aplicar codis correctors d’errors, comprimir, utilitzar canals adjacents (amb més ample de banda).

DISTORSIÓ La distorsió és una malformació del senyal a causa d’una resposta imperfecta del sistema.

DISTORSIÓ DE COIXÍ Per solucionar el fet que la pantalla d’un televisor és aproximadament plana (els punts dels extrems estan en un punt més llunyà del centre de la pantalla i les imatges queden bombades en forma de coixí), es col·loquen imants a cada banda, en la televisió en blanc i negre, o bé ajustem el corrent de deflexió electrònicament, en el cas de la televisió en color.

DISTORSIÓ DE LINEALITAT Causada per la no curvatura de la pantalla de televisió (la separació entre línies de l’extrem superior i inferior és major que la separació que hi ha entre les del centre de la pantalla). Es pot solucionar fent una correcció en “S” que suavitzarà la corba de la deflexió horitzontal.

EDTV Extended Definition Television. Sistemes analògics que milloren el senyal transmès. Els més importants són PAL PLUS i MAC.

EFECTE PERSIANA Barres de Hannover. En la imatge hi ha línies que es veuen més lluents que d’altres. Quan la correcció en gamma és major que 5 º part de la informació de luminància viatja en el senyal de croma. L’entrellaçat agreuja aquest fenomen.

104

EL·LIPSES DE MC.ADAM Fa una reorientació dels eixos U i V i els anomena I i Q. Aquesta reorientació es basa en què cada llum dins el gràfic d’eixos u i v té forma d’el·lipse. Si travessem les el·lipses pel cantó curt, la variació d’el·lipses és molt més ràpida i tindrem més sensibilitat al color. Per tenir una sensibilitat màxima cal que els nous eixos tinguin un angle superior de 33 º respecte els antics.

EMMASCARAMENT VISUAL Reducció visual d’un cert estímul per la producció d’un canvi espacial (poc sensibles al contorn) i temporal (poc sensibles al detall en imatges que es mouen).

ENTRELLAÇAT Desdoblament de les imatges en dos camps amb la meitat de línies cadascun. L’objectiu de l’entrellaçat és el de proveir d’un sistema de visualització lliure de flícker però amb un nombre d’imatges per segon relativament petit.

ESBORRAT (BLANKING) L’esborrat és l’interval de temps durant el qual el TRC no ha de pintar res per pantalla, ja que el feix d’electrons està retornant horitzontalment o verticalment. L’esborrat horitzontal està format per dos pòrtics i un sincronisme que en total ocupen 12 microsegons de cada línia. L’esborrat vertical té una durada de 25 línies, formades per un conjunt de polsos de preigualació, sincronisme vertical i postigualació. Durant l’esborrat vertical es contínua enviant el sincronisme horitzontal.

ESTIMACIÓ DE MOVIMENT Els objectes en moviment tenen un error de predicció molt gran. Per solucionar-ho tindrem en compte el moviment en la predicció amb vectors de moviments. Existeixen diferents mètodes per tal de realitzar aquesta estimació, com són els mètodes de gradient, correlació de fase i block matching. L’estimació es realitza sobre la Y. Els de la Cr es basen en els de la Y dividits entre 2.

FACTOR DE COMPRESSIÓ Relació que ens indica el nombre de vegades que reduïm la informació en un sistema de compressió de dades.

FACTOR DE KELL Factor que defineix la pèrdua de definició vertical. És degut al sistema d’entrellaçat i a deficiències mecàniques del sistema d’entrellaçat dels televisors.

FLÍCKER La freqüència crítica de flícker és el nombre d’imatges discontínues que calen rebre en un segon perquè ens sembli veure una imatge constant. Aquesta freqüència és de 40 Hz. (40 imatges/segon) i pot augmentar si augmenta la luminància o augmenta el tamany de la superfície il·luminada. Flícker de grans àrees i flícker de línia.

FULL-SEARCH

105

Mètode d’implementació del block matching. Consisteix en buscar totes les possibles posicions del bloc de referència. Molt costós però trobem el resultat òptim.

GOP Group of pictures. Forma part de la sintaxi del stream del MPEG. Un GOP conté la informació d’una sèrie d’imatges codificades. Un GOP és obert quan es pot relacionar amb un altre; en canvi, és tancat quan no podem fer-ho.

HD-MAC Sistema d’alta definició HDTV que es compon de 1250 línies/imatge, 25 imatges/segon, 2 camps imatge i relació 16:9. Treballa amb vectors de moviment per interpolar una fusió de les 2 trames sols al lloc on hi ha hagut moviment.

HDTV Sistemes analògics d’alta definició. Permet obtenir més resolució espacial, relació d’aspecte panoràmica 16:9, millora del color i so digital. N’hi ha dos tipus: HD-MAC (1250 línies/imatge, 25 imatges/segon, 2 camps imatge i relació 16:9). MUSE (1050 línies/imatge, 30 imatges/segon, 2 camps/imatge i relació 16:9). S’aconsegueix augmentar la resolució espacial, millora del color, so digital i relació d’aspecte panoràmica 16:9. Mostratge subNyquist.

IDTV Improved Definition Television. Millora feta en els receptors a partir de filtres COMB, cancel·ladors d’eco i sistemes de 100 Hz. Amb això s’aconsegueix eliminar totalment el flícker (però apareix un problema temporal que es manifesta com una tremolor).

ILC Índex de luminància constant. Serveix per quantificar la dependència entre els canals de croma i de luminància i veure en quin grau es pot violar el principi de luminància constant.

IMATGE PROGRESSIVA S’utilitza en el cinema. El cinema capta les imatges fotograma a fotograma, la imatge des de l’inici ja és una foto de 576 línies.

IMATGES I, B, P Són les imatges que poden portar un GOP dins la seqüència del MPEG. Les imatges I (intra) estan codificades sense predicció temporal, les imatges P (predicted) la codificació és amb predicció temporal a partir d’una altre imatge I o P anterior, i les imatges B (bidirectional) estan codificades amb predicció temporal a partir d’una I o P posterior.

INTEGRADOR ELECTRÒNIC Es troba en el sistema PAL-D per solucionar els problemes del PAL-S. Realitza la integració de les línies electrònicament. Com a conseqüència s’elimina totalment

106

l’efecte persiana i la línia de retard és ultrasònica, però tenim una pèrdua de resolució vertical del color.

INTERFERÈNCIA La interferència és un senyal molt similar al nostre (generalment freqüencialment) que afecta al nostre senyal.

INTERFRAME Per poder comprimir utilitza vàries imatges de vídeo (extreu la redundància de vàries imatges de vídeo).

INTRAFRAME Quan la compressió de vídeo es realitza en una sola imatge (extreu la redundància de cada imatge).

ITU-R 601 Norma estandarditzada per tal d’obtenir la Y, U i V digitalitzades en paral·lel. Els tres senyals R, G i B després de passar per un filtre FPB de 5,5 MHz es transformen a causa d’una matriu en Y’, B’-Y’ i R’-Y’. Cada una d’elles actua per separat. A la Y’ se li aplica un retard, en canvi als altres senyals se’ls multiplica per un factor de 0,5643 i 0,713 respectivament. Llavors en la Y’ li apliquem un altre filtre FPB de 5,5 MHz, se la mostreja a 13,5 MHz i ja se la pot quantificar per obtenir un senyal digital·litzat de 8 o 10 bits. Les altres dos el FPB que se’ls aplica és de 2,75 MHz i la freqüència de mostratge de 6,75 MHz.

KLT Karhunen Lloeve Transform. És la transformada òptima, ja que calcula els coeficients de la transformada adaptats a unes dades concretes. És òptim per imatges estàtiques, ja que per cada nova imatge ha de calcular nous coeficients.

LÍNIA Les imatges es composen de línies. Cada línia dura 64 microsegons, 52 dels quals són d’informació, i recorre d’esquerra a dreta de la pantalla donant-li la informació de luminància i de color. Cada imatge ocupa 625 línies.

LLUM MONOCROMÀTICA És la llum que té tota l’energia (informació) en una longitud d’ona concreta. La seva oposada és la llum blanca que té la informació per igual a totes les longituds d’ona.

LUMINÀNCIA És la informació blanc i negre d’una imatge (aproximació a la lluentor).

MAC Multiplexed Analog Components. Objectius: millorar el sistema PAL, millorar la qualitat sobretot via satèl·lit amb un millor aprofitament de l’espectre, mantenir certa compatibilitat amb el sistema PAL, eliminar interferències Y/Cr, millorar resolució horitzontal i augmentar el nombre i qualitat de canals de so.

107

METÀMERS Distribucions físicament diferents, però que tenen la percepció visual (sensació de color) igual cadascuna d’elles.

MÈTODES PREDICTIUS Basat en predicció. Consisteixen a predir la informació a partir de mostres prèvies. Generalment, les mostres directament no tenen redundància però es mouen dins un marge (són similars). Aquests mètodes no transmeten el valor sinó l’error del que havia de transmetre i el que ha predit, esperant que aquests siguin aprox. 0.

MÈTODES TRANSFORMATS Serveixen per eliminar la redundància espacial. Basen el seu funcionament en treballar en un domini transformat on la informació es descriu de forma més compacta. Aquests mètodes són més complexos que els predictius, però també més òptims.

MFO Monitor de Forma d’Ona. És un instrument dissenyat per l’anàlisi i mesura directa dels diferents paràmetres del senyal de televisió.

MOSTRATGE ORTOGONAL Aquest mostratge consisteix a agafar les mostres d’una imatge línia a línia de manera que unes mostres estiguin a sobre de les altres. Perquè sigui ortogonal cal que Fm = K•Fh.

MOSTRATGE SUBNYQUIST Aquests sistemes agafen no totes les mostres sinó alternatives. Aquestes mostres es recuperaran en el receptor mitjançant mètodes d’interpolació.

MPEG-2 Digital. Algorisme de compressió de la informació de vídeo per poder transmetre la informació, comú a tots els països.

MUSE Sistema HDTV. 1050 línies/imatge, 30 imatges/segon, 2 camps/imatge i relació 16:9. S’aconsegueix augmentar la resolució espacial, millora del color, so digital i relació d’aspecte panoràmica 16:9. Mostratge subNyquist.

NTSC Sistema de TV americà. Compost de 525 línies/imatge, 30 imatges/segon i 2 camps/imatge. Relació d’aspecte 4:3. – resolució espacial + temporal. Com a principal problema les distorsions de color causades pels errors de fase entre l’oscil·lador del receptor i la portadora que provoquen canvis de matís en el color (botó hue: ajust manual de la fase).

PAL

108

Phase alternating line. Europeu. Sistema analògic compost de 625 línies/imatge, 25 imatges/segon i 2 camps/imatge. Relació d’aspecte 4:3. La combinació de fase entre línies més l’integrador electrònic cancel·la els canvis de matís en el color a causa dels errors de fase (receptors PAL inclouen el control de croma). Elimina el crosstalk. Sistema més car i patró interferent més molest que en el NTSC.

PAL PLUS Sistema analògic que millora el senyal PAL convencional. Permet la compatibilitat entre 4:3 i 16:9 (en format panoràmic).

PATRONS D’INTERFERÈNCIA En funció de la freqüència subportadora que escollim, per tal de transmetre el nostre senyal, podem tenir interferències diferents que ens afecten al color. El tipus d’interferència que menys ens afecti serà el que ens condicionarà la nostra Fsp.

PATRONS DE MOSTRATGE Plantilles que seguim per tal d’eliminar mostres d’un senyal i així poder-los comprimir. Aquests patrons s’escullen en funció del tipus de resolució que vulguem tenir. Un cop haguem mostrejat el senyal, seguint un d’aquests patrons, podrem enviar-lo pel canal o bé guardar-lo (ocupant el mínim d’espai). La simbologia d’aquests patrons s’expressa amb tres nombres X : Y : Z. El primer d’ells (X) indica el nombre de mostres, el segon (Y) indica les mostres de Y que agafem de cada Y mostres i el tercer (Z) les de crominància. Els patrons de mostratge més comuns són el 4:2:2 (el color agafa la meitat de mostres per línia que la luminància), 4:1:1 (elimina 1 de cada dues columnes de crominància), 4:2:0 i 4:4:4 (agafem mostres de Y i de Cr de tot arreu).

PERCEPCIÓ VISUAL La llum es caracteritza perquè té una freqüència a la qual nosaltres som sensibles. La llum la podem especificar amb unes quantitats radiomètriques i fotomètriques. Les quantitats radiomètriques són els factors físics de la energia, la longitud d’ona dominant i l’ample de banda que podem arribar a mesurar físicament amb un instrument. Les fotomètriques són els factors amb els quals la percebem, lluentor (sensació de luminància), matís (sensació de saber distingir diferents colors) i saturació (més o menys vida d’un color), els quals a diferència dels anteriors, són diferents per cada persona.

PMT Program Map Table. Forma part del PSI. Ens indica el nombre d’streams que forma un programa i el PID de cadascun d’ells.

PRINCIPI DE LUMINÀNCIA CONSTANT Les pertorbacions, sorolls o contaminacions del color no poden afectar a la luminància.

REDUNDÀNCIA

109

Fonaments de la compressió. Gràcies al fet que existeix una redundància en les fonts d’informació existeixen mètodes de compressió per tal d’eliminar els diferents tipus de redundància: temporal, espacial, estadística, psicofísica.

SDI Serial Digital Interface. És agafar el senyal paral·lel i serialitzar-lo (en comptes d’anar amb 8 fils va en 1). Es treballa a 270 Mbps i és necessari autosincronitzar-lo.

SECAM Sequentiel a couleur avec memoire. Sistema analògic compost per 625 línies/imatge. La modulació en FM de la crominància elimina errors de crosstalk i de fase, però fa impossible l’entrellaçat de l’espectre. La resolució de color en sentit vertical disminueix.

SENSACIÓ DE MOVIMENT És el nombre mínim de imatges/segon necessàries perquè un seguit de fotogrames sembli un moviment real. El seu valor està al voltant de 15.

SENYALS DE TEST VITS. Vertical Interval Test Signals. Senyals que ajudaran a verificar la qualitat de la imatge. Es troben a la línia 17-18 del camp I i la 330-331 del camp II.

SINCRONISME Són els impulsos existents en el senyal de televisió que ens diuen quan acaba una línia i quan acaba el camp. Indiquen al feix d’electrons que impacte sobre el TRC (tub de raigs catòdics), l’inici d’una nova línia (sincronisme de línia o horitzontal) o bé l’inici d’un nou camp (sincronisme de camp o vertical).

SISTEMA COMPATIBLE Es basa en transmetre la informació que ens dóna la càmera en 3 senyals que seran Y (corregida en gamma Y^1/γ), R-Y i B-Y. Tant el receptor en B/N com en color aconseguiran Y.

SISTEMA QUASI COMPATIBLE En els tres senyals que envia la càmera els aplicarà la ()^1/γ i llavors trobarà la Y a partir d’aquests. Transmetrà Y’, R’-Y’ i B’-Y’. Aquest sistema no és compatible, és a dir, perd la compatibilitat en receptors B/N i viola el principi de luminància constant.

SOROLL El soroll és un senyal elèctric, aleatori amb naturalesa natural que ens contamina el nostre senyal quan aquest viatja a través d’un canal.

SVH (Sistema Visual Humà). Es compon del nivell perifèric (converteix la llum en senyals neuronals) i nivell central (passa dels senyals neuronals a la informació visual). Les cèl·lules encarregades de percebre la llum són les cèl·lules bastó (responsables de la visió monocromàtica, poca llum; es troben uniformement distribuïdes en la retina

110

exceptuant la fòrea que gairebé no n’hi ha), i les cèl·lules con (responsables de la visió en color i la definició espacial; n’existeixen tres tipus segons la sensibilitat al vermell, verd i blau ; es troben concentrades a la fòvea).

TELETEXT Servei d’informació unidireccional en format de text. Aquest format disposa en la pantalla de 25 línies i 40 columnes, un total de 1000 caràcters/pàgina de teletext. Aquesta informació viatja en les línies VBI corresponents al camp I de la 7 a la 22 i al camp II de la 320 a la 337.

TELEVISIÓ Sistema de comunicació electrònic per transmetre imatges amb moviment amb el seu corresponent so a distància.

TRC Tub de raigs catòdics. És un aparell format per un coll, con i una pantalla. Els electrons que es generen al coll fins arribar a la pantalla impactaran sobre una capa de fòsfor que resideix en ella, la qual convertirà l’energia dels electrons en energia lluminosa.

VBI Vertical Blanking Interval. Està format per les senyals de test (ajudaran a verificar la qualitat de la imatge), senyals de teletext (transmetre informació digital dins un senyal analògic), senyalització PAL Plus (formats panoràmics), senyals de Datacast (servei de transmissió de dades per a empreses) i VPS (Video Programming System, enregistrament de vídeo).

VECTORSCOPI El vectorscopi permet la visualització de la informació de color del senyal de TV, representades en coordenades polars.

VÍDEO DIGITAL Digitalització d’un senyal analògic que proporciona: alta qualitat, robustesa al soroll, emmagatzematge sense pèrdua i transmissió en xarxes telemàtiques d’alta velocitat.

Documents

Televisio Digital 1 - Salle-URL · - ASK (Amplitude Shift Keying) / QAM (Quadrature Amplitud Modulation) (TV digital cable). - FSK : Frequency Shift Keying. - PSK : Phase Shift Keying