o sinal de vídeo analógico e os processos de amostragem e digitalização

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1 STV 16 MAR o sinal de vídeo analógico e os processos de amostragem e digitalização no âmbito dos sistemas de vídeo e em particular no tocante aos sistemas de televisão, pode ser considerada a presença de duas grandes abordagens, que são os sistemas analógicos e os digitais. no que concerne aos sistemas de vídeo analógicos e, mais especificamente, à televisão monocromática, pode se analisá la a partir de uma câmera que executa a varredura e a exploração bidimensionais de uma imagem, por meio de um feixe de elétrons que se desloca em alta velocidade, da esquerda para a direita e, mais lentamente, de cima para baixo, estabelecendo um sinal elétrico variante com o tempo a intensidade luminosa é assim eletricamente representada, ponto a ponto ao fim varredura, quando o feixe atinge a região inferior direita da imagem, pode se dizer que um campo foi explorado na sequência, o feixe de elétrons é reposicionado para a região superior da face sensível da câmera e o processamento citado é reiniciado, criando se outro campo e assim sucessivamente o receptor trata o sinal elétrico variante com o tempo e reconstitui a imagem pelo desenvolvimento de uma varredura semelhante os parâmetros associados a tais varreduras variam conforme o padrão estabelecido os principais consistem nos padrões M, N, B e G paralelamente à questão dos padrões de televisão, tem se o conceito de sistema por sistema entende se o modo como as informações cromáticas são acopladas aos ditos padrões três grandes "famílias" dos sistemas são mundialmente adotadas: NTSC, PAL e SECAM o padrão N, por exemplo, emprega a varredura baseada em 625 linhas (das quais cerca de 576 são efetivamente exploradas), uma relação de aspecto (dimensão horizontal da tela relativamente à vertical) de 4:3, e o tratamento de 50 campos por segundo (ou 25 quadros por segundo) o padrão N, bem como os demais, emprega a concepção de varredura entrelaçada, na qual os campos ímpares são varridos inicialmente para, em seguida, serem tratados os campos pares dois campos sucessivos correspondem a um quadro o padrão M tem 525 linhas de varredura (com aproveitamento efetivo de 483 delas) e 30 quadros por segundo (ou seja, 60 campos por segundo) supondo se que o entrelaçamento não fosse empregado e que as noções de campo e quadro se confundam, por meio da varredura progressiva (sequenciada) e ordenada da linha 1 à 625 (padrão N) ou da linha 1 à 525 (no padrão M), um problema teria lugar: a assim denominada cintilação (percepção, por parte do sistema visual humano, das variações de brilho ao longo das cenas observadas) considerando se a ausência de entrelaçamento e que a cada quadro corresponda um campo, em um padrão no qual a renovação de quadros (campos) se desse a uma taxa de 25 imagens por segundo, a cintilação (flicker) seria notória, resultando em uma sensação incômoda e não natural no que tange às movimentações durante a cena tratada fenômeno semelhante teria lugar caso o padrão adotado empregasse 30 imagens por segundo (ainda dentro da premissa de que a um quadro está associado um único campo) com a adoção da técnica de entrelaçamento, as taxas de renovação de imagens se

2 STV 16 MAR tornam, efetiva e respectivamente, 50 Hz e 60 Hz para os exemplos considerados a televisão em cores emprega os mesmos princípios de varredura em vez de estabelecer a ação de varredura sobre um único feixe, utilizam se três, cada qual associado a uma das cores primárias: vermelho (R), verde (G) e azul (B) os sinais RGB são linearmente combinados, estabelecendo uma informação de luminância e outra de crominância (que é formada a partir de dois sinais diferença de cor, (R Y) e (B Y)) consegue se, com esse artifício, a manutenção da compatibilidade com os receptores monocromáticos quanto aos sistemas de vídeo digitais, são formados a partir de um conjunto de cenas (tramas) sequenciais estabelecidas por meio de uma matriz de pixeis (picture elements, ou elementos de imagem) o processo de varredura é, em essência, semelhante àquele presente nos sistemas analógicos, todavia, na maior parte dos casos não se aplica ao contexto o conceito de entrelaçamento, uma vez que a taxa de renovação das imagens é de, no mínimo, 75 vezes por segundo, mais que o suficiente para eliminar quaisquer problemas relacionados à percepção de movimento por parte do sistema visual humano. considerações referentes à amostragem três formas de digitalização dos sinais de vídeo (cromáticos) são aplicadas na prática, designadas como 4:2:2, 4:1:1 e 4:2:0 tais notações caracterizam a forma com que as amostras de sinais analógicos captados pela câmera (lembrando que, em essência, esta consiste em um transdutor de natureza analógica que transforma informações visuais em sinais elétricos) são tomadas os sinais RGB não são tratados paralelamente por, basicamente, dois motivos: a excessiva banda passante necessária (o triplo daquela correspondente aos sinais monocromáticos ou de luminância) e a necessidade de se manter a compatibilização com os padrões preto e branco com o estabelecimento dos sinais Y, Cr' e Cb' (Cr' e Cb' são derivados das informações diferença de cor R Y e B Y) são aproveitadas as características do sistema visual humano e a banda passante é, então, diminuída assim, por exemplo, o sinal designado como Y/C (C representa a composição vetorial de Pr' e Pb'), utilizado em S VHS (o formato do conector correspondente a essa montagem é denominado S vídeo), contém as informações de luminância (Y) e de crominância: C = Pr'cos(t) + Pb'sen(t). com a conversão analógico digital são aplicadas operações (detalhadas adiante) que geram os sinais quantizados, denominados Y, Cr e Cb não confundir, apesar da manutenção na notação, Y analógico com Y quantizado

3 STV 16 MAR as informações quantizadas Y, Cr e Cb são submetidas a um processo de amostragem a diferentes taxas, o que as remete às diferentes formatações: 4:2:2, 4:1:1, 4:2:0, dentre outras na amostragem 4:4:4 os três sinais são tratados do mesmo modo há, no entanto, recomendações (como a CIT 605, também conhecida como CCIR 601) que, em função das características do sistema visual humano, especificam uma menor taxa de amostragem (50%) para a informação de crominância relativamente à de luminância a partir desta recomendação surge, então, o formato 4:2:2 assim, um padrão originalmente analógico com 625 linhas de varredura e taxa de renovação de quadro de 25 Hz, operando com o sistema PAL, terá, sob tais condições, uma imagem (por quadro) composta por 720 x 576 pixeis cada pixel é codificado através de 8 bits (no tratamento de vídeo profissional, são empregados 10 bits) a taxa de bit (bitrate) associada é de cerca de 166 Mbits/s (8 x 25 x (1 + 0,5 + 0,5) x 720 x 576) para o padrão/sistema considerado, o que exigiria uma quantidade de memória extremamente elevada para a armazenagem de uma hora de programação (166 x 3600 = Mbits) assim, por exemplo, a taxa de bit pode ser menor (124 Mbits/s) no formato 4:1:1, o que permite o uso de bancos de memória menores às custas da redução na qualidade da imagem tratada na amostragem 4:2:0 os sinais de crominância são sub amostrados (fator de 2) não apenas ao longo das linhas de varredura como também entre uma linha e outra, conforme sugerem as Figuras 5.1 e 5.2 nestas figuras os conceitos são apresentados de forma ilustrativa, fornecendo uma primeira abordagem a respeito dos procedimentos envolvidos nota se, na Figura 5.1, a presença dos termos bloco e macrobloco tratam se de pequenas matrizes formadas por elementos de imagem é possível efetuar se os cálculos e chegando se à conclusão que tanto no formato 4:1:1 quanto no 4:2:0, os bitrates correspondentes são idênticos no entanto, visualmente o formato 4:2:0 mostra se mais conveniente (considerando se o aproveitamento das informações tratadas por parte do sistema visual humano por tal motivo este é o formato adotado para a codificação de DVDs e TV digital

4 STV 16 MAR a concepção de subamostragem consiste em um processo que pode perfeitamente ser considerado uma "compressão" no entanto, a taxa de bit obtida, embora menor, é ainda elevada, exigindo que outras técnicas compressivas venham a ser adotadas quantização de um sinal analógico a quantização de um sinal analógico baseia se na substituição de infinitos valores que um sinal pode assumir (diferenças de potenciais e correntes, por exemplo, são grandezas que macroscopicamente podem ser consideradas contínuas) por uma quantidade finita (Nq) de magnitudes se as magnitudes citadas forem equidistantes, tem se aquilo que se conhece por quantização linear a distância que separa dois valores (quantizados) consecutivos possíveis é denominada passo de quantização a figura 5.3 apresenta a função de transferência correspondente a um quantizador linear

5 STV 16 MAR ao longo do processo e a cada instante de amostragem n Te, o sinal s(t) é substituído pelo valor mais próximo dentre aqueles possíveis das magnitudes quantizadas matematicamente tem se s(n) = s(n Te) = s*(t), com o asterisco denotando que nesse instante t foi amostrado o sinal s(t) sua representação quantizada corresponde a s(n) = s n a quantização das amostras é executada através de um converso r analógico digital (DAC DigitaL Analog Converter) uma restrição importante do DAC é que o período de amostragem deve ser superior ao tempo demandado pela conversão em si além disso, o DAC é referenciado por meio de sua resolução passo de quantização q relacionada: ao intervalo de medida ΔV: intervalo de valores possíveis para o sinal de entrada, por exemplo, ΔV = 10 V para um sinal que pode excursionar entre 5 V e +5 V, e à quantidade Nq de passos empregados, de tal modo que q = ΔV/Nq o tempo de conversão da informação analógica em digital (com 8 ou 10 bits, conforme a aplicação) também consiste em um dos parâmetros que caracterizam o DAC, além de sua linearidade (entenda se o deslocamento ou afastamento relativo máximo entre sua função de transferência e uma outra, referencial e linear) várias técnicas existem no tocante ao funcionamento do DAC (conversão por rampa e por aproximações sucessivas, entre outras), cada qual apresentando tempos de conversão diferentes exemplo: analise da operação de um DAC cuja conversão seja obtida por meio de aproximações sucessivas neste caso, uma tensão V c é gerada a partir de um ADC (Analog DigitaL Converter) e comparada com o nível de tensão a ser medido utilizando se de técnicas de dicotomia (mostradas a seguir por meio de um exemplo), atinge se a precisão desejada através de uma sequência de etapas a quantidade de etapas envolvidas está, assim, associada à resolução adotada o resultado é expresso em notação binária, sendo Nq = 2 m, ou seja, o conversor é caracterizado pelo número m de bits necessários para a representação do resultado da conversão

6 STV 16 MAR para um conversar de 8 bits, Nq = 256; para outro de 12 bits, tem se Nq = 4096, enquanto a conversão para 16 bits exige Nq = nesta análise simplificada, adotemos um conversor com m = 4 bits no caso, 2 4 = 16 intervalos, denominados I 0 a I 15 considerando se o intervalo de medida (V mín a V max ) entre 5V e +5V e o valor de tensão a ser quantizado de 1,5 V isto posto, conforme a Figura 5.4, os passos de quantização podem ser estabelecidos as representações dos intervalos, dos níveis de tensão associados aos passos e sua representação binária podem ser consultadas nas tabelas apresentadas a seguir pode se observar que V c corresponde ao valor inferior da faixa considerada

7 STV 16 MAR o processo de quantização se inicia com 1000 (meio da escala) e estabelece se, assim, o primeiro bit associado ao valor 1, pois V e > V c (1,5 V > O V) testa se agora o meio da escala correspondente ao intervalo superior, ou seja, 2,5 V (vinculado à representação binária 1100) que é superior a V e logo, um bit de valor 0 é agregado à representação, que fica 10 no próximo teste, com base em 1,25 V (ou seja, 1010), o meio da escala correspondente ao intervalo inferior, conduz a V e > V c ou seja, o bit que é adicionado à representação de V e trata se de outro 1 tem se, até o momento, 101 no último teste, 1,875 V é comparado a V e, o que determina, considerando se que V e < V c a presença de mais um 0, chegando se então a 1010 como a representação binária para qualquer valor a ser quantizado entre 1,875 (exclusive) e 1,25 (inclusive) no exemplo tratado, V e = 1,5 V está, certamente, incluído nesse intervalo ruído de quantização quando da quantização tem se a substituição do valor exato correspondente ao sinal por um valor aproximado a informação sofre, portanto, uma degradação de caráter irreversível ao sinal quantificado associa se uma distorção de natureza harmônica, considerando se que a função de transferência do quantizador seja formada a partir de degraus, Figura 5.5 pode se tratar o sinal quantizado como uma composição do sinal analógico s(n) agregado a um ruído de quantização r(n) esse ruído está sempre presente no processo e é menor à medida que o passo de quantização 'q' decresce sua amplitude pico a pico equivale ao valor 'q' contrariamente ao ruído de fundo, o ruído de quantização está presente apenas quando há, efetivamente, a presença de um sinal a ser quantizado para uma forma de onda senoidal, pode se mostrar que a relação sinal/ruído (SNR Signal to Noise Ratio) vinculada a um processo de quantização de um sinal analógico é dada por: q = 3 2 N 2 q ou, em decibéis: q db=10 log log N q analise de como a definição apresentada se aplica a um conversor analógico digital de 8 bits para esse DAC, Nq = 2 8 = 256 e a relação sinal/ruído de quantização (perceptível, na

8 STV 16 MAR prática, pela sensação de um leve sopro no sinal reproduzido) corresponde a: q db=10 log log 28 =1,7648,16 50 db para que o ruído se torne imperceptível são necessários (no mínimo) 12 bits na representação do DAC, de modo que a relação sinal/ruído torne se sensivelmente maior, ou seja: q db=10 log log 212 =1,7672,25 74 db claro que há um preço a ser pago para que tal qualidade seja obtida: um aumento de 50% na taxa de bit (bitrate) do sinal tratado de modo a se contornar a questão 'qualidade x bitrate' entra em jogo outro tipo de quantização, a denominada quantização não linear nesta, para baixos níveis de tensão o passo de quantização é pequeno, enquanto para os altos valores do sinal a ser quantizado são empregados passos maiores com esse artifício é possível manter se uma relação 'erro de quantização/nível do sinal' relativamente constante há técnicas de quantização não linear que utilizam uma lei linear para os valores reduzidos de sinais e uma lei logarítmica para os mais altos essa codificação não linear (que não deixa de ser considerada um tipo de compressão) é digitalmente executada assim, o sinal é quantificado através de 12 bits e o valor obtido é usado como endereço em uma tabela de codificação que fornece, por exemplo, a palavra de 8 bits correspondente questões propostas 1. Analise a problemática da cintilação (ou flicker) nas técnicas televisivas. 2. Descreva a diferença entre sistema e padrão. 3. Por que, quando do tratamento digital dos sinais de vídeo, pode se, em muitos casos, dispensar o entrelaçamento? 4. O que são os sinais Y, Cr e Cb? 5. O que se entende por ruído de quantização? 6. O que se entende pelo termo passo de quantização?