Amostragem Espacial / Temporal : Varredura

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1 Amostragem Espacial / Temporal : Varredura PTC2457 Princípios de TV Digital EPUSP 2017 Guido Stolfi EPUSP - Guido Stolfi 1 / 122

2 Tópicos Abordados Amostragem temporal Amostragem Espacial Aplicações da TV no Ambiente Doméstico Função de Transferência de Contraste / Modulação Requisitos de Banda Passante Fator de Kell Sinal de Vídeo Composto RS-170 Análise no Domínio da Frequência Funções de Reconstrução Aliasing Espacial e Temporal Padrões e Sistemas de TV e HDTV EPUSP - Guido Stolfi 2 / 122

3 Amostragem de uma Imagem em Movimento EPUSP - Guido Stolfi 3 / 122 u = f (x, y, t) y x Tempo

4 Critérios de Resolução Temporal EPUSP - Guido Stolfi 4 / 122 Remanência da Visão: 15 a 20 imagens (quadros) por segundo Cintilação: 48 ~ 60 imagens por segundo Interferências com a Rede Elétrica: 50 / 60 Hz 60 imagens por segundo (EUA, Japão, Brasil 50 imagens por segundo (Europa, Ásia, etc.)

5 Resolução Espacial da Visão EPUSP - Guido Stolfi 5 / 122 Contraste 1000 Luminância Vermelho-Verde 100 Azul-Amarelo ,01 0, Frequência Espacial (Ciclos/grau)

6 Critérios de Resolução Espacial EPUSP - Guido Stolfi 6 / 122 Acuidade Visual: ~ 1 minuto de grau Proporção: 4:3 (igual ao cinema) Tamanho da Imagem:? Distância de Observação:?

7 A Televisão como Entretenimento EPUSP - Guido Stolfi 7 / 122

8 Ângulos de Visualização da TV (Padrão M) EPUSP - Guido Stolfi 8 / 122 H L a b d H / L = ¾ a = 10 o b = 7.5 o

9 Função de Transferência de Contraste (CTF) EPUSP - Guido Stolfi 9 / 122 C A B CTF ou MTF A Ruído B Número de Linhas C Resolução Limite

10 Função de Transferência de Modulação (MTF) EPUSP - Guido Stolfi 10 / 122 Obtida da mesma forma que a CTF, quando o padrão de barras tem variação senoidal de luminância (ao invés de retangular) É a resposta em frequência espacial do sistema MTF de um sistema com elementos em série é o produto das MTF s dos elementos

11 MTF da Visão Humana MTF EPUSP - Guido Stolfi 11 / Linhas de TV

12 Unidade de Medida: Linhas de TV Quantidade de linhas pretas + brancas contidas em uma distância igual à altura da imagem V V EPUSP - Guido Stolfi 12 / 122

13 Dimensionamento de um Sistema de TV: Padrão M EPUSP - Guido Stolfi 13 / 122 Acuidade Visual: 1/60 de grau Ângulo de visualização: 10 x 7.5 graus 600 x 450 elementos de imagem (pixels)

14 Requisitos de Banda Passante EPUSP - Guido Stolfi 14 / quadros por segundo, 600 x 450 pixels 1 B W , 1MHz 2 1 pixel = 1 semiciclo da maior frequência necessária

15 Agravante: Tempo de Retraço EPUSP - Guido Stolfi 15 / 122 Tubo de Raios Catódicos com deflexão magnética Tempo de Retraço Tempo de Varredura

16 Requisitos de Banda Passante EPUSP - Guido Stolfi 16 / 122 Tempo de retraço: 20% na varredura horizontal e 9% na vertical 1 B W 600 1, , , 595MHz 2

17 Agravante: Fator de Kell EPUSP - Guido Stolfi 17 / 122 Teorema da Amostragem diz: número de linhas de varredura deve ser maior que o número de linhas (alternadas) a serem exibidas na imagem (f a > 2 x f s ) Fator de Kell = 0,7 (experimental) implicaria em 450 0,7 = 643 linhas de varredura na imagem visível.

18 EPUSP - Guido Stolfi 18 / 122 Reconstrução com Pulso Retangular (Obedecendo Critério de Nyquist) f A = 2,2 f M

19 EPUSP - Guido Stolfi 19 / 122 Reconstrução com Pulso Retangular (Obedecendo Critério de Kell) f A = 3,3 f M

20 Requisitos de Banda Passante EPUSP - Guido Stolfi 20 / 122 Considerando tempo de retraço e fator de Kell: 1 B W 600 1, , , 14MHz 2 Modulação AM exigiria 2 x 15 = 30 MHz de banda.

21 Atenuante: Acuidade Visual EPUSP - Guido Stolfi 21 / 122 Adotado Limite de Acuidade Visual como 1,33 minutos de grau Imagem visível passa para 340 x 450 elementos de resolução (480 linhas de amostragem) Adotadas 525 linhas de varredura (incluindo retraço) 1 B W , 4MHz 2

22 Atenuante: Entrelaçamento EPUSP - Guido Stolfi 22 / 122 Frequência de Cintilação para objetos pequenos é muito menor Imagem é subdividida em 2 campos (par e ímpar) Banda Passante cai pela metade (4.2 MHz)

23 Varredura Entrelaçada - Padrão M EPUSP - Guido Stolfi 23 / 122

24 Atenuante: Modulação Vestigial (VSB) EPUSP - Guido Stolfi 24 / 122 Vídeo Composto (Banda Base) Modulação AM 0 4,2 MHz -4,2 MHz fo +4,2 MHz Modulação VSB + Áudio -0,75 MHz +4,5 MHz 6 MHz

25 MTF da Televisão Convencional EPUSP - Guido Stolfi 25 / Horizontal MTF Vertical Linhas de TV

26 Sinal de Vídeo Composto RS-170 EPUSP - Guido Stolfi 26 / 122 IRE Período Horizontal: 1H = 63,56 s Apagamento Horizontal: 10,9 0,2 s Pulso de Sincronismo: 4,7 0,1 s Pórtico Frontal: 0,02H = 1,3 s Amplitude do Sinc.: 40 IRE (286 mv) Amplitude Total do Sinal de Vídeo : 140 IRE (1 Volt) (1 unidade IRE = 7,14 mv)

27 Sincronismo Composto com Entrelaçamento EPUSP - Guido Stolfi 27 / 122

28 Separação do Sincronismo Horizontal EPUSP - Guido Stolfi 28 / 122 Campo par Campo ímpar

29 Separação do Sincronismo Vertical EPUSP - Guido Stolfi 29 / 122 Sincronismo Composto sem pulsos de equalização Campo par Campo ímpar Sincronismo Vertical

30 Efeito dos Pulsos de Equalização EPUSP - Guido Stolfi 30 / 122 Sincronismo Composto com pulsos de equalização Campo par Campo ímpar

31 Pórticos (Porch) no Sincronismo Horizontal EPUSP - Guido Stolfi 31 / 122 Linha branca Linha preta Pórtico frontal Pórtico posterior

32 Efeito do Pórtico Frontal EPUSP - Guido Stolfi 32 / 122 Sinal com Banda Limitada Limitação de Banda sem Pórtico Frontal

33 Efeito do Pórtico Posterior EPUSP - Guido Stolfi 33 / 122 Linha branca Linha preta Grampeamento do nível de preto Acoplamento AC do Sinal de Vídeo Composto Sinal de Vídeo com Grampeamento DC

34 Estrutura de Amostragem Espacio-temporal EPUSP - Guido Stolfi 34 / 122

35 Amostragem Entrelaçada de um Objeto em Movimento EPUSP - Guido Stolfi 35 / 122

36 Estruturas de Varredura EPUSP - Guido Stolfi 36 / 122 y y t t Varredura Progressiva Varredura Entrelaçada

37 Espectros das Estruturas de Varredura EPUSP - Guido Stolfi 37 / 122 Fy Fy Ft Ft Varredura Progressiva Varredura Entrelaçada

38 Espectro Bi-dimensional EPUSP - Guido Stolfi 38 / 122 y? f y f x x Domínio do Espaço Domínio da Frequência Espacial

39 Espectro Bi-dimensional EPUSP - Guido Stolfi 39 / 122 f y y f x x Domínio do Espaço Domínio da Frequência Espacial

40 Espectro Bi-dimensional f y y f x x Domínio do Espaço Domínio da Frequência Espacial EPUSP - Guido Stolfi 40 / 122

41 Espectro Bi-dimensional EPUSP - Guido Stolfi 41 / 122 f y y f x x Domínio do Espaço Domínio da Frequência Espacial

42 Espectro Bi-dimensional EPUSP - Guido Stolfi 42 / 122 f y y f x x Domínio do Espaço Domínio da Frequência Espacial

43 EPUSP - Guido Stolfi 43 / 122 Critério de Kell x Nyquist

44 f M / f A = 0,1 EPUSP - Guido Stolfi 44 / 122

45 f M / f A = 0,2 EPUSP - Guido Stolfi 45 / 122

46 f M / f A = 0,3 EPUSP - Guido Stolfi 46 / 122

47 f M / f A = 0,3 EPUSP - Guido Stolfi 47 / 122 f Y f Y f AY f X f X f AX

48 f M / f A = 0,35 EPUSP - Guido Stolfi 48 / 122

49 f M / f A = 0,4 EPUSP - Guido Stolfi 49 / 122

50 f M / f A = 0,45 EPUSP - Guido Stolfi 50 / 122

51 f M / f A = 0,5 EPUSP - Guido Stolfi 51 / 122

52 f M / f A = 0,5 EPUSP - Guido Stolfi 52 / 122 f Y f Y f AY f X f X f AX

53 f M / f A = 0,55 EPUSP - Guido Stolfi 53 / 122

54 f M / f A = 0,8 EPUSP - Guido Stolfi 54 / 122

55 f M / f A = 0,8 EPUSP - Guido Stolfi 55 / 122 f Y f Y f AY f X f X f AX

56 f M / f A = 0,95 EPUSP - Guido Stolfi 56 / 122

57 f M / f A = 0,2 EPUSP - Guido Stolfi 57 / 122

58 f M / f A = 0,3 EPUSP - Guido Stolfi 58 / 122

59 f M / f A = 0,35 EPUSP - Guido Stolfi 59 / 122

60 f M / f A = 0,4 EPUSP - Guido Stolfi 60 / 122

61 f M / f A = 0,45 EPUSP - Guido Stolfi 61 / 122

62 f M / f A = 0,5 EPUSP - Guido Stolfi 62 / 122

63 f M / f A = 0,95 EPUSP - Guido Stolfi 63 / 122

64 f M / f A = 0,95 EPUSP - Guido Stolfi 64 / 122 f Y f Y f AY f X f X f AX

65 f M / f A = 0,35 EPUSP - Guido Stolfi 65 / 122

66 f M / f A = 0,4 EPUSP - Guido Stolfi 66 / 122

67 f M / f A = 0,5 EPUSP - Guido Stolfi 67 / 122

68 f M / f A = 0,35 EPUSP - Guido Stolfi 68 / 122

69 f M / f A = 0,4 EPUSP - Guido Stolfi 69 / 122

70 f M / f A = 0,45 EPUSP - Guido Stolfi 70 / 122

71 f M / f A = 0,5 EPUSP - Guido Stolfi 71 / 122

72 EPUSP - Guido Stolfi 72 / 122 Amostragem com Função de Reconstrução Triangular

73 f M / f A = 0,35 EPUSP - Guido Stolfi 73 / 122

74 f M / f A = 0,35 EPUSP - Guido Stolfi 74 / 122 f Y f Y f AY f X f X f AX

75 f M / f A = 0,3 EPUSP - Guido Stolfi 75 / 122

76 f M / f A = 0,35 EPUSP - Guido Stolfi 76 / 122

77 f M / f A = 0,4 EPUSP - Guido Stolfi 77 / 122

78 f M / f A = 0,45 EPUSP - Guido Stolfi 78 / 122

79 f M / f A = 0,5 EPUSP - Guido Stolfi 79 / 122

80 Aliasing Espacial: Efeito Moirée EPUSP - Guido Stolfi 80 / 122 Imagem Original Imagem Amostrada

81 Aliasing Espacial: Efeito Moirée Imagem Original Imagem Amostrada e reconstruída EPUSP - Guido Stolfi 81 / 122

82 Espectro 2-D da Imagem Amostrada EPUSP - Guido Stolfi 82 / 122 f Y f Y f AY f X f X f AX

83 Redução do Aliasing Espacial por Filtragem Imagem Filtrada por abertura equivalente Imagem Amostrada e reconstruída EPUSP - Guido Stolfi 83 / 122

84 Espectro 2-D da Imagem Filtrada EPUSP - Guido Stolfi 84 / 122 f Y f Y f Y f X Filtragem espacial f AY f X f X Amostragem f AX

85 Amostragem e Reconstrução Imagem Abertura Equivalente de Captura Função de Reconstrução Pixel Estrutura de Amostragem Espacial EPUSP - Guido Stolfi 85 / 122

86 Amostragem e Reconstrução EPUSP - Guido Stolfi 86 / 122 No domínio Espacial: Convolução da imagem com a abertura equivalente de captura Amostragem Convolução da amostra com a função de Reconstrução No domínio da Frequência: Filtragem pela MTF do processo de captura Amostragem (translação e replicação espectral) Filtragem pela MTF do processo de reconstrução

87 Imagem com Função de Reconstrução Quadrada EPUSP - Guido Stolfi 87 / 122

88 Imagem com Função de Reconstrução Gaussiana EPUSP - Guido Stolfi 88 / 122

89 John Lennon EPUSP - Guido Stolfi 89 / 122

90 Padrão de Teste de Resolução Espacial EPUSP - Guido Stolfi 90 / 122

91 EPUSP - Guido Stolfi 91 / 122 Amostragem Temporal

92 Espectro Tri-dimensional (Espaço / Tempo) EPUSP - Guido Stolfi 92 / 122 f y f t y t b c a f x x Imagem com Movimento Espectro Tri-dimensional

93 Aliasing Temporal: Efeito Roda de Carroça EPUSP - Guido Stolfi 93 / 122 Uma Rotação de 85 graus em sentido Horário......confunde-se com uma rotação de 5 graus......em sentido anti-horário.

94 Redução do Aliasing Temporal pelo Tempo de Exposição EPUSP - Guido Stolfi 94 / 122 Obturador da Câmera com Abertura Máxima aberto fechado ("pull-down")

95 Persistência Luminosa da Imagem EPUSP - Guido Stolfi 95 / 122 Tempo Trajetória do Objeto Imagem com Persistência Trajetória Média Movimento Original Movimento Aparente na TV

96 Efeito Visual da Persistência EPUSP - Guido Stolfi 96 / 122 Movimento Original Movimento Aparente na TV

97 Telecinagem com Pull-down 3:2 EPUSP - Guido Stolfi 97 / CINEMA 24 FOTOGRAMAS POR SEGUNDO I P I P I P I P I P I P TV 60 CAMPOS POR SEGUNDO

98 Efeito da Telecinagem 3:2 EPUSP - Guido Stolfi 98 / 122 TV 60 campos por segundo Trajetória Média Movimento Original Movimento Aparente na TV

99 Resumo EPUSP - Guido Stolfi 99 / 122 Processos diferentes de limitação de banda nas dimensões T, x e y Características perceptuais diferentes para essas dimensões Aliasing pode ser aceitável em relação à perda de definição espacial ou temporal

100 Radiodifusão de TV Monocromática (Padrão M ) EPUSP - Guido Stolfi 100 / 122 Modulação AM Vestigial Negativa

101 Resposta em Frequência Ideal do Receptor de TV EPUSP - Guido Stolfi 101 / MHz 50% 4,2 MHz Portadora de áudio (canal inferior) Portadora de vídeo 6 MHz Portadora de áudio Portadora de vídeo (canal superior)

102 Espectro de um Sinal de TV Analógica EPUSP - Guido Stolfi 102 / 122

103 Padrões e Sistemas EPUSP - Guido Stolfi 103 / 122 Padrão: Banda passante, disposição das portadoras dentro do canal, frequências nominais dos canais B, D, G, H, I, K, K1, L, M, N Sistema: Formato de varredura e codificação da Cor NTSC, SECAM, PAL

104 Padrões e Sistemas EPUSP - Guido Stolfi 104 / 122 Padrão Banda do Canal (MHz) Portadora de Vídeo Portadora de Áudio Banda do Vídeo Banda Vestigial Fator Gama B 7,0 1,25 +5,5 5,0-0,75 2,8 D, K 8,0 1,25 +6,5 6,0-0,75 2,8 G 8,0 1,25 +5,5 5,0-0,75 2,8 H 8,0 1,25 +5,5 5,0-1,25 2,8 I 8,0 1,25 +5,5 5,5-1,25 2,8 K1, L 8,0 1,25 +6,5 6,0-1,25 2,8 M, N 6,0 1,25 +4,5 4,2-0,75 2,2 M= 60 Hz; demais padrões = 50 Hz

105 Padrões e Sistemas Analógicos no Mundo EPUSP - Guido Stolfi 105 / 122 País Padrão Sistema Fv (Hz) Brasil, Vietnã M PAL 60 Argentina, Paraguai, Uruguai N PAL 50 Chile, Peru, Venezuela, Equador, Colombia M NTSC 60 EUA, Canadá, México, Coréia do Sul M NTSC 60 China, Coréia do Norte, Congo D PAL 50 Rússia, Ucrânia, Bulgária D SECAM 50 França L SECAM 50 Itália, Áustria, Alemanha, Dinamarca, Líbano, Israel, Hungria, Bósnia, Kuwait, Portugal B/G PAL 50 Grécia B/G SECAM 50 Inglaterra, Hong Kong, Angola, África do Sul, Irlanda I PAL 50 Gabão, Guiana, Taiti, Nigéria, Ruanda K SECAM 50

106 Alguns Formatos de Varredura para Monitores de Vídeo EPUSP - Guido Stolfi 106 / 122 Padrão Resolução V x H Freq. Vert. (Hz) Freq. Hor. (khz) Varredura Bw (MHz) CGA progress. 3.2 VGA progr. 13 VESA progr. 16 SVGA progr. 25 XGA entrelac. 23 SVGA progr. 63 SVGA entrelac. 40 Mac II progr. 50 UXGA ,6 progr. 100

107 TV de Alta Definição: Hi-Vision EPUSP - Guido Stolfi 107 / 122

108 Dimensionamento do Ângulo de Visualização para a Hi-Vision EPUSP - Guido Stolfi 108 / 122

109 Dimensionamento do Ângulo de Visualização para a Hi-Vision EPUSP - Guido Stolfi 109 / 122

110 Ocupação do Campo Visual Células por mm2 x HDTV (30 º ) SDTV (10 º ) Bastonetes Cones Ponto Cego Ângulo em relação à Fóvea EPUSP - Guido Stolfi 110 / 122

111 Relação de Aspecto da TV de Alta Definição EPUSP - Guido Stolfi 111 / 122 Compatibilidade com imagens 4:3 (SDTV) (12 9)

112 Relação de Aspecto da TV de Alta Definição EPUSP - Guido Stolfi 112 / 122 Compatibilidade com formatos de Cinema Cinema (1.85:1) HDTV (1.78:1 = 16:9) SDTV (1.33:1 = 4:3) Cinemascope (2.35:1)

113 TV de Mesma Definição EPUSP - Guido Stolfi 113 / 122 1,778 :

114 Imagem Hi-Vision EPUSP - Guido Stolfi 114 / 122

115 Formatos de TV de Alta Definição Resolução da Imagem (H x V): 1920 x 1080, 1280 x 720 Taxa de Imagens por segundo: 60, 59.94, 50, 30, 29.97, 25, 24, Varredura Progressiva (p) e Entrelaçada (i) Frequência de Amostragem (pixel), MHz: 148.5, , , Formatos Preferenciais ( MHz): 1080i (29.97) 720p (59.94) EPUSP - Guido Stolfi 115 / 122

116 EPUSP - Guido Stolfi 116 / 122 No Futuro?

117 Cinema Digital EPUSP - Guido Stolfi 117 / 122 1,896 : ~65 O

118 4k (falso UHDV) EPUSP - Guido Stolfi 118 / 122 1,778 : ~60 O

119 UHDV (8k) Ultra High Definition Video (2005) EPUSP - Guido Stolfi 119 / 122 1,778 : >90 O

120 UHDV (8k) Ultra High Definition Video (2005) Células por mm2 x HDTV (30 º ) SDTV (10 º ) Bastonetes Cones Ponto Cego Ângulo em relação à Fóvea UHDV (90 º ) EPUSP - Guido Stolfi 120 / 122

121 UHDV (8k) - NHK EPUSP - Guido Stolfi 121 / 122

122 UHDV (8k ) - NHK EPUSP - Guido Stolfi 122 / 122

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