o tratamento do sinal de vídeo no âmbito da televisão digital

Transcrição

1 1 o tratamento do sinal de vídeo no âmbito da televisão digital é indiscutível o fato de que a televisão tenha se tornado o principal meio de comunicação em massa do ponto de vista técnico, desde o estabelecimento e consolidação dos primeiros padrões comerciais, logo após a Segunda Grande Guerra Mundial, dois eventos marcantes estão associados ao aperfeiçoamento dos princípios televisivos o primeiro, entre o final dos anos 50 e o início dos 60, foi determinado pelo surgimento da televisão cromática o segundo, mais recente, iniciado no final dos anos 80 e com maior ênfase ao longo dos anos 90 e início do novo século, correspondeu à implementação da televisão digital com seus recursos de interatividade e multiprogramação e, como subproduto desta, a televisão de alta definição, a HDTV (High Definition Television) com esse novo avanço, os paradigmas associados às técnicas de televisão tradicionais foram radicalmente alterados

2 2 a figura 6.1 apresenta um mapeamento simplificado correspondente à transmissão e recepção de TV digital (não estão indicadas, nessa representação, as características de interatividade) nesse diagrama em blocos, a transdução visual elétrica representada pela câmera, continua a captar o conteúdo das cenas a partir de processamentos analógicos, além de manter a concepção de estabelecer um sinal de vídeo também analógico e acoplado às informações de sincronismo que, embora com características distintas daquelas apresentadas pelo sinal de vídeo tradicional, continua a ser relevante em função da necessidade de manutenção da fase entre as informações provenientes das diversas câmeras e equipamentos presentes no estúdio também os sinais de áudio são captados a partir de técnicas analógicas para serem, em seguida, submetidos à amostragem e quantização antes da compressão propriamente dita a etapa de pré processamento do sinal de vídeo

3 3 o tratamento do sinal de vídeo (bem como o de áudio) deve ser iniciado por meio de um processamento analógico a figura 6.2 ilustra as técnicas envolvidas com base no padrão genérico considerado semelhante ao que ocorre na televisão analógica convencional, as cenas bidimensionais captadas pela câmera são convertidas em sinais de natureza elétrica através dos transdutores visuais elétricos nela presentes (válvulas ou elementos de estado sólido, como o CCO charge coupled device) por meio das técnicas de varredura e exploração os três sinais elétricos analógicos assim gerados, correspondentes às cores básicas RGB, são representados por ER, EG e EB considerando se que os transdutores em questão não apresentam características lineares, não há uma proporcionalidade entre o sinal elétrico gerado e as variações luminosas captadas pela câmera denominando se de LRTX, LGTX e LBTX as intensidades luminosas associadas às componentes R, G e B captadas, as relações entre as tensões obtidas e esses parâmetros podem ser descritas pelas seguintes equações: E R TX =K R TX LR TX E G TX =K G TX LG TX E BTX =K BTX LB TX R TX G TX B TX assumindo se que KRTX = KGTX = KBTX = KTX, sejam índices representativos de uma constante associada às características dos transdutores R =G = B =TX denotem o chamado fator gama correspondente à câmera (não linearidade) TX TX TX do lado receptor, em se tratando do conversor elétrico visual, também está presente uma correspondência não linear entre as informações luminosas geradas e os sinais elétricos aplicados, o que implica no estabelecimento de equações semelhantes, válidas para o lado receptor LRRX, LGRX e LBRX correspondem às luminosidades observadas no receptor em se tratando dos elementos fotoemissores R, G e B L R RX =K R RX ER RX L GRX =K GRX EG RX L BRX =K BRX EB RX R RX GRX B RX KRRX = KGRX = KBRX = KRX são índices representativos de uma constante associada às características do transdutor elétrico visual R =G =B =RX denotam o fator gama correspondente ao mesmo transdutor ERRX, EGRX e EBRX indicam as tensões aplicadas nesse elemento transdutor RX RX RX objetivando se a compensação dessas não linearidades, é introduzida uma distorção proposital, denominada correção gama, na saída da câmera, no lado transmissor com isso, procura se alterar o aspecto do sinal de vídeo gerado de modo que se estabeleça a linearidade desejada no receptor isto posto, na saída do bloco em discussão ( Filtragem ) tem se as seguintes informações de natureza elétrica: TX C E R 'TX = K R TX LR TX E G 'TX = K G TX LG TX TX = K TX L R TX = K TX LG TX C C TX C C TX C

4 E B 'TX = K BTX LB TX TX C C = K TX L BTX R RX G RX K K RX B RX RX L BRX =K BRX EBRX =K RX EB' TX =K RX RX C TX C RX C TX C RX C TX =K RX ER 'TX =K RX KTX L R TX L G RX =K G RX EG RX =K RX EG 'TX =K RX TX C em consequência, são válidas as seguintes equações no que tange ao relacionamento entre as luminosidades RGB captadas e reconstituídas (no receptor), supondo se que: ER RX =E R ' TX EG RX =E G 'TX EBRX =E B 'TX L R RX =K R RX ER RX 4 LG TX TX L B TX TX C RX RX TX C RX C RX TX C RX =K RX K TX =K RX K TX =KRX K TX C L R TX LG TX C RX L BTX TX C RX 1 chega se à linearidade procurada TX RX valores típicos para C situam se em torno de 2,2 magnitudes e formulações alternativas para a correção gama podem ser adotadas no caso do tratamento de sinais de vídeo convencionais ou em alta definição exemplo: no padrão brasileiro é utilizada: adotando se C = 1 para a transmissão convencional, a relação V=L 2,2, sendo 0 L 1 representativo da intensidade de entrada de luz em uma câmera e V o sinal (elétrico) de vídeo em sua saída, ambos normalizados em relação ao nível de referência branco para os sinais de vídeo em alta definição a formulação torna se mais elaborada, sendo descrita por: V=4,500 L, para 0 L 0,018 V=1,099 L0,45 0,099, para 0,018 L 1,000 ainda no âmbito do pré processamento dos sinais de vídeo captados, tem se a filtragem passa baixas dos sinais ER'TX, EG'TX e EB'TX com a finalidade de se estabelecer uma limitação em banda, evitando se assim a sobreposição espectral (efeito denominado aliasing) essa sobreposição poderia ter lugar considerando se que a aplicação da amostragem leva a uma repetição do espectro ao longo do eixo das frequências com espaçamentos determinados pela própria frequência de amostragem caso a banda passante do sinal de vídeo viesse a exceder certos limiares, quando da repetição espectral e dependendo do valor da frequência de amostragem, as referidas sobreposições tenderiam a acontecer tomadas as providências relacionadas a evitar o aliasing, pode se então amostrar e quantizar o sinal de vídeo em estudo as operações de compressão e codificação são desenvolvidas a partir das informações digitalizadas no tocante à amostragem, as magnitudes tomadas são quantizadas e caracterizadas seja por 8 bits/amostra, seja através de 10 bits/amostra, dependendo da precisão desejada seguindo essa etapa, as representações RGB são convertidas por meio de uma transformação linear em sinais que correspondem à luminância (Y) e às informações diferença de cor (Cr e Cb), cujas tensões são indicadas na figura anterior por EY, ECr e Ecb

5 vale notar que a adoção desse procedimento auxilia na descorrelação entre as componentes RGB, melhorando se a compressão do sinal de vídeo além disso, considerando as características do sistema visual humano, o reconhecimento das parcelas associadas à luminância é mais amplo no tocante à banda espectral desse sinal, comparativamente às componentes diferença de cor, o que permite que parte do espectro correspondente ao sinal de crominância (Cr e Cb) seja desprezada esse procedimento é realizado por meio da aplicação de técnicas de subamostragem sem que, no sistema visual humano, sejam percebidas deteriorações na qualidade da imagem tratada conforme pode ser apreciado na figura, as operações de subamostragem são precedidas pela aplicação, nos sinais de crominância digitalizados, de um filtro passa baixas com o objetivo de evitar problemas relacionados ao aliasing, à semelhança do que foi anteriormente comentado no processo de conversão das informações RGB em componentes de luminância e de sinais diferença de cor, tem se uma operação matemática linear, que pode ser expressa pela montagem matricial dada a seguir, na qual, por mera simplificação, denominam se de RGB e de Y, Cr e Cb as informações de tensão (no formato digital) vinculadas a ambos os espaços representativos dos dados considerados K11 K12 K13 R Y = Cr K21 K22 K23 G Cb K31 K32 K33 B [] [ K11=0,2990 ; K12=0,5870 ; K13=0,1140 K21=0,5000 ; K22= 0,4187 ; K23= 0,0813 K31= 0,1687 ; K32= 0,3313 ; K33=0,5000 para o processamento de sinais de alta definição esses coeficientes têm outros valores: ][ ] os valores das constantes Kxy (1 x 3 ; 1 y 3) são normatizados em função do padrão de TV digital adotado, bem como pelas características do sinal tratado como exemplo, os padrões brasileiros do sinal de televisão dito standard (ou seja, que emprega a resolução do padrão M analógico) utilizam os seguintes valores para Kxy: 5 K11=0,2126 ; K12=0,7152 ; K13=0,0722 K21=0,5000 ; K22= 0,45412 ; K23= 0,0458 K31= 0,1146; K32= 0,3854 ; K33=0,5000 apesar de que, pelas normatizações, é possível utilizar a distribuição de coeficientes citada anteriormente também para as operações que envolvem a resolução analógica convencional finalmente, no que concerne à subamostragem das componentes Cr e Cb, esta é determinada pelo formato 4:2:0 para cada quatro amostras de luminância sendo tomadas estão associados dois pares de informações Cr e Cb (o que equivale a ter informações Cr e Cb selecionadas segundo um fator de 2; amostras alternadas nas direções horizontal e vertical da imagem)

6 6 o sinal de sincronismo no que tange às técnicas tradicionais de televisão, o objetivo dos sinais de sincronismo (horizontal, vertical e equalização) consiste em referenciar o receptor quanto ao desenvolvimento das linhas horizontais e dos campos/quadros relativamente ao que se desenvolve no lado transmissor em se tratando da varredura da imagem nas técnicas analógicas os sinais de sincronismo consistem em níveis de tensão agregados ao sinal de vídeo, estabelecendo se o assim chamado sinal de vídeo composto no caso das técnicas digitais de transmissão de sinais de vídeo, os sinais de sincronismo não são transmitidos como na TV analógica, tendo se em conta que são implícitos quando da codificação dos quadros (ou campos) e das linhas de varredura isso não significa em absoluto que, no âmbito da câmera, os sinais de sincronismo não sejam gerados com efeito isso ocorre, conforme será reforçado adiante, devido à necessidade da manutenção de referenciais com os demais equipamentos no lado transmissor, porém não são codificados como tais além disso, tais informações de sincronismo são empregadas como referenciais de relógio (clock) quando da amostragem dos níveis analógicos, com o objetivo de identificar aquelas que são efetivamente relacionadas com os dados de vídeo (e que devem, em consequência, ser submetidas à codificação e transmissão) nas figuras seguintes são mostradas as formas de onda associadas aos sinais de sincronismo horizontal e vertical (no âmbito dos padrões brasileiros) na figura 6.3 podem ser apreciados os níveis e temporizações correspondentes ao sinal de sincronismo horizontal para o vídeo com qualidade convencional (frequência de varredura horizontal de 15734,25 Hz e vertical de 59,94 Hz, ou seja, 525 linhas e entrelaçamentos 2: 1 e 1:1) na tabela 6.1 se encontram os valores associados aos sinais apresentados na figura 6.4 estão os níveis e temporizações associados ao tratamento de imagens com maior resolução (750 linhas e taxa de renovação de quadros 59,94 s l, entrelaçamento 1: 1) e nas tabelas 6.2 e 6.3, as magnitudes a eles correspondentes observa se que, neste caso, ao contrário das padronizações convencionais da televisão analógica, o sincronismo possui três níveis (nas técnicas convencionais, apenas dois)

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8 8 assim, a informação de sincronismo inicia se com 0 Vdc, torna se negativa ( 300 mv) durante um certo intervalo de tempo, seguindo uma transição para um patamar positivo (+300 m V) durante um intervalo semelhante para então retomar aos 0 Vdc as razões associadas à adoção dos três níveis residem na presença de um valor médio nulo para tais sinais, ao contrário dos pulsos de sincronismo convencionais que determinam uma componente contínua no sinal de vídeo como um todo, por ser sempre negativo para qualidades de vídeo superiores (1125 linhas de resolução e 59,94 campos por segundo, entrelaçamento 2: 1), o esboço mostrado na Figura 6.5 contém o aspecto do sincronismo horizontal associado as tabelas 6.4 e 6.5 mostram as magnitudes pertinentes ao sinal tratado

9 9 quanto aos sincronismos verticais pertinentes ao tratamento de sinais de vídeo convencionais (525 linhas, 59,94 campos por segundo e entrelaçamento 2: 1), a figura 6.6 e a tabela 6.6 contêm esboços relativos às tensões e tempos envolvidos e os valores a eles inerentes, respectivamente à semelhança das técnicas de TV analógica, pode se observar a presença, também, dos pulsos de equalização

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11 11 a figura 6.7 mostra o aspecto do sinal de sincronismo vertical para um sinal de vídeo convencional, porém com um entrelaçamento 1:1 (525 linhas e 59,94 quadros por segundo) nesse caso não se registra a presença dos pulsos de equalização. Na Tabela 6.7 podem ser apreciados os valores das temporizações envolvidas.

12 12 a figura 6.8 contém uma situação em que são destacados vários pulsos (formados por três níveis cada), distanciados entre si de um período horizontal e que caracterizam o sincronismo vertical para um sinal de vídeo estabelecido a partir de 750 linhas de varredura, 59,94 quadros por segundo e entrelaçamento 1: 1 na tabela 6.8 estão incluídas informações referentes ao sinal considerado

13 13 encerrando se as considerações pertinentes aos sinais de sincronismo, a figura 6.9 exibe um comportamento análogo aos pulsos de sincronismo verticais, desta feita para um sinal de vídeo de alta resolução (1125 linhas e 59,94 campos por segundo, entrelaçamento 2:1) pode se observar, na tabela 6.9, os dados numéricos referentes aos sinais mostrados

14 14 finalmente, nas tabelas 6.10 e 6.11 estão registradas informações importantes concernentes aos parâmetros de frequência de linha, campo e/ou quadro, relação de aspecto, linhas reais e ativas, frequências de amostragem e quantidade de amostras tomadas, além de outros dados pertinentes a quatro versões de sinais de vídeo para transmissão televisiva, sendo dois voltados à qualidade convencional e dois para alta definição tais tabelas foram montadas com base no conteúdo apresentado pela normatização brasileira questões propostas