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Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2007 1
VDEO DIGITAL
PRINCPIOS DE TELEVISO DIGITAL Guido Stolfi 04/2008
1. Introduo: Sinais Digitais x Analgicos
Um sinal eltrico denominado analgico quando reproduz uma
informao atravs da variao de algum parmetro de forma anloga
informao original. Um microfone, por exemplo, produz um sinal
eltrico cuja tenso Vo anloga presso sonora incidente PS.
J em um sistema de modulao FM, a freqncia do sinal transmitido
que varia de forma anloga informao modulante.
Como tal, um sinal analgico pode assumir infinitos valores, em
infinitos instantes de tempo, dentro de determinados intervalos.
Podemos dizer ento que o sinal analgico equivale a uma funo contnua
y = f(t) , definida para todos os valores da varivel contnua t.
Um sinal digital (do latim digitus = dedos), por outro lado,
pode assumir apenas valores pertencentes a um conjunto finito de
smbolos (p. ex. 0 ou 1 para um sinal binrio), e esses valores so
atribudos apenas em determinados instantes dentro de um intervalo
de tempo. O sinal digital portanto equivale a uma seqncia enumervel
de smbolos discretos, ou, em outras palavras, a uma seqncia
ordenada de
nmeros inteiros.
O processo denominado digitalizao, pelo qual um sinal analgico
convertido para o domnio digital, compreende assim dois processos
independentes, que sero detalhados adiante:
Amostragem
Quantizao.
1.1 Degradaes do Sinal Analgico
Uma das foras mais importantes que movem as tcnicas das
Telecomunicaes em direo ao domnio digital deve-se ao fato de que
todo sinal analgico est sujeito a 4 categorias de degradaes, que o
afetam em maior ou menor grau sempre que transportado, processado
ou armazenado:
Rudo: aleatrio, cumulativo, inerente aos processos fsicos
envolvidos na circulao da corrente eltrica;
Distoro no-linear: presente em todos os elementos ativos de
circuitos, amplificadores, processadores, etc.;
Interferncias: ingresso de sinais indesejados, geralmente de
origem conhecida; identificveis, porm de difcil ou impossvel
eliminao;
Perdas: atenuao, limitao de resposta em freqncia, disperso
temporal, defasagem, etc.
3
Fig. 1.1 Sinal Analgico em um Microfone
Fig. 1.2 Sinal Digitalizado
Fig. 1.3 Degradaes de um Sinal Analgico
M
t
Vo
t
PS
t
Vo
t
202 275 100 43 52
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 2
A codificao digital proporciona muitas vantagens no tratamento e
distribuio de sinais de vdeo: alm da imunidade s degradaes listadas
acima, os equipamentos que operam no domnio digital podem realizar,
de forma eficiente, funes de processamento de imagem que seriam
praticamente impossveis de executar na forma analgica. Entre estas
funes encontram-se, por exemplo, transformaes espaciais e a extrao
das componentes visualmente relevantes de uma imagem, o que
fundamental para a implementao de processos de compresso de
dados.
Os desenvolvimentos de tcnicas de compresso de dados, aplicveis
a seqncias de imagens em movimento, bem como de cdigos de correo de
erros e processos eficientes de modulao, tornaram vivel a
radiodifuso de programas de TV em formato digital. Hoje existem
vrios sistemas digitais em operao, seja por satlite, cabo ou
radiodifuso terrestre, apresentando vantagens em relao aos canais
analgicos, tanto na qualidade de imagem (pela imunidade a rudos),
como na variedade de programas disponveis (pelo aumento da
capacidade do canal de comunicao conseguido pela compresso), alm de
permitir a interoperabilidade com servios adicionais de comunicao
de dados.
A aplicao dos processos digitais na transmisso e radiodifuso de
sinais de TV ser detalhada oportunamente em outros mdulos do curso;
neste texto vamos nos restringir aos conceitos de amostragem,
quantizao e processamento digital de sinais de vdeo.
2. Amostragem O processo de amostragem consiste em tomar os
valores de uma funo contnua, s(t), apenas para valores discretos de
t, correspondentes a mltiplos de uma unidade T, denominada Perodo
de Amostragem, resultando assim em uma seqncia de valores numricos
(amostras), associadas aos instantes nT.
s(n) = s(nT)
A varivel t em geral corresponde ao tempo, mas pode representar
uma dimenso linear, por exemplo x,y no caso da amostragem de uma
imagem.
Denomina-se freqncia de amostragem ao inverso do perodo T: fA =
1/T
Fig. 2.1 Amostragem de um Sinal Contnuo (T = 20 ms)
2.1 Expresso Matemtica do Processo de Amostragem O sinal
amostrado pode ser obtido de forma conveniente, do ponto de vista
da anlise matemtica, como o resultado da multiplicao do sinal
contnuo original, s(t), com uma funo de amostragem a(t), constituda
de uma seqncia peridica de impulsos:
+
=
==n
A nTttaondetatsts )()()()()(
O impulso (t) corresponde a uma funo hipottica cujo valor zero
para t 0 , mas cuja rea unitria, ou seja, (t) tende a infinito para
t = 0.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 3
Fig. 2.2 Amostragem como Produto com Impulsos Peridicos
2.2 Reconstruo de um Sinal Amostrado Pela expresso deduzida
acima, um sinal amostrado possui valor igual a zero para t nT. Esse
sinal no tem significado fsico; ele no pode ser convertido
diretamente para o formato da informao contnua (anloga) original.
Para que um sinal amostrado possa ser transformado novamente em um
sinal contnuo, necessrio aplicar um processo complementar
amostragem. O processo de reconstruo do sinal consiste na
substituio de cada amostra sA(nT) por um pulso contnuo h(t-nT),
posicionado em um ponto correspondente ao instante nT, com
amplitude proporcional a sA(nT).
Esta operao consiste na convoluo do sinal sA(nT) com uma funo
h(t), denominada funo de reconstruo:
A expresso acima corresponde resposta de um sistema linear (p.
ex. um filtro), caracterizado por uma resposta ao impulso h(t),
quando excitado com um sinal de entrada sA(t). Ou seja, cada
impulso correspondente a uma amostra sA(nT) provoca uma resposta da
forma h(t) com amplitude correspondente. Os pulsos h(t) podem ou no
ter durao maior que T, ou seja, as respostas de cada amostra podem
se superpor.
Fig. 2.3 Reconstruo de um Sinal Amostrado
A escolha da funo de reconstruo determina de certo modo a
semelhana obtida em relao ao sinal original. A figura 2.4 apresenta
alguns exemplos de reconstruo:
a) usando uma funo retangular, com largura igual a T: neste
mtodo no h superposio das respostas ao impulso; esta forma
conhecida como topo plano ou sample and hold;
b) usando um pulso triangular, com largura igual a 2T: aqui
ocorre superposio entre duas amostras, e o efeito equivale a
efetuar a interpolao linear entre as amostras originais;
c) usando um pulso gaussiano, da forma h = exp(-kt2) : tambm
ocorre superposio, teoricamente infinita.
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-
1 . 5
- 1
- 0 . 5
0
0 . 5
1
1 . 5
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0
0
0 . 2
0 . 4
0 . 6
0 . 8
1
1 . 2
1 . 4
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-
1 . 5
- 1
- 0 . 5
0
0 . 5
1
1 . 5
)(ts
)( nTt
=
)(nTsA
)()()()()( thnTsdthsts AAR == +
h(t) sA(nT) sR(t) sA(nT) h(t)
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 4
(a)
(b)
(c)
Fig. 2.4 Reconstruo de um Sinal Amostrado: (a)= Pulso
retangular; (b)= Triangular; (c)= Gaussiano
2.3 Teorema da Amostragem As condies tericas para que o processo
de amostragem permita uma reconstruo perfeita do sinal original, ou
seja, sem perdas, esto expressas no Teorema da Amostragem,
consolidado por Claude Shannon em 1948, a partir de embasamento
obtido por Nyquist (1928) e V. A. Kotelnikov (1933). Este teorema
estabelece que:
a) A reconstruo exata de um sinal amostrado possvel se o sinal
for limitado em freqncia, e a taxa de amostragem for maior que o
dobro da freqncia mxima contida no sinal:
MAXA ff >2
b) A funo de reconstruo ideal h(t) da forma
Isso equivale a dizer que um sinal deve ser limitado em banda
antes de ser amostrado, para que ele possa ser reconstrudo
perfeitamente mais tarde. A banda de freqncias ocupada pelo sinal
deve ser menor que a metade da freqncia de amostragem. Este critrio
conhecido como critrio de Nyquist para a freqncia de
amostragem.
O teorema da amostragem pode ser demonstrado a partir da
interpretao dos sinais no domnio da freqncia. A figura 2.5
apresenta um sinal s(t) e seu espectro S(f) (ou seja, sua
representao no domnio da freqncia):
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
-20
-10
0
10
20
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
( )( ) T
txondexxth =
=sen)(
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 5
Fig. 2.5 Sinal s(t) e seu espectro S(f)
J o espectro A(f) da funo de amostragem, a(t),tambm assume a
forma de uma seqncia de impulsos, espaados de fA = 1/T em
freqncia:
Fig. 2.6 Funo de Amostragem a(t) e seu espectro A(f)
O sinal amostrado, sA(nT), igual ao produto de s(t) por a(t);
portanto, o espectro de sA(nT) equivale convoluo dos espectros S(f)
e A(f):
Fig. 2.7 Sinal amostrado sA(nT) e seu espectro SA(f)
O espectro do sinal amostrado consiste da replicao do espectro
do sinal original, transladado sobre todos os mltiplos da freqncia
de amostragem. Podemos observar que no ocorrer superposio do
espectro original com os espectros replicados, caso a maior
freqncia do sinal original seja menor que a metade da freqncia de
amostragem (50 Hz, no caso do exemplo das figuras acima).
A reconstruo perfeita, nesse caso, possvel aplicando um filtro
passa-baixas ideal, com freqncia de corte igual metade da freqncia
de amostragem, como apresentado na figura 2.8.
Ocorre que a resposta ao impulso de um filtro passa-baixas ideal
da forma
Portanto a reconstruo pode ser representada no domnio do tempo
como a convoluo do sinal amostrado, sA(nT), com uma funo da forma
sen(x)/x, como apresentado na figura 2.9.
Evidentemente, a reconstruo ideal em geral hipottica, pois a
funo de reconstruo necessria infinita em t (tem durao de a + ).
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 5000
20
40
60
80
100
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
20
40
60
80
100
120
140
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 5000
20
40
60
80
100
( )( ) T
txondexxth =
=sen)(
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 6
Fig. 2.8 Reconstruo por Filtro Passa-Baixas Ideal
Fig. 2.9 Reconstruo no Domnio Temporal por h(t) = sen(x)/x
2.4 Rebatimento Espectral Quando a restrio do Teorema da
Amostragem no obedecida, ocorre superposio dos espectros replicados
sobre o espectro do sinal original. Essa situao denominada
rebatimento espectral ou aliasing. A conseqncia desta superposio
que toda componente do sinal original com freqncia fM, maior que fA
/2, d origem a uma componente espria com freqncia igual a fA -
fM.
Esta componente ter freqncia menor que fA / 2, e portanto ser
indistinguvel de uma eventual componente de mesma freqncia que
estivesse presente no sinal original. A figura 2.10 apresenta um
exemplo, no qual um sinal senoidal de freqncia igual a 8 Hz
amostrado com taxa de 10 Hz. Aps a reconstruo, resulta em um sinal
senoidal de freqncia igual a 2 Hz.
2.5 Critrios Prticos para Sistemas de Amostragem Excetuando
casos especiais, os sistemas amostrados seguem o diagrama da fig.
2.11. O sinal contnuo a ser amostrado aplicado a um filtro
passa-baixas, denominado filtro anti-aliasing, cuja funo impedir
que eventuais componentes com freqncia maior que fA / 2 passem para
a etapa de amostragem.
O sinal filtrado ento amostrado com fA , e posteriormente (aps o
processamento, armazenamento ou transmisso) retornado forma
analgica, atravs de um filtro de reconstruo.
Uma vez que um filtro anti-aliasing ideal no pode ser realizado
fisicamente, em geral adota-se uma resposta (realizvel) do tipo
apresentado na figura 2.11(b), que caracterizado por uma faixa de
passagem
- 5 0 0 - 4 0 0 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0
0 5 0 00
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
- 5 0 0 - 4 0 0 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0
0 5 0 00
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0
00
0 . 5
1
1 . 5
)(RS
)(H
=
)(AS
)(tsA
)(th
=
)(tsR
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-
1 . 5
- 1
- 0 . 5
0
0 . 5
1
1 . 5
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-
1 . 5
- 1
- 0 . 5
0
0 . 5
1
1 . 5
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-
0 . 5
0
0 . 5
1
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 7
(que compreende as freqncias de interesse); por uma faixa de
rejeio (freqncias a serem suprimidas, em geral acima de fA / 2), e
por uma faixa de transio, na qual o filtro atua atingindo a atenuao
especificada. Em geral, quanto menor a faixa de transio, mais
difcil a implementao do filtro, e e pior a resposta temporal do
mesmo. Em sistemas onde a resposta aos transitrios importante (como
o caso do vdeo), a faixa de transio deve ser maior. No caso do
udio, onde a resposta em freqncia importante e a resposta temporal
no significativa, so aceitos filtros com faixa de transio
menor.
Fig. 2.10 Exemplo de Rebatimento Espectral (aliasing)
Fig. 2.11 Sistema Amostrado e Filtro Anti-aliasing
A tabela 2.1 apresenta as caractersticas de alguns sistemas
amostrados usuais, onde podemos verificar que o critrio de Nyquist
obedecido com margens de segurana variveis, conforme a aplicao.
Sistema fM fA fA / fM udio CD 20 kHz 44,1 kHz 2,205 Telefonia
3,4 kHz 8 kHz 2,35 Vdeo Digital SD 4,2 MHz 13,5 MHz 3,21
Tabela 2.1 Alguns Sistemas Amostrados
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0
0
0 . 2
0 . 4
0 . 6
0 . 8
1
1 . 2
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-
1 . 5
-1
- 0 . 5
0
0 . 5
1
1 . 5
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-
1 . 5
-1
- 0 . 5
0
0 . 5
1
1 . 5
)(ts
)(ta
)(nTsA
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0
0-0 . 5
0
0 . 5
1
1 . 5
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0-
1 . 5
- 1
- 0 . 5
0
0 . 5
1
1 . 5
)(th
)(ts R
s(t)
a(t)
sA(t) sR(t)
Filtro anti-aliasing
Filtro de reconstruo
Funo de amostragem
h(t)
Faixa de Passagem
Faixa de Transio
Faixa de Rejeio
0 fM fAfA / 2
-
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2.6 Critrio de Kell O critrio de Nyquist representa uma situao
limite, que s pode ser atingida com o uso de um filtro ideal (ou
quase). Nos casos em que o filtro de reconstruo no pode ser
especificamente implementado, como ocorre freqentemente em sistemas
de visualizao de imagem, esse critrio no proporciona resultados
satisfatrios.
A figura 2.12 apresenta um exemplo no qual o critrio de Nyquist
atendido ( fA = 2,2 fM) e, no entanto, devido ao uso de uma funo de
reconstruo retangular, a supresso das componentes replicadas no
satisfatria, resultando em batimentos.
Fig. 2.12 Amostragem Segundo o Critrio de Nyquist (fA = 2,2
fM)
Em 1934, R. D. Kell realizou pesquisas tentando determinar a
resoluo mxima que poderia ser obtida em um sistema de varredura,
aplicado televiso. O fator de Kell, obtido experimentalmente,
define a relao entre a freqncia de amostragem terica obtida pelo
critrio de Nyquist e a freqncia mnima vivel (para reduzir os
efeitos de batimento). Valores experimentais esto na faixa de 0,64
a 0,8, e dependem das funes de reconstruo intrnsecas dos processos
de reproduo de imagem em estudo.
Podemos combinar o fator de Kell com o critrio de Nyquist,
chegando a um critrio de Kell (emprico): fA 3 fM.
A figura 2.13 mostra um sinal amostrado com fA = 3,3 fM e
reconstrudo com pulso retangular. Podemos notar que a ocorrncia de
mximos e mnimos preservada para todos os ciclos do sinal
original.
Conforme apresentado na Tabela 2.1, a amostragem de sinais de
vdeo em geral feita considerando o critrio de Kell.
Fig. 2.13 Amostragem Segundo o Critrio de Kell (fA = 3,3 fM)
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0
0-1 .5
-1
-0 .5
0
0 .5
1
1 .5
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0
0-1 .5
-1
-0 .5
0
0 .5
1
1 .5
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0
0-1 .5
-1
-0 .5
0
0 .5
1
1 .5
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0
0-1 .5
-1
-0 .5
0
0 .5
1
1 .5
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 9
3. Quantizao As amostras de um sinal analgico so representadas
por nmeros reais, podendo assumir infinitos valores dentro de um
determinado intervalo. O processo de quantizao corresponde converso
desses valores reais em nmeros inteiros, atribuindo um mesmo valor
numrico QN a todas as amplitudes dentro de um intervalo [vN, vN +
v]. Ou seja, equivale a arredondar a amostra para o valor inteiro
mais prximo.
A distncia entre os valores sucessivos de quantizao (QN e QN+1)
denominada passo de quantizao. Quando o passo constante, dizemos
que a quantizao uniforme. (Alguns sistemas de digitalizao utilizam
quantizao no linear, onde o passo varivel em funo da amplitude do
sinal).
Fig. 3.1 Quantizao de um Sinal Analgico
O processo de quantizao introduz um erro no sinal resultante,
eQ(t) = sQ(t) s(t), tanto maior quanto maior o passo de quantizao.
Em sistemas com quantizao uniforme, o erro limitado em amplitude
entre Q/2 e +Q/2. Para sinais irregulares, e com Q suficientemente
pequeno, o erro de quantizao no correlacionado com o sinal e pode
ser modelado como um sinal aleatrio, com densidade espectral de
potncia uniforme, e com amplitude pico-a-pico igual a Q. Em outras
palavras, o processo introduz um rudo aleatrio, que passa a ser
denominado rudo de quantizao. A figura 3.2 apresenta o erro de
quantizao, seu histograma de amplitudes e o espectro, para o caso
exemplificado na fig. 3.1. Nessas condies, a potncia do rudo de
quantizao pode ser expressa por:
Fig. 3.2 Erro de Quantizao (a), Histograma (b) e Espectro
(c)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-10
-5
0
5
10
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-10
-5
0
5
10
)(tsQ
)(ts
( Q = 1 )
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-0.5
0
0.5
-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.60
2
4
6
8
10
12
14
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
5
10
15
20
25
30
)()()( tstste QQ = (a)
(b) (c)
==2
2
22
12
Q
QQ
QdssP
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
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3.1 Quantizao no Conversor A/D O dispositivo eletrnico
responsvel pela quantizao de um sinal eltrico o Conversor
Analgico-Digital, ou A/D. Na maioria dos casos, este dispositivo
converte sinais de entrada (contidos dentro de uma faixa de tenso
de pico-a-pico, SP-P, denominada fundo de escala) para uma palavra
digital expressa na forma binria, com um nmero n de bits. Desta
forma, um conversor A/D possui 2n nveis de quantizao, em geral
uniformemente espaados, com passo de quantizao Q = SP / 2n .
Neste caso, podemos estabelecer que a potncia de pico do sinal
ser PP = SP2 = Q2 22n-2 . Como a potncia do rudo de quantizao pode
ser modelada por PQ = Q2 / 12, ento a relao Sinal / Rudo mxima que
pode ser obtida em um processo de quantizao desse tipo ser dada
por
Ou, expressa em decibis, teremos:
Podemos estabelecer ento, como regra prtica, que a relao
Sinal/Rudo melhora em 6 dB para cada bit adicional fornecido pelo
conversor A/D. Por exemplo, conversores A/D com 8 bits (256 nveis
de quantizao) podem alcanar relao S/R mxima de 52,9 dB. Sistemas de
16 bits (65536 nveis) podem atingir at 101 dB.
3.2 Converso A/D de Sinais de Vdeo Uma vez que a potncia de um
sinal de vdeo no tem um significado fsico/sensorial direto (ao
contrrio do udio), costuma-se caracterizar o rudo pela a relao
entre a amplitude pico-a-pico mxima do sinal de vdeo (100 unidades
IRE) e a amplitude eficaz do rudo de quantizao, medida dentro da
banda passante nominal (4,2 MHz para NTSC e PAL-M). Desta forma, o
rudo de quantizao (no ponderado) em funo do nmero de bits n
expresso por:
Este valor deve ainda ser ajustado em funo da relao entre a
freqncia mxima do sinal fV e a freqncia de Nyquist (fA / 2), uma
vez que a potncia do rudo de quantizao distribuda uniformemente de
0 a fA / 2, enquanto que o sinal de interesse atinge fV :
Alm disso, outro fator que deve ser considerado que o fundo de
escala VT do conversor A/D deve prever uma margem de segurana alm
da excurso nominal VB-VP do sinal de vdeo (margem denominada
headroom). VB e VP correspondem aos nveis de branco e preto (100 e
0 IRE).
Fig. 3.3 Correo pela Freqncia de Amostragem
Fig. 3.4 Correo pela Margem de Headroom
nnn
Q
P
QQ
PP 222
2
222
2321212
2==
=
dB77,402,6
)3log(10)2log(20)3log(10)2log(10 2
+=
+=+=
n
nRS n
dBn
nRS n
8,1002,6
)12log(10)2log(20)12log(10)2log(10 2
+=
+=+=
f
fA/2
fA fV
++=
V
A
ffdBn
RS
2log108,1002,6
)(log202
log108.1002.6 dBVV
Vffn
QS
PB
T
V
A
e
++=
VB-VP VT
-
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Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 11
Finalmente, para que a medida tenha significado prtico, deve ser
levada em conta a resposta em freqncia espacial da percepo visual
humana, considerando condies de visualizao tpicas.
A funo de transferncia utilizada para modelar a resposta da
viso, proposta pela CCIR, :
onde f1= 270kHz f2 = 1.37MHz f3 = 390kHz
O efeito desta ponderao espectral equivale a acrescentar 6,81 dB
na relao S/R calculada. A expresso final para a relao S/R de um
sistema de converso A/D de vdeo com 8 bits, por exemplo, dada ento
por:
A converso com 8 bits suficiente para aplicaes em que o processo
de digitalizao ocorre apenas uma vez, como o caso em receptores de
TV ou equipamentos de captura de vdeo para PCs. Aplicaes
profissionais exigem pelo menos 10 bits, para contemplar a
possibilidade de vrias converses A/D e D/A em cascata.
3.2.1 Correo Gama Deve-se ressaltar que a expresso acima
significativa apenas quando o sinal digitalizado corresponde
percepo visual de luminosidade, ou seja, obtido a partir da
luminncia corrigida atravs do fator gama ( V = A B ). Dessa forma,
espera-se que cada passo de quantizao seja menor que um passo de
diferena apenas perceptvel na luminosidade, tanto para as partes
claras como escuras da imagem.
4. Amostragem Bidimensional Uma imagem pode ser descrita como
uma funo bidimensional f(x,y), definida dentro de um intervalo
correspondente s dimenses da mesma. No caso de uma imagem colorida,
a funo retorna 3 componentes: (R, G, B) = f(x,y) ou (Y, U, V) =
f(x,y). O que diferencia uma imagem de uma funo f(x,y) o fato de
que o receptor final da informao o sistema visual humano, ou seja,
os parmetros pelos quais a imagem deve ser analisada devem
corresponder s caractersticas da viso.
Assim sendo, a escolha da estrutura de amostragem e dos
parmetros de quantizao para a digitalizao de uma imagem deve estar
subordinada s caractersticas de resoluo espacial da viso, as quais
dependem fortemente das condies esperadas para a visualizao dessa
imagem.
Por exemplo, uma imagem destinada a ser impressa em um documento
ser visualizada em condies de iluminao apropriadas para a leitura,
e poder ser observada a uma distncia da ordem de 20 a 50 cm. Nessas
condies, a imagem deve ser descrita na forma de refletncia
relativa, e amostrada com resoluo de vrias centenas de pontos por
polegada.
A amostragem de um sinal bidimensional est sujeita s mesmas
degradaes que foram descritas para o caso de um sinal
unidimensional. Por exemplo, o rebatimento espectral manifesta-se
na forma de interferncias conhecidas como figuras de Moire. O
filtro anti-aliasing normalmente realizado pela abertura
equivalente de captura, enquanto que a funo de reconstruo pode ser
intrnseca ao processo de reproduo, como o caso do spot profile de
um cinescpio.
4.1 Resoluo da Imagem na TV Para podermos definir a estrutura de
amostragem para uma imagem de TV, precisamos analisar a relao entre
o tamanho aparente da imagem (ou seja, o ngulo subentendido pela
tela, observada a uma distncia padro de visualizao) e as
caractersticas de acuidade visual do observador, necessrias para
garantir uma qualidade aceitvel. Em especial, devemos analisar a
evoluo dos critrios que levaram definio dos padres de TV atualmente
utilizados.
( ) dB
ff
ff
ff
fA
+
+
+
= 2
3
2
2
2
1
10
1
11
log10
dB18.6381.6714.022.1log20
4.85.13log108.10802.6 =+
++=
QRS
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Uma vez que o cinema originalmente (por volta de 1930) adotava
relao de aspecto de 4:3 (largura x altura), a TV estabeleceu a
mesma proporo de imagem, garantindo compatibilidade tanto com o
material disponvel para exibio quanto com os equipamentos
existentes (especialmente lentes).
Por outro lado, critrios de aceitao do produto determinaram que
um sistema de TV deveria contemplar a reproduo de imagens,
subentendendo um ngulo de viso de cerca de 10 graus no sentido
horizontal e 7,5 graus na vertical. Isto corresponde a uma tela de
40 x 30 cm a uma distncia aproximada de 2 metros do observador.
Esta dimenso suficiente para exibir a fisionomia de uma pessoa,
distncia na qual costumamos conversar com pessoas (vide figura
4.1).
Sabe-se que, na prtica, a condio preferida de visualizao de uma
imagem de TV convencional corresponde a uma distncia d entre o
observador e a tela igual a 7 vezes a altura H da imagem.
Isto significa que as condies tpicas de visualizao so bastante
prximas das condies assumidas no desenvolvimento da TV
convencional; ou seja, os ngulos a e b podem ser assumidos como
sendo respectivamente 7,5 e 10 graus.
Com essas dimenses, se considerarmos que a resoluo espacial da
viso da ordem de 1,5 minuto de grau, e considerando o critrio de
Kell para amostragem espacial, seriam necessrias cerca de 640
amostras no sentido horizontal e 480 no sentido vertical. Essa
estrutura de amostragem constitui a base do que se denomina TV
convencional, ou Standard Definition (SDTV) .
O padro CCIR-601 (atualmente ITU-R Rec. 601) estabelece 482
linhas, com 720 pontos por linha, como estrutura de amostragem para
a parte visvel das imagens de SDTV.
4.2 TV de Alta Definio Pesquisas feitas no Japo pela NHK, na
dcada de 70, identificaram a viabilidade de um formato de TV capaz
de proporcionar uma nova experincia visual ao espectador, similar
sensao conferida pelo cinema de tela larga. Estas pesquisas
culminaram com a adoo de uma tela com propores de 16:9,
dimensionada para visualizao sob um ngulo horizontal de 30 graus,
num formato denominado Hi-Vision.
Este formato (atualmente classificado como HDTV ou TV de Alta
Definio), alm de aproveitar melhor o material cinematogrfico
disponvel, abrangeria ainda parte do campo de viso perifrica do
observador, o que proporciona um nvel mais intenso de iluso de
realidade, atravs da manipulao da sensao de movimento e referncias
espaciais do espectador. A recomendao SMPTE 274M estabelece duas
resolues para amostragem de sinais de HDTV: 1080 linhas com 1920
pontos por linha (preferencial para imagens com entrelaamento) e
720 linhas por 1280 pontos (para imagens com varredura
progressiva).
A figura ao lado mostra as propores relativas dos formatos de TV
convencional e HDTV, bem como formatos correntes de filmes
cinematogrficos de tela larga.
Fig. 4.1 Condies de Visualizao da TV
L H
d
a b
TV (4:3)
HDTV (16:9)
Cinemascope (2.35:1)
Cinema (1.85:1)
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4.3 Medida Objetiva de Resoluo Espacial: CTF e MTF A
caracterstica subjetiva associada resoluo espacial a nitidez de uma
imagem. Ela pode ser descrita como a resposta a transies ou
contornos entre regies claras e escuras da imagem; pode ser
associada ao contedo espectral em altas freqncias espaciais (numa
analogia com o "tempo de subida" do sinal de luminosidade).
Um critrio objetivo para definirmos a nitidez de um processo de
reproduo de imagens dado pela curva de resposta em freqncia
espacial do sistema, que recebe o nome de "resposta de abertura" ou
Funo de Transferncia de Modulao (MTF).
A figura 4.2 mostra o que ocorre, por exemplo, em uma cmara de
TV ao ser focalizado um padro de linhas alternadas com contraste
mximo (preto/branco). A cmara no realiza a amostragem da luminncia
da imagem em um ponto de dimenses infinitesimais, mas sim dentro de
uma regio definida como "abertura equivalente". A forma da abertura
equivalente est associada funo do filtro anti-aliasing normalmente
utilizado em sistemas amostrados.
A resposta da cmara ser ento proporcional luminncia mdia
calculada dentro dessa abertura. Enquanto a largura das linhas da
imagem for maior que o dimetro da abertura equivalente, o sinal
gerado pela cmara preservar o contraste total da imagem (ponto A na
figura). medida que as linhas tornam-se mais estreitas, a resposta
diminui em amplitude (pontos B e C). Quando o contraste atingir o
nvel de rudo da imagem, dizemos que foi alcanada a resoluo limite
do sistema.
Quando a luminncia das linhas possui forma de onda retangular, a
curva de resposta obtida denominada funo de transferncia de
contraste (CTF). Quando as linhas usadas no teste possuem variao
senoidal de luminncia, a resposta obtida a MTF do sistema.
A B
C
A B
C
CTF
Nmero de Linhas
Resoluo Limite
RudoMTF ou
Fig. 4.2 Funo de Transferncia de Contraste
Podemos notar que isso corresponde a uma convoluo da imagem
original por uma resposta ao impulso bidimensional, que abertura
equivalente do sistema. No domnio das freqncias espaciais, o
espectro da imagem resultante ser o produto do espectro da imagem
original pela resposta em freqncia espacial do sistema, que dada
pela prpria MTF.
A MTF de uma associao srie de dois ou mais elementos (por
exemplo: lente + cmara + canal de comunicao + monitor + viso
humana) o produto das MTF individuais de cada elemento.
Usualmente, a curva de resposta em freqncia dada em funo do
nmero de linhas (brancas + pretas) que cabem na dimenso vertical da
imagem. Cada 2 linhas (1 preta e 1 branca) correspondem a um ciclo
de freqncia espacial (Fig. 4.3)
Na definio dos parmetros de um sistema de televiso, importante
dimensionarmos a MTF global de modo que a nitidez da imagem final
seja compatvel com a percepo de detalhes proporcionada pela
acuidade da viso humana (Figura 4.4).
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Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 14
0100200300400
10 100 1000Linhas de TV
MTF
Fig. 4.3 Medida da Resoluo Espacial Fig. 4.4 MTF da Viso
Humana
4.4 Processos Envolvidos na Amostragem Espacial A figura abaixo
apresenta os conceitos envolvidos na amostragem de uma imagem
bidimensional. A abertura equivalente de captura corresponde a um
filtro passa-baixas, que em princpio evita a ocorrncia de
rebatimento espectral. Aplicada sobre um ponto (x, y) pertencente
estrutura de amostragem, a abertura de captura fornece uma amostra
(elemento de imagem, ou pixel). A funo de reconstruo, por sua vez,
transforma o pixel em uma rea finita de imagem, com intensidade
proporcional ao valor do pixel, de modo a preencher a estrutura de
amostragem na imagem reconstruda.
Fig. 4.5 Amostragem e Reconstruo de uma Imagem
Na figura 4.6, temos uma comparao de 2 funes de reconstruo
(retangular e gaussiana) aplicadas em uma imagem, com a mesma
estrutura de amostragem espacial..
Fig. 4.6 Reconstruo Retangular (a) e Gaussiana (b) de uma Imagem
Original (c)
V
V
Imagem
Estrutura de Amostragem Espacial
Abertura Equivalentede Captura
Pixel
Funo de Reconstruo
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Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 15
4.5 Efeitos de Rebatimento Espectral No processo de amostragem
bidimensional, o espectro (bidimensional) da imagem original
replicado ao longo dos mltiplos das freqncias espaciais de
amostragem (fAX e fAY). Caso a imagem possua componentes acima da
metade das freqncias de amostragem, ocorrer superposio
(rebatimento) espectral, resultando no surgimento de sinais esprios
em outras freqncias (fig. 4.7). Estes sinais so conhecidos como
figuras de Moire, exemplificadas na figura 4.8.b. A aplicao de
funes de reconstruo no elimina essas componentes. Apenas a
filtragem do sinal original (fig. 4.8.c) pode reduzir as
componentes que podem provocar aliasing, como pode ser visto em
4.8.d.
Fig. 4.7 Rebatimento Espectral na Amostragem Bidimensional
Fig. 4.8 a) Imagem Original; b) Amostrada e Reconstruda (com
Aliasing); c) Imagem Filtrada; d) Amostrada e Reconstruda (Aliasing
Reduzido)
fX
fY
fX
fY
fAY
fAX
(a) (b)
(c) (d)
-
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Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 16
5. Amostragem temporal Se uma imagem pode ser entendida como uma
projeo ptica de uma regio do espao sobre um plano, podemos
generalizar dizendo que a representao de uma imagem em movimento um
evento contnuo ocorrendo em um espao tridimensional:
u = f (x, y, t) (luminncia dimenso horizontal, vertical e
temporal).
No entanto, um sinal eltrico, na forma pela qual pode ser
transmitido por um canal de comunicao convencional, unidimensional
(voltagem tempo). O processo de varredura a forma utilizada para
reduzir a dimensionalidade daquele evento, criando um sinal anlogo
unidimensional. No caso da televiso, consiste de 2 etapas:
1. Amostragem temporal: diviso da imagem em fotogramas ou
quadros (frames) sucessivos, assim como o caso do cinema;
2. Amostragem Espacial (Varredura ou "Raster Scan"): diviso da
imagem em linhas horizontais, ao longo das quais feita a medida da
luminosidade. O sinal temporal resultante denominado sinal de
vdeo.
5.1 Critrios de Resoluo Temporal Na padronizao de um sistema de
televiso, h 3 critrios importantes que influenciam a escolha da
taxa de amostragem temporal:
Remanncia da viso: a iluso de movimento contnuo obtida quando
temos seqncias sucessivas com mais do que 15 a 20 quadros por
segundo (O cinema usava inicialmente 12 a 16 fotogramas por
segundo; atualmente usa 24);
Cintilao: a freqncia acima da qual nossa viso deixa de perceber
cintilao na imagem depende de vrios fatores, entre os quais a
luminosidade e a extenso visual do objeto pulsante. A tabela 5.1
mostra a relao entre a luminncia da tela de um monitor de vdeo e as
correspondentes freqncias crticas de cintilao, para 95% da populao
(ISO/TC159/1987), referentes a campos de viso de 10 e 70 graus. No
caso do cinema, operando em baixos nveis de luminncia, 48 imagens
por segundo so suficientes, e so obtidas por dupla exposio de cada
fotograma. Para TV seria desejvel mais do que 60 imagens /
segundo.
Batimentos e interferncias com a rede de distribuio de energia
eltrica: seja na iluminao do estdio ou nos circuitos do receptor de
TV, a interferncia com a freqncia da rede eltrica causaria flutuaes
de luminosidade ou padres no-estacionrios na imagem, caso a
amostragem temporal fosse feita em outra freqncia.
Luminncia da Tela (Nits)
rea da Pupila (mm2)
Iluminamento Retinal (Trolands)
Freq. Crtica p/ 10o (Hz)
Freq. Crtica p/ 70o (Hz)
10 10.75 19.63 215 392 48.4 54.4 60.6 66.9 30 9.08 15.21 544 912
57.6 62.8 70.2 75.5 100 8.04 11.34 1608 2268 68.9 71.9 81.8 84.9
300 7.07 9.62 4242 5772 78.2 81.3 91.4 94.6
1000 6.16 12320 88.9 102.4 3000 4.52 27120 96.7 110.5
10000 3.14 62800 105.1 119.2
Tabela 5.1 - freqncias Crticas de Cintilao
Tempo
Fig. 5.1 - Varredura e Amostragem Temporal
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Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 17
Esses fatores levaram adoo da taxa de 60 imagens por segundo na
Amrica do Norte, Japo e Brasil, entre outros, e de 50 imagens por
segundo na Europa e na maioria dos demais pases, em conformidade
com a freqncia utilizada na distribuio de energia eltrica.
5.2 Estrutura de Amostragem Espacio-Temporal A estrutura de
amostragem temporal da varredura entrelaada pode ser representada
pela figura 5.2, onde cada ponto corresponde a uma linha de
varredura. Para simplificao, estamos analisando apenas uma
coordenada espacial (y) e a coordenada temporal (t).
Fig. 5.2 - Estrutura de Amostragem Temporal com
Entrelaamento
A amostragem de um objeto em movimento se dar em posies
diferentes a cada campo e a cada linha, de modo que um quadro
completo, obtido pela superposio de dois campos, se apresentar como
na fig. 5.3.
Pela observao da figura 5.2, podemos prever que um objeto que se
mova verticalmente com velocidade equivalente a uma linha por campo
ser representado sempre com metade da resoluo vertical; para esse
objeto, a estrutura de linhas de varredura ser visvel. Esta
velocidade corresponde velocidade vertical crtica para essa
amostragem.
Fig. 5.3 - Amostragem Entrelaada de Objeto em Movimento
5.3 Anlise Espectral do Processo de Amostragem Vamos
inicialmente analisar o processo de amostragem atravs de uma projeo
simplificada (uma coordenada espacial e uma temporal, e desprezando
a inclinao percebida na fig. 5.2). A figura 5.4-a representa um
padro de amostragem no entrelaado, enquanto que na fig. 5.4-b temos
uma varredura entrelaada, obtida pela remoo alternada de metade das
linhas verticais.
A amostragem regular da fig. 5.4-a faz com que o espectro (no
caso, bi-dimensional) do sinal amostrado seja repetido em torno de
uma matriz retangular de freqncias espacio-temporais (Fig. 5.5-a).
Por outro lado, a varredura entrelaada corresponde a um espectro
com estrutura losangular (Fig. 5.5-b), onde as distncias entre as
freqncias de amostragem so menores do que no caso da varredura
progressiva. Percebe-se ento que a chance de ocorrer aliasing
(rebatimento espectral) maior no sistema entrelaado.
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Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 18
t
y
a) Varredura Progressiva
t
y
b) Varredura Entrelaada
Fig. 5.4 - Estruturas de Varredura
F
F
t
y
a) Varredura Progressiva
F
F
t
y
b) Varredura Entrelaada
Fig. 5.5 - Espectro Bi-Dimensional de uma Imagem Amostrada
No domnio das freqncias temporais, o aliasing pode ser associado
com efeitos estroboscpicos percebidos em movimentos peridicos, ou
na inverso do sentido aparente de movimento em estruturas
espacialmente peridicas dotadas de movimento uniforme (efeito "roda
de carroa" - figura 5.6).
Uma Rotao de 85 graus em sentido Horrio...
...confunde-se com uma rotao de 5 graus..
...em sentido
anti-horrio.
Fig. 5.6 - Efeito Roda de Carroa (Sub-Amostragem Temporal)
O controle do rebatimento espectral decorrente da amostragem
temporal muito mais difcil de ser implementado do que no caso da
amostragem espacial ou unidimensional. A limitao do contedo de
freqncia temporal de uma imagem em movimento pode, em parte, ser
obtida controlando-se o tempo de exposio de cada quadro (velocidade
do obturador ou abertura temporal do sistema). Um sistema de
aquisio que faa a amostragem instantnea da luminosidade em cada
ponto da imagem ir manter o contedo espectral at altas freqncias,
estando mais sujeito ao aliasing temporal do que um sistema que
responda pela luminosidade mdia em cada ponto dentro de um
intervalo de tempo igual ao perodo de varredura (fig. 5.7). Neste
caso, a uma abertura temporal retangular corresponde uma resposta
em freqncia da forma sen(x)/x, com freqncia de corte tanto maior
quanto menor for o tempo de exposio em relao ao perodo de
amostragem.
No entanto, a filtragem temporal prejudica a resoluo espacial de
objetos em movimento, o que pode ser percebido quando o observador
acompanha visualmente a trajetria destes objetos.
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Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 19
fechado ("pull-down")aberto
Obturador da Cmera com Abertura Mxima
Fig. 5.7 - Reduo de Aliasing Temporal pelo Controle do Tempo de
Exposio
5.4 Reconstruo Temporal: Persistncia Luminosa Quando a imagem
apresentada em um cinescpio na forma de impulsos luminosos de curta
durao, o fenmeno de remanncia faz com que tenhamos a impresso de
movimento contnuo. Se a percepo de movimento feita pelo mecanismo
visual de Movimento Ocular, essa sensao ocorre na medida em que o
olho acompanha a trajetria mdia de um objeto, recebendo estmulos
visuais consistentes com a idia de movimento. Isto vale para
estmulos instantneos, como o caso de um cinescpio. Caso a imagem na
tela apresente persistncia elevada (como ocorre em um visor LCD ou
Plasma), perceberemos um movimento relativo entre a imagem (que
permanece esttica na tela) e a trajetria mdia do olho (em movimento
linear), refletindo-se numa perda de definio espacial (figura
5.8).
Nos cinescpios usados em TV adotam-se fsforos com persistncia de
0,1 a 1 ms no mximo. Monitores de computador para artes grficas
podem usar persistncias maiores para minimizar cintilao, porm
perdendo definio com imagens em movimento.
T ra je t r ia d o O b je to
T ra je t r ia M d ia
M o v im e n to A p a re n te n a T V M o v im e n to O rig in a
l
Im a g e m co m P e rs is t n c ia
T e m p o
Fig. 5.8 - Imagem com Persistncia
Um problema semelhante ocorre na transcrio de formatos
diferentes de amostragem temporal, e pode ser exemplificado pela
telecinagem, que consiste na apresentao de filmes cinematogrficos
atravs da TV. Como o cinema produzido a 24 quadros por segundo,
usa-se normalmente o esquema da figura 5.9 para efetuar a
reamostragem temporal. Neste processo, denominado Pull-down 2-3, o
primeiro
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Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 20
fotograma reproduzido em 2 campos consecutivos; o fotograma
seguinte ocupa 3 campos; e assim por diante. Dessa forma, a taxa
mdia de fotogramas permanece em 24 imagens por segundo.
Fig. 5.9 - Telecinagem com Pull-Down 2-3
No entanto, ao ser transcrita a imagem de um objeto em
movimento, a imagem percebida apresentar oscilaes em relao
trajetria mdia, provocando perda de resoluo espacial (ver figura
5.10).
Trajetria do Objeto
24 fotogramas por segundo
Trajetria Mdia
TV 60 campos por segundo
Movimento Aparente na TV Movimento Original
Fig. 5.10 - Perda de Resoluo na Telecinagem
6. Interfaces Padronizadas de Vdeo Digital Para proporcionar uma
interface consistente (evitando assim a degradao cumulativa
provocada pela concatenao de conversores A/D e D/A em equipamentos
diferentes), foram institudos alguns formatos padronizados de vdeo
digital, compreendendo sistemas de amostragem (estruturas espaciais
e temporais de amostragem) e interfaces fsicas.
6.1 Estruturas de Amostragem Espacial Considerando que a resoluo
espacial da viso humana muito menor para as componentes de
crominncia do que para a luminncia, muitos sistemas utilizam
estruturas espaciais diferentes para esses sinais. Em geral, a
denominao das estruturas usuais indica a proporo relativa das
amostras de luminncia (Y) e de crominncia (CR e CB). A figura 6.1
apresenta algumas estruturas usadas em interfaces de vdeo
digital.
A estrutura 4:4:4, utilizada em equipamentos profissionais com
alta qualidade de imagem, efetua a amostragem das componentes de
luminncia (pontos pretos) e crominncia (crculos brancos) nas mesmas
posies, para todos os elementos de imagem. Exemplos dessa estrutura
so as interfaces RGB de placas de vdeo, interfaces DVI e HDMI, e
processadores de vdeo profissionais.
1 2 3 4
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
Cinema (24 Fotogramas Por Segundo)
TV (60 Campos Por Segundo)
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Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 21
A estrutura 4:2:2 utilizada nas interfaces baseadas na
recomendao CCIR-601, na qual as componentes de crominncia (Cr e Cb)
so amostradas a cada 2 amostras de luminncia (Y).
A estrutura 4:1:1 usada em equipamentos digitais domsticos, como
o formato de gravao DV-25.
Os padres MPEG-1 e MPEG-2 usam disposio espacial diferente para
as estruturas de amostragem denominadas 4:2:0, nas quais feita
interpolao vertical e horizontal das componentes de crominncia. J
na estrutura 4:2:0 utilizada em um formato DV, as amostras de
crominncia (Cr e Cb) ocorrem em linhas alternadas.
6.2 Padro D-1 (CCIR-601 / ITU-R-BT.601) tambm chamado de
"Digital Components", ou 4:2:2, numa referncia proporo entre o
nmero de amostras nas componentes Y, PR e PB. Efetua a amostragem
independente das componentes de luminncia (com taxa de amostragem
de 13.5 MHz) e de crominncia (taxa de amostragem de 6.75 MHz cada
uma). A quantizao feita com 8 bits, sendo que o nvel de preto (0
IRE) corresponde ao nvel de quantizao 16, e o branco (100 IRE)
corresponde a 219, deixando uma margem de segurana para evitar
saturao com sinais de amplitudes maiores. Os cdigos 00 e 255 so
reservados para sincronismo.
Revises mais recentes do padro CCIR-601 permitem digitalizao com
10 bits; os valores especificados acima correspondem aos 8 bits
mais significativos.
O padro D-1 proporciona qualidade de imagem excelente para TV
convencional, sendo adequado para aplicaes em estdio. A interface
fsica (definida pelo padro SMPTE 125M) paralela, balanceada e
sncrona (clock de 27 MHz), utilizando um conector DB-25 cuja
pinagem est indicada na Tabela 2.1. Os nveis de tenso correspondem
a nveis lgicos ECL ( -0.8 / -1.85 V).
A taxa de amostragem corresponde a 720 pixels de luminncia e 360
2 pixels de crominncia (total de 1440 amostras) durante a parte
ativa de cada linha (53.33s), sendo que este valor adequado tanto
para sistemas em 60Hz como para 50Hz. No caso de NTSC e PAL-M, a
linha completa corresponde a 858 ciclos de 13,5 MHz, sendo que 138
ciclos correspondem ao retrao horizontal. No caso de sistemas a 50
Hz (PAL europeu), a linha horizontal completa corresponde a 864
ciclos, com 144 ciclos reservados para retrao horizontal.
4 : 4 : 4 4 : 2 : 2 (Rec. 601) 4 : 1 : 1
4 : 2 : 0 (MPEG-1) 4 : 2 : 0 (MPEG-2) 4 : 2 : 0 (DV)
Fig. 6.1 Estruturas de Amostragem Espacial
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 22
Pino Sinal Pino Sinal Pino Sinal 1 Clock 10 Bit 2 19 Retorno Bit
6 2 Terra A 11 Bit 1 20 Retorno Bit 5 3 Bit 9 (MSB) 12 Bit 0 (LSB)
21 Retorno Bit 4 4 Bit 8 13 Blindagem 22 Retorno Bit 3 5 Bit 7 14
Retorno Clock 23 Retorno Bit 2 6 Bit 6 15 Terra B 24 Retorno Bit 1
7 Bit 5 16 Retorno Bit 9 25 Retorno Bit 0 8 Bit 4 17 Retorno Bit 8
9 Bit 3 18 Retorno Bit 7
Tabela 6.1 - Pinagem do Conector SMPTE 125M Paralelo (D-1)
As amostras so intercaladas, na seqncia CB CY CR CY - CB CY CR
-... onde o grupo CB CY CR corresponde a amostras espacialmente
coincidentes de luminncia e crominncia (co-localizadas), enquanto
que o elemento CY seguinte corresponde a uma amostra de luminncia
avulsa intercalada (ver Figura 6.2). As componentes CY, CB e CR
correspondem aos valores quantizados, obtidos a partir das
componentes analgicas Y, PB e PR correspondentes. As componentes
analgicas Y, PR e PB so calculadas a partir dos estmulos R, G e B
(pr-corrigidos pelo fator gama) pelas expresses abaixo:
Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B PB = 0,169 R 0,331 G + 0,5 B PR
= 0,5 R 0,419 G 0,081 B
Fig. 6.2 - Estrutura de amostragem 4 : 2 : 2 para componentes no
D-1
O intervalo de retrao horizontal substitudo por um bloco de
dados ("blanking digital") delimitado por cdigos de sincronismo (4
bytes). Estes cdigos contm dados que identificam o campo (par ou
mpar), o perodo de retrao vertical, e o incio e fim do trecho ativo
da linha (SAV - Start of Active Video / EAV - End of Active Video).
Nas figuras 6.3 e 6.4 temos detalhes temporais da codificao do
sinal de vdeo, enquanto que a figura 6.5 mostra os valores de
luminncia e crominncia digitalizados correspondentes a um padro de
barras coloridas com amplitude de 100% (100 IRE pico).
A tabela 6.2 mostra a codificao dos blocos delimitadores do
"blanking digital" e da parte ativa de vdeo. Estes blocos consistem
de um prembulo (3 bytes) e de um byte de dados . A Tabela 6.3
mostra os bits de paridade P3 a P0 que compem o byte de dados.
Bit No. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1
Prembulo 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Dados 1 Campo 0/1
Blank Vertical
SAV / EAV
P3 P2 P1 P0
Tabela 6.2 - Bloco Delimitador de amostras ativas
Y
PB
PR
Seqncia de Amostras
Componentes:
(B-Y)
(R-Y)
148 74
CB CRCY CY CB CRCY CY
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 23
Fig. 6.3 - Formato de Dados e Relaes Temporais no Padro
CCIR-601
Fig. 6.4 - Formato de Dados e Relaes Temporais no Padro CCIR-601
Detalhe do Intervalo de Retrao Horizontal
Fig. 6.5 - Padro de Barras Digitalizado conforme CCIR-601
(D-1)
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 24
Bits do Byte de Dados
9 (MSB)
8 Campo
V. B. SAV/ EAV
P3 P2 P1 P0 1 0
(LSB) 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0
0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1
0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0
Tabela 6.3 - Clculo dos bits de paridade (P3 a P0) no Byte de
dados
6.3 Padro D-2 (Digital Composto)
Este formato, mais econmico que o D-1, digitaliza diretamente o
sinal de vdeo composto. Para o NTSC, a taxa de amostragem de
14.31818 MHz (correspondente a 4 a freqncia da sub-portadora de
cor), e a quantizao de 8 ou 10 bits. A interface fsica idntica do
D-1. A figura 6.6 mostra os nveis de quantizao correspondentes para
um sinal NTSC.
6.4 Padro D-6 (SMPTE 274M - HDTV Digital) Para a TV de alta
definio, adotou-se um padro de 1080 linhas ativas com 1920 pixels
por linha, baseado no padro de vdeo analgico HDTV SMPTE 240M, cujas
caractersticas esto resumidas na tabela abaixo.
Nmero de linhas: 1125 totais (entrelaadas), 1080 linhas ativas
Freqncia de Amostragem: 74.25 MHz (Luminncia); 37.125 MHz
(Crominncia) Padro de Amostragem: 4:2:2 Durao da linha: 29.63 s
(2200 amostras totais, 1920 amostras ativas) Resoluo: 8 ou 10
bits
Este padro especifica a funo a ser utilizada na correo gama das
componentes R, G e B:
As componentes analgicas Y, PB e PR so obtidas pelas
expresses:
Y = 0,2126 R + 0,7152 G + 0,0722 B
PB = 0,114572 R 0,385428 G + 0,5 B
PR = 0,5 R 0,454153 G 0,045847 B
A figura 6.7 apresenta os valores de luminncia e crominncia
digitalizados, correspondentes a um padro de barras coloridas com
amplitude de 100% (100 IRE pico), digitalizado com 10 bits.
Fig. 6.6 - Nveis de Quantizao para D-2
=
1018,0099,1
018,005,4'
45,0 VV
VVV
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 25
O cdigo EAV recebe mais duas palavras adicionais (LN0 e LN1),
que transportam uma contagem seqencial das linhas, e 4 palavras de
CRC (YCR0, YCR1, CCR0, CCR1) para deteco de erros nas seqncias de
luminncia e crominncia.
Fig. 6.7 - Padro de Barras Digitalizado conforme SMPTE 274M
(HDTV)
6.5 Interface Serial CCIR-656 Para simplificar a interconexo de
equipamentos de vdeo, padronizou-se uma interface serial destinada
a atender amostragem D-1 a 8 bits, permitindo transmisso por um
cabo coaxial de 75 ohms. Esta interface, hoje obsoleta, opera a 243
Mb/s, sendo que cada byte de dados convertido para um smbolo de 9
bits (codificao de grupo 8/9) com a inteno de conservar a
componente CC prxima de zero e garantir boa quantidade de transies
lgicas para permitir recuperao de clock.
6.6 Interface SDI - Serial Digital Interface (SMPTE 259M) Este
padro foi desenvolvido para permitir transmisso serial de sinais de
vdeo, digitalizados com 10 bits, atravs de cabo coaxial de 75 Ohms,
admitindo atenuao de at 30 dB.
Para garantir componente CC zero e presena de transies
suficientes para recuperao de relgio, sem no entanto aumentar a
taxa de bits, utilizado embaralhamento (scrambling) atravs de um
randomizador, apresentado na fig. 6.8, alm de codificao diferencial
(bits "1" so transmitidos como transies). A interface opera a 270
Mb/s para sinais CCIR-601 (D-1), ou 143 Mb/s para Digital Composto
(D-2). A amplitude nominal do sinal SDI de 800 mVpp em 75 Ohms.
Estas caractersticas possibilitam, em tese, que o sinal SDI
trafegue pelas matrizes de comutao atualmente usadas para
distribuir sinais de vdeo composto.
A taxa de erros depende fortemente da atenuao no cabo de
transmisso; na fig. 6.9 temos valores de BER em funo do comprimento
do cabo, para um tipo de cabo coaxial comumente usado em
estdios.
O padro SDI prev a capacidade de transmisso de udio digital, na
forma de pacotes enviados durante os perodos de apagamento H e V. O
sinal de udio pode ser amostrado a 32 kHz ou 48 kHz, com 16 bits,
em at 4 canais.
D D D D D D D D D D
EntradaSerial Sada
"Scrambler" Cod. Diferencial
Fig. 6.8 - Randomizador e Codificador SDI
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 26
0.00001
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
100
105 110 115 120 125
Comprimento do cabo (m)
Erro
s po
r seg
undo
Fig. 6.9 - Taxa de erros para SDI comprimento de cabo
A interface serial utilizada para HDTV (HD-SDI) demanda uma taxa
de transmisso de 1,485 Gb/s para quantizao de 10 bits.
6.7 Interface DVI (Digital Visual Interface) A interface DVI foi
desenvolvida para interligar equipamentos de vdeo com dispositivos
de apresentao de imagem que sejam intrinsecamente digitais, como
por exemplo monitores de Plasma ou Cristal Lquido (LCD). Deste
modo, evitam-se os problemas decorrentes da converso D/A no
equipamento gerador, seguida de converso A/D, eventualmente com
taxa diferente, no dispositivo de apresentao. largamente usada para
interligar interfaces grficas de microcomputadores com monitores
digitais.
O padro DVI utiliza 3 canais em paralelo para transmitir as
informaes de R, G e B, digitalizadas em 8 bits. A transmisso
serial, balanceada, a taxas que podem alcanar 1,6 Mb/s, sendo que a
informao digital codificada por um processo denominado T.M.D.S., ou
Transistion Minimized Differential Signalling. Neste processo, uma
palavra de 8 bits convertida em 10 bits de forma a minimizar a
quantidade de transies, o que garante menor ocupao espectral do
sinal transmitido.
Alm dos 3 canais de informao de imagem, o padro DVI utiliza um
canal de clock, na taxa de amostragem (1/10 da taxa de bits). As
caractersticas do PLL a ser utilizado no decodificador, para
multiplicar o clock e obter a freqncia de transmisso de bit (fig.
6.12) , so especificadas no padro, de modo a suportar condies de
instabilidade de freqncia que podem existir no equipamento
codificador.
Fig. 6.12 Interface DVI
1 / dia
1 / hora
1 / minuto
1 / segundo
1 / frame
PLL
Serializador
Clock de Pixel
Dados de Pixel
(24 bits)
25~165
PLL
Decodificador
Transmissor Receptor
(24 bits)
3 canais TMDS
Canal de Clock
Clock de Pixel
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 27
6.8 Interface HDMI (High Definition Multimedia Interface) Esta
interface derivada do padro DVI, utilizando o mesmo processo de
codificao (T.M.D.S.) e de transmisso serial balanceada, porm
visando aplicao em equipamentos de entretenimento. Alm de utilizar
um conector de menores dimenses, acrescenta a possibilidade de
transmitir udio digital, multiplexado com os canais de vdeo
RGB.
Alm disso, implementa um canal bidirecional de controle (de
baixa velocidade), atravs do qual ambos os equipamentos, gerador e
apresentador de imagem, estabelecem as respectivas capacidades de
resoluo espacial, visando compatibilidade de formatos de gerao e de
exibio de sinal.
6.9 Interfaces para Vdeo Comprimido
6.9.1 Vdeo Sobre IEEE1394 (Firewire, I-Link) O padro IEEE1394
define uma interface sncrona bidirecional com taxas de transmisso
da ordem de 100 a 400 Mb/s (800 Mb/s conforme IEEE1394-B). A
interface fsica consiste de 3 pares de sinais, sendo um par para
alimentao CC, e dois pares para dados e strobe. A codificao usada
apresentada na figura ao lado; os dados so transmitidos em NRZ,
balanceado, enquanto que o par de strobe apresenta uma transio
sempre que no houver uma transio no par de dados.
As transaes ocorrem atravs de pacotes de dados, precedidos de
etapas de arbitragem e prefixos (endereos de origem e destino,
cdigos de transao), e finalizados por CRC.
A interface IEEE1394 (Firewire) usada como meio de transporte
para vdeo digital comprimido, conforme formatos IEC61883-4
(Transporte de pacotes MPEG-2 DVB), DirecTV e DV (Digital Vdeo
IEC61883-2). No caso do MPEG-2, os pacotes de 188 bytes so
acrescidos de um prefixo de descrio de tempo real (data/hora/frame)
e depois repartidos em blocos de 24 bytes, que so transportados por
pacotes iscronos.
Fig. 6.11 Vdeo Comprimido (MPEG-2) sobre Pacotes Iscronos
Firewire
6.9.2 Interface DVB-SPI (Synchronous Parallel Interface) Esta
interface padronizada pelo consrcio europeu DVB (Digital Vdeo
Broadcasting) conforme norma ETSI - EN50083-9, com a finalidade de
interligar equipamentos de transmisso que utilizam o protocolo de
transporte por pacotes (Transport Stream) definido no padro
MPEG-2.
188 bytes
192 bytes
24 24 24 24 24 24 24 24
Pacote MPEG-2
Time Code
Blocos
D DPacotes iscronos IEEE1394
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 28
Fisicamente, consiste de uma interface paralela, na qual
trafegam 8 bits, clock, sincronismo de pacote e um sinal indicando
que h dados vlidos. Estes 11 sinais utilizam nveis lgicos LVDS
(diferenciais).
A figura 6.12 apresenta formas de onda correspondentes a um modo
de operao da interface, na qual um pacote de 188 bytes
complementado por 16 bytes de enchimento.
A tabela 6.4 apresenta a pinagem do conector DVB-SPI (conector
tipo DB-25).
Fig. 6.12 Sinais na Interface DVB-SPI Modo 204 Bytes c/
Enchimento
Pino Sinal Pino Sinal Pino Sinal 1 Clock A 10 D0 A (LSb) 19 D4 B
2 Terra 11 DVALID A 20 D3 B 3 D7 A (MSb) 12 PSYNC A 21 D2 B 4 D6 A
13 Blindagem 22 D1 B 5 D5 A 14 Clock B 23 D0 B (LSb) 6 D4 A 15
Terra 24 DVALID B 7 D3 A 16 D7 B (MSb) 25 PSYNC B 8 D2 A 17 D6 B 9
D1 A 18 D5 B
Tabela 6.4 Pinagem do Conector DVB-SPI
6.9.3 Interface ASI Asynchronous Serial Interface Esta
interface, tambm especificada na norma ETSI - EN50083-9, a verso
serial da interface DVB-SPI, operando taxa fixa de 270 Mbits/s. As
caractersticas fsicas so semelhantes interface SDI, com a diferena
que os dados relativos ao Transport Stream so transmitidos em
pacotes. Aqui aplicada uma converso de 8 para 10 bits, alm da
inserzo de cdigos especiais para enchimento e sincronismo de
pacotes.
7. Processamento Digital de Vdeo 7.1 Frame Buffer
Um componente central dos equipamentos processadores de vdeo que
operam na forma digital o frame buffer, ou memria de armazenamento
de imagem. Este bloco funcional normalmente implementado por um
banco de memria RAM com duplo acesso, ou seja, a escrita e a
leitura de informao podem ocorrer simultaneamente e so controladas
por unidades de endereamento independentes.
A figura abaixo mostra um diagrama de blocos de um Frame Buffer
configurado como sincronizador de vdeo. O sinal digitalizado (por
exemplo, em componentes YUV) armazenado em uma memria com
capacidade pelo menos para um quadro completo (~700 kBytes para
CCIR-601). Os ponteiros de endereamento para escrita e leitura so
gerados independentemente, sincronizados respectivamente pelo sinal
de vdeo da entrada e pelo sincronismo geral externo (Genlock). O
endereamento pode ser linear ou segmentado, ou seja, separado em
coordenadas (x, y), onde x = nmero do pixel dentro de uma linha
horizontal e y = nmero da linha no sentido vertical.
Dados Video In Video Out
Genlock
Memria
RAM
A/D
Separador de Sincronismo
D/A
Separador de Sincronismo
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 29
Fig. 7.1 Frame Buffer
7.2 Redutor de Rudo Um mtodo de reduo de rudo aplicvel a imagens
de vdeo explora na alta correlao existente entre pixels adjacentes,
tanto no sentido espacial como no temporal, para imagens naturais.
Equipamentos redutores de rudo digitais efetuam uma mdia ponderada
entre pixels prximos, em linhas e quadros consecutivos. Utilizam
para isso um Frame Buffer com sadas mltiplas, atrasadas de 1 ou
mais pixels, linhas e/ou campos, as quais so combinadas.
Fig. 7.2 Redutor Digital de Rudo
7.3 Transformaes Geomtricas Para criar efeitos de perspectiva,
rotao ou deformao da imagem, necessrio introduzir um processador de
geometria no endereamento de leitura do Frame Buffer. Este
processador mapeia o sistema de coordenadas da imagem reproduzida
(xR, yR) sobre as coordenadas da imagem de entrada (xE, yE) atravs
de um algoritmo apropriado.
Por exemplo, uma translao da imagem original implementada pelas
seguintes equaes:
YRE
XRE
TyyTxx
==
Na forma matricial, podemos expressar estas equaes como:
=
11001
R
R
Y
X
E
E yx
TT
yx
Endereo Ponteiro de Escrita
Ponteiro de Leitura
d
c
b +
aDados
Endereo
Video In Video Out
Memria
RAM
A/D
Separador Sincronismo
Ponteiro de Escrita
D/A
TY
TX
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 30
Vrios efeitos (transformaes) podem ser concatenados em uma nica
matriz; para isso podemos em primeiro lugar generalizar o espao da
imagem como possuindo 3 dimenses (sendo que a imagem reproduzida
ter sua coordenada zR = 0), e adotando matrizes quadradas para
representar as transformaes individuais. Assim sendo, a translao
nas dimenses x, y e z ser efetuada por uma matriz T dada por:
RER
R
R
Z
Y
X
E
E
E
vTvzyx
TTT
zyx
=
=
11000100010001
1
Uma expanso ou compresso da imagem nos eixos x, y e z
corresponde ao uso de uma matriz de transformao de escala S dada
por:
=
10000100000000
1
1
Y
X
SS
S
A rotao de uma imagem em torno dos eixos x, y e z feita pelas
seguintes matrizes:
=
10000cossen00sencos00001
11
11
R
=
10000cos0sen00100sen0cos
11
11
R
=
1000010000cossen00sencos
R
Vrias transformaes podem ser concatenadas calculando-se o
produto das matrizes correspondentes a cada transformao, na ordem
especificada. Por exemplo, uma seqncia de translao, escalamento e
rotao no eixo z ser definida por
( )( )( ) ER vTSRv =
Para criar efeitos de perspectiva, necessrio considerar a projeo
de um espao tridimensional (coordenadas xE, yE, zE) sobre um plano
de projeo (coordenadas xR, yR, ). Esta projeo corresponde a uma
transformao no-linear, dada por
SY
SX
xE, yE, zE
z
x
xR
yR
Plano de Projeo Ponto de
Observao
E
ER
E
ER
zyyzxx
=
=
E
ER
E
ER
zyy
zxx
=
=
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 31
7.4 Interpolao e Decimao As operaes de escalamento podem exigir
interpolao de amostras (quando a distncia entre os pixels nas
coordenadas de sada menor que a distncia correspondente na imagem
de entrada) ou decimao (no caso inverso).
Na figura abaixo, a grade (+) representa a estrutura de
amostragem da imagem de sada, enquanto que (o) representa a
estrutura da imagem de entrada, sujeita a uma transformao de
perspectiva. O pixel A deve ser calculado a partir da mdia ou
decimao de vrios pixels da imagem original, enquanto que o pixel B
deve ser interpolado a partir dos valores dos 4 pixels vizinhos na
imagem original. Nestes processos deve ser prevista filtragem para
evitar aliasing espacial.
7.5 Transcrio de Formatos
O processo de transcrio consiste na converso entre formatos de
vdeo diferentes. Por exemplo, a exibio em PAL-M ou NTSC de um sinal
originado em PAL-B (50 Hz) exige que seja feita uma converso de
formato. Este processo envolve interpolao de quadros e decimao de
linhas (o formato PAL-B possui 576 linhas visveis que devem ser
reduzidas para 480 linhas no PAL-M). Normalmente, feita uma decimao
usando um filtro FIR com 3 a 4 coeficientes no sentido vertical
(linhas consecutivas), seguido de uma interpolao linear entre 2
campos consecutivos; ou ento, uma interpolao bilinear entre as 4
linhas mais prximas (em 2 campos consecutivos).
Fig. 7.7 Converso de Formatos
7.6 Chroma Key O recurso de Chroma Key usado para inserir uma
imagem (primeiro plano) sobre outra imagem (plano de fundo), usando
a informao de crominncia como chave para efetuar a comutao entre as
imagens.
Fig. 7.6 Interpolao e Decimao
Estrutura de Amostragem de
Sada
Estrutura de Amostragem de
Entrada
Interpolao Bilinear y
t
A
B
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 32
Fig. 7.8 Chroma Key
Uma cmera focaliza os elementos do primeiro plano sobre um fundo
uniforme, com uma cor de referncia, geralmente azul ou verde. Um
circuito compara em tempo real o sinal de vdeo com a cor de
referncia; se coincidir, a imagem de segundo plano selecionada.
Caso contrrio, a imagem do primeiro plano escolhida.
O mesmo princpio usado para inserir caracteres, smbolos ou
vinhetas, gerados por computador, sobre uma imagem de vdeo. Neste
caso, os caracteres ou smbolos so armazenados em um Frame Buffer
atravs de acesso direto memria. Um determinado valor de luminncia
e/ou crominncia interpretado como transparente e provoca o
chaveamento do sinal de vdeo ao qual os caracteres sero
superpostos.
7.7 Processamento no receptor de TV: Equalizao de Multi-percurso
Alguns receptores de TV incorporam um filtro equalizador que
permite reduzir o efeito das distores por multi-percurso
resultantes de reflexes em obstculos, veculos, etc. (fantasmas).
Este filtro baseia-se em um modelo de resposta finita ao impulso
para o canal de transmisso (ver figura 3.7). Cada reflexo do sinal
transmitido corresponde a um atraso tn e a uma atenuao kn. No
receptor, implementado um filtro complementar. O correto
funcionamento deste filtro depende da determinao dos valores de tn
e kn, o que pode ser feito por autocorrelao do sinal recebido.
Alguns sistemas dependem da transmisso de um sinal de referncia
especfico (GCR Ghost Cancelling Reference) no intervalo de retrao
vertical; outros sistemas utilizam a forma de onda da linha 3
(incio do sincronismo vertical), na qual ocorre um degrau isolado,
que pode ser tomado como referncia.
Fig. 7.9 Equalizao de Multi-percurso
Plano de Fundo
1o. Plano
Chave
Decodi-ficador
Compa-rador
Referncia
Imagem Composta
t1
k1
k2
kn
t2
tn
SINAL TRANSMITIDO
t1
-k1
-k2
-kn
t2
tn
SINAL PROCESSADO
SINAL RECEBIDO
Modelo da Distoro por Multi-percurso
Equalizador Adaptativo no Receptor
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 33
8. Requisitos de Banda Passante para Transmisso 8.1 Transmisso
Analgica
O sistema original de TV comercial (Padro M para TV
preto-e-branco) adotou uma resoluo vertical mxima de 340 linhas
para o contedo da imagem, sendo que so necessrias na prtica 480
linhas de varredura para reproduzir adequadamente imagens com essa
freqncia espacial. Este valor consistente com o critrio de Kell,
como visto anteriormente.
Se considerarmos que a resoluo no sentido horizontal deve ser
equivalente vertical, a TV deve ser capaz de reproduzir 4/3 340 =
453 linhas verticais alternadas dentro da largura da imagem; isso
equivale a 453 semiciclos de um sinal senoidal. O sinal de vdeo a
ser transmitido (considerando 480 linhas de amostragem e 60 quadros
de varredura) ocuparia assim uma banda de:
B MHzW = =12
453 480 60 6 52,
8.1.1 Tempo de Retrao Por outro lado, nos receptores
utilizavam-se predominantemente cinescpios (tubos de raios catdicos
- TRC) nos quais um feixe de eltrons, com intensidade modulada pelo
sinal de vdeo, varre uma tela foto-emissora (chamada de fsforo). A
deflexo do feixe de eltrons no TRC feita atravs de campos
magnticos, produzidos por bobinas de deflexo, nas quais injetam-se
correntes com forma de onda semelhante a um dente-de-serra.
A indutncia dessas bobinas impede que a corrente de deflexo
inverta a polaridade instantaneamente ao final de cada linha de
varredura; torna-se necessrio admitir um tempo de retrao, durante o
qual o sinal de vdeo deve manter-se em apagamento. O retrao
horizontal foi adotado como sendo da ordem de 20% do tempo de
varredura, enquanto que o retrao da varredura vertical de cerca de
9%.
Considerando a necessidade desta margem de segurana devida ao
retrao, a banda Bw ocupada pelo sinal de vdeo seria de
( )B MHzW =
=
12
453 1 2 480 1 09 60 8 5, , ,
Este valor excessivamente alto, especialmente considerando a
tecnologia de radiodifuso disponvel na dcada de 40 (mesmo usando
modulao AM-VSB). Assim sendo, para proporcionar uma reduo nos
requisitos de banda passante, adotou-se o processo de entrelaamento
(figura 8.1).
Fig. 8.1 - Entrelaamento
Tempo de Varredura
Tempo de Retrao
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 34
8.1.2 Entrelaamento Reproduzindo alternadamente apenas as linhas
mpares e depois as pares de uma estrutura de varredura, separadas
assim em campo mpar e campo par, consegue-se reduzir a taxa de
imagens para 30 quadros completos por segundo, mantendo no entanto
uma amostragem temporal de 60 campos por segundo. Uma vez que o
olho humano no sensvel cintilao de detalhes de pequenas dimenses, o
entrelaamento no perceptvel para imagens "normais", que so
caracterizadas por contornos suaves e no alinhados com a estrutura
de varredura. Evidentemente este argumento no vlido para imagens
sintticas, como em monitores de computador, que podem ser
fortemente alinhadas com a estrutura de varredura. Neste caso,
demanda-se varredura progressiva (no entrelaada).
O entrelaamento obtido na prtica fazendo com que a freqncia da
varredura horizontal seja um mltiplo mpar da freqncia de quadro (30
Hz). Considerando 480 linhas ativas e um perodo de retrao vertical
de 9%, adotou-se no padro M 525 linhas por quadro, ou seja, 262,5
linhas por campo. (Figura 5.1)
Com o entrelaamento, a ocupao de banda do sinal de vdeo passa a
ser de
( )B MHzW = + =
12
12
453 20% 525 60 4 2,
8.1.3 Modulao Vestigial O sinal de vdeo composto transmitido
utilizando modulao em amplitude negativa; isto , o pico de
amplitude da portadora (potncia mxima) corresponde ao nvel de
sincronismo (-40 IRE), enquanto que a potncia mnima corresponde ao
nvel de branco (100 IRE). Deste modo, a potncia de pico do
transmissor constante, independente do contedo da imagem. Alm
disso, reduzida a influncia do rudo no sincronismo do receptor.
A modulao AM de um sinal de TV, com banda de 4,2 MHz, exigiria
mais de 8,4 MHz de banda total. Para reduzir a banda ocupada, o
sinal modulado sofre uma filtragem vestigial, pela qual a banda
lateral inferior limitada em 750 kHz abaixo da portadora (fig.
8.2). Considerando bandas de guarda entre os canais adjacentes, e
considerando que o sinal de udio transmitido por uma portadora
independente (modulada em FM numa freqncia 4,5 MHz acima da
portadora de vdeo), a programao de TV no padro M pode ser veiculada
atravs de um canal de 6 MHz de banda total.
Em situaes normais, a maior parte da energia irradiada
concentra-se em freqncias prximas da portadora de vdeo (at ~ 100
kHz, veja fig. 8.3). Para essas freqncias, a modulao essencialmente
AM.
4,2 MHz
-4,2 MHz
Vdeo Composto (Banda Base)
+4,2 MHz
-0,75 MHz+4,5 MHz
fo
Modulao AM
Modulao VSB + udio
0
Fig. 8.2 - Modulao AM-VSB para Radiodifuso de TV
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 35
Fig. 8.3 - Espectro tpico de um sinal de TV
8.2 Transmisso Digital A necessidade de compresso de dados
decorre da enorme quantidade de informao resultante da digitalizao
de um sinal de vdeo, utilizando os critrios relevantes de
amostragem. Considerando por exemplo o sinal de vdeo digitalizado
conforme Rec. 601, os requisitos de transmisso (apenas relativos
parte ativa da imagem, sem considerar o retrao ou os canais de
udio) seriam dados por:
1 linha = 720 amostras de Luminncia + 2 360 amostras de
crominncia = 1440 amostras
1440 amostras/linha 482 linhas 29,97 quadros/s = 20.801.578
amostras/s
20.801.578 amostras/s 8 bits = 166,4 Mb/s
No caso do padro D-2, temos:
1 linha (parte visvel) = 51 s ; Taxa de Amostragem = 14,31818
MHz
14,31818 MHz 51 s = 730 amostras / linha
730 482 linhas 29,97 quadros/s = 10.545.244 amostras/s
8 bits = 84,36 Mb/s
J para o caso da HDTV em 8 bits no padro SMPTE 274M,
teramos:
1920 pixels 1080 linhas 29.97 quadros = 62.145.792 pixels/s
8 bits (1 + 1/2 + 1/2) = 994,3 Mb/s
Estes valores tornam praticamente invivel a radiodifuso no
formato digital, uma vez que demandam canais de comunicao com banda
passante muito elevada. Como comparao, as capacidades nominais de
alguns canais tpicos (atualmente usados para transmisso de TV
analgica), operando com modulao adequada para transmisso digital,
esto apresentadas na tabela abaixo:
-
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________
Princpios de Televiso Digital Mackenzie - 2006 36
Meio Relao S/R Modulao Taxa Bruta Taxa Lquida Cabo Coaxial >
30 dB 256-QAM 42.88 Mb/s 38 Mb/s Radiodifuso > 15 dB 8-VSB 38
Mb/s 19 Mb/s Radiodifuso > 20 dB OFDM x 64-QAM 30 Mb/s 22
Mb/s
Satlite (DTH) > 6 dB QPSK 45 Mb/s 30 Mb/s
Tabela 8.1 Capacidades de Canais de Comunicao
(Taxa Bruta = Taxa Lquida + Cdigos de Correo de Erros)
Para permitir a radiodifuso de TV digital atravs dos canais
disponveis, torna-se necessrio adotar processos de compresso com
perdas, baseados na reduo de redundncia temporal (semelhana entre
quadros consecutivos de uma imagem) e espacial (correlao entre
pixels adjacentes). Estes processos devem obviamente levar em conta
as caractersticas da percepo visual humana para permitir altas
taxas de compresso (maiores que 50:1 para radiodifuso de HDTV)
apresentando, no entanto, reduzida visibilidade dos erros
provocados na reconstruo da imagem.
9. Referncias Digital Image Processing - Rafael C. Gonzales,
Richard E. Woods - Addison Wesley, 1992
Digital Video and HDTV Charles Poynton Morgan Kaufmann, 2003
Digital Visual Interface Rev. 1.0 Digital Display Working Group
Standard, 1999
NAB Engineering Handbook J. Whitaker, ed. - National Association
of Broadcasters, 1999
Signals & Systems Alan Oppenheim, Alan Willsky Prentice
Hall, 1997
Television Engineering Handbook - K. Blair Benson, ed. - Mc
Graw-Hill, 1985
The Digital Interface Handbook F. Rumsey, J. Watkinson Focal
Press, 1995
Video Editing and Post Production J. R. Caruso, A. E. Arthur
Prentice Hall, 1992
Video Engineering - Andrew F. Inglis, Arch C. Luther - Mc
Graw-Hill, 1996