Formatos de Áudio e Vídeo Digital Introdução ao Vídeo

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1 Redes Multimídia Formatos de Áudio e Introdução ao Vídeo Curso Superior de Tecnologia em Sistemas para Internet Turma: TEC.SIS.4T

2 Redes Multimídia Conteúdo Programático :: 1 a Unidade 1. Aplicações multimídia sobre redes; 2. Formatos de áudio e vídeo digital 2.1. Introdução ao áudio digital; 2.2. Compactação de áudio; 2.3. Introdução ao vídeo Sistemas analógicos; Sistemas digitais; 2.4. Compactação de vídeo Padrão JPEG; Padrão MPEG; 3. Fluxo contínuo de áudio e vídeo na Internet.

3 Contextualização Definições de Vídeo Vídeo pode ser definido como uma sequência de imagens paradas que, quando apresentadas em uma taxa suficientemente rápida, dão a impressão de movimento ao ser humano, como, por exemplo, os seguintes sistemas analógicos: NTSC (National Television Standards Committee) 525x60: 30 quadros por segundo (qps), sendo apresentados em 525 linhas e, de forma entrelaçada, 60 vezes por segundo (cada quadro é dividido em linhas pares e ímpares) para melhorar a sensação de movimento. A resolução espacial da TV é de 4x3 700x525 PAL (Phase Alternation Line) 625x50: 25 quadros por segundo (qps), sendo apresentados em 625 linhas e, de forma entrelaçada, 50 vezes por segundo (cada quadro é dividido em linhas pares e ímpares) para melhorar a sensação de movimento. Mantendo o aspecto da TV = 4x3 833x625

4 Digitalização de Vídeos Modificando a Qualidade e a Taxa de Transmissão (ajustes): Resolução Espacial (largura x altura) da imagem; Taxa de quadros; e Passos de quantização Da mesma forma que no áudio, os fatores digitalização, compressão, qualidade do sinal e latência são extremamente importantes na transmissão de vídeo.

5 Digitalização de Vídeos Resolução Espacial Ajustes no tamanho dos quadros, ou seja, a relação entre sua largura e altura; Em meios digitais, para permitir que uma recomendação possa ser utilizada tanto em regiões do planeta que utilizam NTSC como as que utilizam PAL, normalmente se utiliza o formato CIF (Common Intermediate Format) ou SIF (Standard Interchange Format).

6 Digitalização de Vídeos Resolução Espacial Formatos de vídeo e alguns padrões onde esses formatos são utilizados:

7 Digitalização de Vídeos Taxa de Quadros Número de quadros sucessivos por segundo; Para uma boa qualidade, o ideal é utilizar acima de 24 quadros por segundo (padrão atual dos cinemas); Em termos de compressão da imagem, quanto mais quadros por segundo melhor a taxa de compressão, pois é possível codificar somente as mudanças entre quadros; Isso permite a padrões que exploram essa característica, como o MPEG, comprimir 50 a 70 vezes uma transmissão 352x quadros por segundo, enquanto padrões que não exploram, como o M-JPEG, comprimem apenas 15 a 30 vezes; Entretanto, quando a taxa de quadros é baixa, como, por exemplo, 1 quadro por segundo, a diferença na compressão entre MPEG e M-JPEG não é significativa.

8 Digitalização de Vídeos Passo de Quantização Quanto maior o número de amostras de um vídeo por segundo, maior a sua qualidade, (da mesma forma que foi visto na parte de áudio). Exemplos de Taxas de Vídeo (não comprimido)

9 Vídeo Analógico x O vídeo digital ao invés de ter uma representação analógica (no infinito de estados) usa uma representação finita de estados (dois: zero e um); O vídeo digital pode ser obtido de duas formas: Renderização (rendering) Uso de processamento digital Utilizando, por exemplo, softwares de modelagem 2D e/ou 3D; Processo que consume muitos recursos dos processadores (inviável para realização em tempo real). Digitalização de vídeo analógico Configurando/ajustando parâmetros como qualidade e velocidade.

10 Digitalização de Vídeo Analógico :: Grandezas: Taxa de amostragem: Número de amostras de vídeo digital por segundo; Espaço de armazenamento necessário; Taxa de transferência de dados (data rate); Dimensão das amostras - Número de bits usados para a representação dos valores amostrados.

11 Digitalização de Vídeo Analógico As placas de captura de vídeo digitalizam o sinal analógico de vídeo através da conversão de cada frame numa imagem bitmap; Processam uma linha de cada vez, sendo estas divididas em pixels Exemplo: para o PAL as linhas são divididas em 768 Pixels; Para cada pixel é calculado o valor de cada componente RGB; O valor 768 resulta do aspect-ratio do PAL que é 4:3; No sistema PAL das 625 linhas, 50 não têm visibilidade na imagem. Assim, apenas 575 linhas são verdadeiramente usadas.

12 Digitalização de Vídeo Analógico Para obter a proporção 4:3: =766,7. Como estamos falando em tecnologia digital têm de ser considerados valores inteiros: Assume-se que o número de linhas é 576; Para calcular o número de pixels em cada linha basta fazer o seguinte cálculo: =768. Generalizando: O número de pixels por linha é calculado da seguinte forma: n o de linhas aspect ratio Após a digitalização cada frame será uma imagem (bitmap) com a resolução de

13 Digitalização de Vídeo Analógico Cada um desses pixels necessita de 3 Bytes para representar as cores: 8 bits para o R, 8 bits para o G e 8 bits para o B Total = 24 bits. Dessa forma pode dizer-se que para representar um frame são necessários: = 1,327 MBytes.

14 Digitalização de Vídeo Analógico Quantos Bytes seriam necessários para a representação de 1 segundo de vídeo PAL?

15 Digitalização de Vídeo Analógico Quantos Bytes seriam necessários para a representação de 1 segundo de vídeo PAL? O PAL usa 25fps, então: 1, = 33,175 Mbytes!!!

16 Digitalização de Vídeo Analógico E se fosse 1 hora de vídeo?

17 Digitalização de Vídeo Analógico E se fosse 1 hora de vídeo? 1 hora de vídeo: 33,17 MB 60 segundos 60 minutos = MBytes / Gbytes!!!

18 Digitalização de Vídeo Analógico A maior parte das placas de aquisição de vídeo usa o modelo YUV onde apenas são usados 16 bits na representação de cada pixel; Neste caso para 1 segundo seriam necessários: =22 MBytes.

19 Digitalização de Vídeo Analógico Nos EUA e no Japão a corrente elétrica é distribuída a 60Hz e por isso a norma NTSC usa essa frequência de varrimento; Como o NTSC usa 525 linhas, onde apenas são usadas 480: 480 4/3= 640; A resolução é exatamente a resolução VGA (Video Graphic Adapter) usada inicialmente pelos Pcs Motivo: Os primeiros Pcs foram pensados para poderem ser ligados a TVs.

20 Formatos/Categorias de HDR: High Data Rate (Alta Taxa de Dados); Baixa compressão (ou inexistente); Ótima qualidade de imagem; Facilidade no processamento; Usados na pós-produção profissional. LDR: Low Data Rate (Baixa Taxa de Dados) Elevadas taxas de compressão e baixa qualidade; Destinados às aplicações multimídia interativas e à transmissão de vídeo sobre redes de comunicações, como por exemplo a internet (videofone, videoconferências, etc).

21 Principais Padrões HDR CCIR-601: Digital Component Video (ITU-R BT.601) Recomendação do CCIR - The International Consultative Committe on Broadcasting; Família de formatos para vídeo digital por componentes; Os formatos da família CCIR-601 são dados por m:n:l, em que m,n e l são fatores multiplicativos sobre as taxas de amostragem relativas a Y (luminância), a U (diferença entre Y e o azul) e V (diferença entre Y e o Vermelho).

22 Principais Padrões HDR Composto: Digital Composite Video Formato de vídeo digital preferido pelos estúdios de vídeo profissionais, porque: Simplifica o tipo de cabos necessários; O equipamento de vídeo composto é mais comum. Este formato resulta da digitalização de vídeo analógico composto, em que a taxa de amostragem para o PAL é normalmente de 4 4,43MHz e para o NTSC é de 4 3,58MHz.

23 Principais Padrões HDR CIF e QCIF (Comité Consultatif International Telégraphic et Téléphonique) Orientado à videoconferência; Fronteira com os LDR; Data rate e qualidade inferiores ao CCIR 601; CIF , QCIF

24 Principais Padrões HDR HDTV Digital (High Definition TeleVision) Melhorar o PAL e o NTSC (SDTV - Standard Definition TV) Data rates mais elevados que os formatos digitais para PAL e NTSC; Integração das normas: DTV (Digital TV) internacional; DVB (Digital Video Broadcasting) - europeia; ATSC (Advanced Television Systems Committee) - EUA e a ISBD (Integrated Services Digital Broadcasting) Japão; Compressão de imagem - MPEG-2 (Motion Picture Experts Group).

25 Principais Padrões HDR

26 Formato LDR Objetivos: permitir a utilização de vídeo em aplicações multimídia e permitir a difusão de vídeo através da Internet Como é isso possível? Combinando compressão de dados com a redução da resolução profundidade da cor e com a redução do frame rate.

27 Formato LDR Exemplo: Considere um sinal digital LDR de 10MBps por segundo; Reduzindo para metade as resoluções vertical e horizontal obtém-se uma qualidade semelhante ao vídeo VHS; Dividindo o frame rate por 2 e aplicando um fator de compressão de 10:1... O bit rate resultante seria aproximadamente 1/50 do tamanho do inicial, isto é, aproximadamente 2Mbps (256KBps). Viável para a maioria dos usuários de internet de banda larga; A 15fps o vídeo é apresentado com cintilação mas a taxa de transferência fica bastante reduzida.

28 Formato LDR A compressão do vídeo digital é fundamental para que seja possível apresentar vídeo LDR com qualidade (full-motion - 24 a 30fps); As técnicas de compressão descompressão de vídeo digital estão presentes nos codecs. Os fundamentos são os mesmos apresentados nesta disciplina para fundamentar o assunto áudio. Com perdas x Sem perdas...