Módulo 6 Compressão Vídeo Sistemas Multimédia

Transcrição

1 Módulo 6 Compressão Vídeo Sistemas Multimédia Universidade de Aveiro 1

2 Sumário O sinal vídeo O vídeo digital- CCITT 601 Os formatos de vídeo Compressão de vídeo Redução de informação Redundância temporal MPEG 2

3 Vídeo/Televisão/Cinema tempo 3

4 Percepção do Movimento tempo Frame Apresentando uma sequência de imagens ao olho humano com uma cadência suficientemente rápida cria-se a ilusão de movimento. Cinema: 24 frames/segundo (cada frame pode ser projectada 2 ou 3 vezes). Televisão: (25/30) frames /segundo 4

5 Televisão Analógica 5

6 Conceitos Fundamentais em Vídeo Vídeo Analógico A imagem é composta por linhas horizontais que são mostradas de forma progressiva. O varrimento destas linhas pode ser progressivo ou entrelaçado. Com esta última opção consegue-se uma menor cintilação. Varrimento progressivo Varrimento entrelaçado 6

7 Conceitos Fundamentais em Vídeo Exemplo do sinal de uma das linhas do formato de vídeo analógico NTSC 7

8 Tipos de Ligações de Vídeo Analógico Vídeo por componentes As três componentes de cor são transmitidas em fios diferentes; Podem ser usados os formatos RGB, YUV ou YIQ para representar a cor; Vídeo composto Um único fio transporta um único sinal com as 3 componentes; A componente de luminância é modulada em separado das componentes de crominância; S-video A luminância é transmitida num fio e as componentes de crominância noutro; Apresenta melhor qualidade que o vídeo composto. 8

9 Sistemas de Difusão de Televisão NTSC (National Television Standard Commitee) : 525 linhas e 30fps PAL (Phase Alternative Line): 625 linhas e 25fps SECAM (Séquentiel Couleur à Mémoire ): 625 linhas e 25fps 9

10 Vídeo Digital Os primeiros formatos de vídeo digital representavam a informação sem qualquer compressão; Mesmo assim proporcionavam grandes vantagens: Possibilidade de armazenamento em servidores de dados; Possibilidade de realizar cópias sem perca de qualidade; Possibilidade de realizar filtragem digital para a eliminação de ruído; Acesso direto facilitando a edição. 10

11 Vídeo Digital Não é fácil compatibilizar os três standards de vídeo analógico ITU- propôs a norma CCIR 601 para facilitar a manipulação de sinais de vídeo no formato digital Câmaras de vídeo usam {R,G,B} Os dispositivos display são não lineares, existe uma compensação dos sinais gama corrected {R,G,B }. 11

12 Vídeo Digital Componentes YUV Emissão de TV Compressão é mais eficiente O vídeo digital são versões scaled e com offset do sistema YUV designadas por YC b C r (CCIR-601) 8 bits para cada componente nos intervalos Y [16, 235] C [16, 240] 12

13 Normas de Vídeo Digital Resolução da Luminância Resolução da Crominância Sub-amostragem de cor HDTV CCIR 601 NTSC CCIR 601 PAL CIF QCIF 1920 x x x x x x x x x x 72 4:2:0 4:2:2 4:2:2 4:2:0 4:2:0 Frames/seg Relação Aspecto 16:9 4:3 4:3 4:3 4:3 Entrelaçamento Sim Sim Sim Não Não 13

14 Compressão? Uma Frame ocupa 1 Mbyte 720*486*3 bytes= bytes 1 MByte 1 segundo de vídeo (PAL) 25 MBytes 1 minuto de vídeo (PAL) 1.5 Gbytes 1h de vídeo (PAL) 90 Gbytes Para manipular vídeo não compactado Armazenamento com terabytes (o DVD 4.7Gbytes) Largura de banda da ordem de 200 Mbit/seg 25 Mbytes *8 = 200 Mbits 14

15 Compressão de Vídeo Redução da redundância espacial (da imagem) Reduzir o tamanho das frames Compressão de imagem (codificação com perdas) Redução da redundância temporal Duas frames consecutivas (em cenas com pouco movimento) não são significativamente diferentes -Utilização de codificadores preditivos -Utilização de detectores de movimento E o sinal áudio? 15

16 Compressão de Vídeo Redução da irrelevância espacial Sub-amostragem das componentes de cor Redução da irrelevância temporal Podem-se introduzir alguns artefactos nas sequências mais rápidas porque o sistema de visão tem uma percepção espaço tempo limitada. 16

17 Medição da Qualidade de Vídeo Para comparar a qualidade das imagens comprimidas utiliza-se uma medida objetiva do erro entre a imagem original e a descodificada. Definição do Erro Quadrático Médio (MSE) MSE = 1 Nc Nl Nc i=1 Nl ( X original (i, j) X descodificada (i, j) ) 2 j=1 17

18 Redundância Temporal Vídeo com pouco movimento Vídeo com movimento de câmara 18

19 Redundância Temporal Diferença Vídeo com pouco movimento Entre Frames Vídeo com movimento de câmara 19

20 Redundância Temporal Diferença Entre Frames Vídeo com pouco movimento Vídeo com movimento de câmara 7000 Norma do erro da diferença entre imagens akiyoqcif 7000 Norma do erro da diferença entre imagens bridgecloseqcif Erro Quadrático Erro Quadrático quadro quadro 20

21 Compensação de Movimento Frames consecutivas de vídeo : imagens com os objetos em posições diferentes Movimentos de câmara e de cena 21

22 Segmentação da Frame A frame atual é dividida em blocos não sobrepostos de tamanho N M. 8 8 ou Para cada bloco B é procurado um bloco C na frame de referência O vector de movimento ( Δ, Δ ) = ( C B, C B ) x y x x y y (x,y)-topo superior esquerdo do bloco 22

23 Vector de Movimento 23

24 Frame Reconstruída com MV 24

25 Exemplo Original: duas frames consecutivas 25

26 Exemplo Diferença entre as frames Diferença após compensação de movimento 26

27 Detecção de Movimento Algoritmos de procura Medidas de semelhança ou distorção Codificação do bloco B Se encontrar um bloco C vector de movimento Se não encontrar bloco C o bloco é codificado diretamente. Nota: C é um bloco na frame de referência Vectores movimento nas componentes de cor Calculados a partir da luminância (necessário scaling) 27

28 Sequência de Vídeo Tramas de diferentes tipos I frame - é a trama de referência 28

29 Uma Sequência de Vídeo Frame I (intra pictures) descodificadas independentemente; Frame P (predictive pictures) descodificadas a partir das I ou P anteriores; Frame B (bidirectional predictive pictures) descodificadas a partir das I ou P anteriores e seguintes. 29

30 Codificador MPEG 30

31 Normas de Vídeo Comprimido MPEG- 1 (1991) 1,2 a 1,5Mbps a 30fps (ou a 25fps) qualidade VHS MPEG-2 De a 30fps (ou a 25fps) Até alta definição a 60 fps TV e HDTV 31

32 MPEG-2 (níveis) Tamanho Pixel/s Aplicação Low (4Mbps) Main (15Mbps) High (60Mbps) Very High (80Mbps) M Qualidade VHS M Qualidade TV M HDTV M Produção de Filmes 32

33 Normas Vídeo e Compressão H.261: 1993 Transmissão de vídeo em tempo real na rede telefónica digital n 64kbs (ISDN- integrated services digital networks) Formato CIF Sistemas de Vídeo conferência H.263 e H.263+ Sistemas videoconferência sobre redes telefónicas fixas ou móveis 33

34 MPEG-4 Introduz o conceito de objecto audiovisual Alarga as potencialidades do MPEG-1 e do MPEG-2 Tem como objectivo fornecer serviços a Autores: produção de material multimédia mais flexível Utilizadores: mais serviços no mesmo equipamento terminal e maior interatividade com o conteúdo do material audiovisual recebido 34

35 MPEG-4 Codificação independente de objectos numa imagem. Os objectos designados por AVO (Audio Visual Objects). Por exemplo: O músico de orquestra A música tocada pelo músico A cadeira onde o músico se senta etc... Acesso independente a cada objecto que pode ser natural ou sintético Composição de AVO's de forma hierárquica de modo a produzir novos AVO's ou uma cena Multiplexagem e sincronização dos dados associados aos AVO s, de modo a serem transportados por canais fornecendo qualidade de serviço (QoS) apropriada a cada AVO. Possibilidade de interatuar com a cena audiovisual do lado do receptor 35

36 Exemplo 36

37 Bibliografia Mandal Multimedia Signals and Systems Exemplo de compensação do movimento (CD- ROM, matlab) Nuno Ribeiro, José Torres- "Tecnologias Compressão Multimédia" 37