Departamento de Engenharia de Telecomunicações - UFF Mídias Discretas e Contínuas Profa. Débora Christina Muchaluat Saade deborams@telecom.uff.br Mídias Discretas e Contínuas Classes básicas de tráfego CBR, rajada, VBR Mídias Discretas Texto Gráficos e Imagens Estáticas Mídias Contínuas Digitalização de Sinais Áudio Vídeo 1 2 Classes Básicas de Tráfego Natureza da Fonte de Tráfego 3 classes básicas: Tráfego Contínuo com Taxa Constante Constant Bit Rate (CBR) Tráfego em Rajadas Bursty Tráfego Contínuo com Taxa Variável Variable Bit Rate (VBR) 3 Classes Básicas de Tráfego 4 CBR Tráfego Contínuo com Taxa Constante Taxa média é igual a taxa de pico Parâmetros para caracterizar o tráfego Taxa de transmissão Rajada Períodos ativos (há geração de informação) intercalados por períodos de inatividade (fonte não produz tráfego) Taxa média não é importante Parâmetros para caracterizar o tráfego Distribuição das rajadas ao longo do tempo Duração das rajadas (duração média dos períodos de atividade) Taxa de pico atingida durante as rajadas (explosividade da fonte burstiness: razão entre a taxa de pico e a taxa média)
Classes Básicas de Tráfego 5 VBR Tráfego Contínuo com Taxa Variável Apresenta variações na taxa de transmissão ao longo do tempo Parâmetros para caracterizar o tráfego Taxa média Variância da taxa de transmissão Explosividade da fonte burstiness razão entre a taxa de pico e a taxa média Mídias Discretas e Contínuas 6 Mídias discretas (estáticas) Compostas por itens de informação independentes do tempo mídia com dimensões unicamente espaciais textos, imagens, gráficos tempo não faz parte da semântica da informação Mídias contínuas (dinâmicas ou dependentes do tempo) O tempo ou a dependência temporal entre os itens de informação fazem parte da própria informação mídia com dimensões temporais áudios, vídeos e animações tempo faz parte da semântica da informação Se a dependência temporal não for respeitada, o significado pode ser alterado Mídias Discretas Mídias discretas (estáticas) Texto Gráficos e Imagens Estáticas 7 Mídia Texto 8 Caracteres são convertidos para uma representação com um número fixo de bits Captura de Texto Digitação, OCR (Optical Character Recognition) Texto não-formatado Texto limpo (plaintext) Ex.: código ASCII 7 bits / 8 bits, EBCDIC, Unicode Texto formatado Richtext Cadeia de caracteres de estilos diferentes (fontes, tamanho, cor, negrito, itálico,...) Ex.: formatos proprietários de editores de texto, linguagens de marcação (PS, HTML, latex)
Requisitos de Comunicação da Mídia Texto Tráfego gerado em rajada Vazão média depende da aplicação Poucos bps => correio eletrônico Mbps => transferência de arquivos Normalmente, retardo máximo e variação do retardo não são críticos Erros não são tolerados Mídia Imagem Bloco bidimensional de pixels ou pels (picture elements), sendo cada pixel representado por um número fixo de bits RGB, YUV Captura de Imagens Câmera Fotográfica, Scanner, etc. Tipos Gráficos Imagens estáticas (fotografias, paisagens) 9 10 Mídia Imagem VGA Video Graphics Display Mídia Imagem O olho humano vê uma única cor quando três cores primárias são apresentadas simultaneamente. Componentes Aditivas partem do preto e vão caminhando em direção ao branco à medida que as cores componentes são acrescentadas. R (red), G (green), B (blue) Display Componentes Subtrativas partem do branco e caminham em direção ao preto à medida que as componentes são acrescentadas. C (cyan), M (magenta), Y (yellow) Impressão 11 12
Componentes Aditivas RGB Componentes Subtrativas CMY Mídia Imagem Mídia Imagem Introdução à Tecnologia Raster-scan Canhão de elétrons de precisão, ou raster, varre a tela inteira. A tela é composta de um número bem definido de linhas horizontais. A primeira linha inicia no canto superior esquerdo da tela e a última termina no canto inferior direito. O canhão volta à primeira linha depois da última (Varredura Progressiva). O interior da tela é coberto com uma camada de fósforo sensível à luz, que emite luz quando energizado pelo canhão de elétrons (de acordo com a intensidade do canhão num dado momento). 13 14 Tecnologia Raster-scan scan Tecnologia Raster-scan scan Monitores coloridos têm 3 tipos de fósforos fluorescentes emitem luzes vermelha, verde e azul quando tocadas por 3 feixes de elétrons mistura das luzes emitidas produzem pontos de cor 15 16
Tecnologia Raster-scan scan Mídia Imagem Estrutura da Imagem Resolução geométrica (resolução espacial) Dimensão da matriz de pixels Resolução de cor profundidade do pixel (pixel depth) Número de bits por pixel determina o número de cores que podem ser reproduzidas em cada pixel 12 bits (4 por componente de cor) resulta em 4096 possíveis cores. 24 bits (8 por componente de cor) resulta em mais de 16 milhões de cores possíveis (2 24 ), porém como o olho humano não consegue distinguir entre este número de cores tão alto, muitas vezes um subconjunto de tais possíveis cores é utilizado (Tabela de Cores ou CLUT color lookup table). 17 18 Mídia Imagem Mídia Imagem Formato da imagem: taxa dada pelo número de linhas na imagem e o número de colunas. TV tem formato de imagem 4:3. Cinema e TV de tela larga tem formato de imagem 16:9. Padrões de TV NTSC - National Television Standards Committee (525 linhas) mas somente 480 linhas são apresentadas. PAL (625 linhas) mas somente 576 linhas são apresentadas. CCIR (mesmo que PAL) SECAM (mesmo que PAL) 19 20
Cores Cores As três propriedades mais importantes, de uma fonte de luz colorida, usadas pelo olho humano são: Brilho (brightness) quantidade de energia que estimula o olho e que varia em uma escala de cinza do preto (mais baixo) para o branco (mais alto). É independente da cor da fonte. Matiz (hue) Cor real da fonte de luz, cada cor tem uma freqüência/comprimento de onda diferente e o olho determina a cor a partir dela. Saturação (saturation) Representa a força ou vida da cor. Uma cor pastel tem um nível mais baixo de saturação que o vermelho, por exemplo. Luminância Brilho = medida da quantidade de luz branca 0.299R + 0.587G + 0.114B => cor branca Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B Imagem preto e branco Crominância Matiz e saturação C b = B Y C r = R Y 22 23 Cores Sistema YUV (usado no PAL) Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = 0.493 (B - Y) V = 0.877 (R - Y) Sistema YIQ (usado no NTSC) Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B I = 0.74 (R - Y) 0.27 (B Y) = 0.599R 0.276G 0.324B Q = 0.48 (R - Y) + 0.41 (B Y) = 0.212R 0.528G + 0.311B Requisitos de Comunicação da Mídia Imagem Tráfego gerado em rajada Vazão média depende da aplicação Kbps, Mbps Normalmente, retardo máximo e variação do retardo não são críticos Tolerância à erros depende da aplicação Imagens estáticas sem compressão toleram Imagens médicas ou cartográficas não toleram 24 25
Mídias Contínuas Mídias Contínuas (dinâmicas ou dependentes do tempo) Digitalização de Sinais Áudio Vídeo Sinal Analógico Variação Contínua Sinal Digital Variação Discreta Intervalo de Sinalização Tipos de Sinal Qualquer informação pode ser transmitida através de sinal analógico ou digital 26 27 Sinal Analógico Exemplo Amplitude do sinal varia continuamente com o tempo Análise de Fourier é uma técnica matemática que pode ser usada para mostrar que qualquer sinal analógico, com variação no tempo, é composto de uma soma, possivelmente infinita, de componentes de frequência. Sinal de voz: 50Hz a 10KHz Música de Orquestra: 15Hz a 20KHz + + +... 28 30
Espectro de um Sinal Gráfico que mostra a contribuição de cada freqüência componente (harmônico) na construção do sinal resultante. Esta contribuição está intimamente relacionada à amplitude daquela componente. db Banda passante Banda Passante intervalo de freqüências [f min, f max ] Largura de banda Exemplo: espectro de um sinal de voz 40 f max f min Exemplo: Música de Orquestra Banda passante: [15Hz, 20KHz] Largura de banda: ~20KHz 4000 Hz 31 32 Digitalização de Sinais Codificadores de Sinais 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Na recepção... Codificando cada nível com 4 bits: 1100 1110 1110 1110 1010 0011 0001 1001 1010... 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 A conversão de um sinal analógico em digital é realizado por um circuito eletrônico chamado Codificador de Sinal. Composto de dois circuitos principais Filtro Limitador de Banda Conversor Analógico Digital 33 34
Exemplo PCM - Pulse Code Modulation A - Sinal Original Sinal original 7.0 B - Saída do Filtro Pulsos PAM 6.0 5.0 4.1 4.5 3.0 2.2 2.5 1.1 5.0 5.0 C - Relógio de Amostragem D - Amplitude das Amostras Pulsos PCM 100 110 011 010 101 010 100 001 101 111 101 7 6 5 4 3 2 1 0 E - Valor binário da amostra depois da quantização Saída PCM 100110011010101010100001101111101 35 36 Taxa de Amostragem O teorema de Nyquist diz que, para se obter uma representação precisa de um sinal analógico, a amplitude do mesmo deve ser amostrada à uma taxa igual ou superior a duas vezes a frequência da componente de mais alta frequência do sinal. A taxa de Nyquist é dada em Hz ou em amostras por segundo (sps) Amostragens abaixo da taxa de Nyquist introduzem componentes de frequência adicionais ao sinal, causando distorção definitiva no sinal original (alias signal). Taxa de Amostragem O filtro limitador de banda serve para descartar sinais com frequência maior que a taxa de Nyquist, por este motivo o filtro limitador de banda também é chamado filtro anti-aliasing. Para se evitar o problema de sinais alias, a taxa de amostragem é usualmente escolhida de acordo com a banda passante do meio de transmissão ao invés da frequência do sinal. O meio de transmissão pode funcionar como um filtro de sinal. 37 38
Quantização Ruído de Quantização A diferença entre o valor real de uma amostra e seu representante binário é chamado erro de quantização. Como este erro varia de amostra para amostra, a distorção causada por tal erro é chamada ruído de quantização. 40 41 Acesso a Provedor Acesso a Provedor A/D D/A A/D Central Central Central Central MODEM D/A A/D MODEM D/A A/D A Conversão Analógico/Digital Gera um Ruído chamado Ruído de Quantização Linha Digital (T1 ou E1, p. ex.) Não é possível mais do que 33.6 kbps!! 42 43
MODEM Acesso a Provedor A/D Central D/A 33.6kbps Central A/D Decodificadores Digitais É um circuito eletrônico que serve para converter um sinal digital de volta para sua forma analógica. Um alto-falante, por exemplo, é um dispositivo analógico, logo um computador, que é um dispositivo digital, precisa usar um decodificador digital para emitir som através de um alto-falante. Composto por um Conversor Digital/Analógico (DAC) e um filtro passa baixa. ~56kbps 44 45 Decodificadores Digitais Decodificadores Digitais Normalmente o filtro passa baixa filtra as mesmas frequências do filtro de limitação de banda do codificador digital Como a maioria das aplicações multimídia implementa comunicação bidirecional, usualmente os codificadores digitais e decodificadores analógicos são construídos em um dispositivo único chamado codificador/decodificador de áudio/vídeo, ou simplesmente codec de áudio/vídeo. 46 47
Mídia Áudio Voz PCM 48 Mídia Tipicamente Analógica Representação Digital, quando necessário para integração com mídias digitais, através de digitalização do Sinal Analógico por amostragem. Captura de Áudio Microfone 2 tipos de sinais de áudio: Sinal de voz: 50Hz a 10KHz Música 15Hz a 20KHz Estéreo: 2 canais 50 Padrão G.711 usado nas redes telefônicas (PSTN public switched telephone network) Banda passante limitada 200Hz a 3.4KHz Taxa de amostragem mínima de 6.8KHz Taxa de 8KHz é usada PCM com 8 bits por amostra => taxa de 64Kbps Para reduzir erro de quantização quantum não-linear Compansão do sinal (circuitos compressor e expansor) Lei A (Europa) Lei µ (Estados Unidos e Japão) conversão necessária na comunicação entre os dois sistemas Áudio Qualidade CD Áudio sintetizado Padrão CD-DA (CD-digital audio) Banda passante 15Hz a 20KHz Taxa de amostragem mínima de 40KHz Taxa de 44.1KHz é usada PCM com 16 bits por amostra Estéreo: 2 canais Taxa por canal: 44.1 x 10 3 x 16 = 705.6Kbps Taxa total: 2 x 705.6kbps = 1.411Mbps 51 Espaço necessário para armazenar áudio sintetizado é 2 a 3 vezes menor que a versão equivalente digitalizada. Sintetizador segue o padrão MIDI (Music Instrument Digital Interface) Padrão MIDI define Hardware para conectar os equipamentos (portas e cabos) Formato de dados para codificar a informação a ser processada pelo hardware Linguagem de descrição de música em binário 128 instrumentos 0 (piano), 40 (violino), 73 (flauta)... Sons para efeitos especiais (canhão, aplauso de audiência,...) Formato de dados específico para cada instrumento Áudio gerado é uma seqüência de mensagens MIDI Gerador de áudio usa amostras de sons produzidas por instrumentos reais (wavelet synthesis) 53
Requisitos de Comunicação da Mídia Áudio 54 Natureza do Tráfego Sem compactação/compressão Contínuo com Taxa Constante CBR Áudio comprimido Contínuo com Taxa Variável VBR Tráfego em rajada (voz com detecção de silêncio) Reprodução no destino à taxa constante Vazão média depende da aplicação Voz (PCM) 64Kbps Qualidade de CD estéreo 1.411 Mbps Tolerância a erros Relativamente alta (perdas de 1 a 20% são toleráveis dependendo de como a voz é codificada) Requisitos de Comunicação da Mídia Áudio 55 Variação estatística do retardo (em redes de pacotes) deve ser compensada Retardo de transferência máximo é crítico Principalmente em conversações Retardo < 150 ms não é percebido pelo ouvido humano Retardo entre 150 e 400ms é aceitável Retardo > 400ms => conversa ininteligível Mídia Vídeo Mídia Tipicamente Analógica Representação Digital, quando necessário para integração com mídias digitais, através de digitalização do Sinal Analógico por amostragem. Captura de Vídeo Câmeras de Vídeo Estrutura do Vídeo Resolução espacial (resolução geométrica + resolução de cor) Resolução temporal (n o. de quadros por seg.) Padrões de TV Difusão de TV NTSC - National Television Standards Committee (525 linhas) mas somente 480 linhas são apresentadas. PAL (625 linhas) mas somente 576 linhas são apresentadas. CCIR (mesmo que PAL) SECAM (mesmo que PAL) Formato da imagem TV tem formato de imagem 4:3. Cinema e TV de tela larga tem formato de imagem 16:9. 56 57
Difusão de TV Varredura entrelaçada Varredura da Tela Taxa de refresh mínima deve ser de 50 vezes/seg para evitar cintilação (flicker) Sensação de movimento: 25 quadros/segundo Para minimizar o volume de dados transmitido, cada imagem é transmitida em 2 metades (campo) 1o. Campo linhas ímpares 2o. Campo linhas pares Varredura entrelaçada linhas ímpares e pares 58 59 Varredura entrelaçada 60 Varredura Entrelaçada 61 Sistema NTSC 525 linhas 262.5 linhas por campo (240 visíveis) 30 quadros/seg Sistema PAL/CCIR/SECAM 625 linhas 312.5 linhas por campo (288 visíveis) 25 quadros/seg Brasil PAL-M Padrão americano com sistema de cores Europeu (525 linhas, 30 q/s) Taxa de refresh 60/50 campos/seg Taxa de refresh de quadros 30/25 quadros/seg Sensação de 60/50 quadros/seg
Cores Tipos de Conectores de Vídeo 62 Para manter compatibilidade com TV preto e branco Luminância (preto e branco) e crominância são combinadas em um sinal de vídeo composto Sistemas de cores Sistema YUV (usado no PAL) Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = 0.493 (B - Y) V = 0.877 (R - Y) Sistema YIQ (usado no NTSC) Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B I = 0.74 (R - Y) 0.27 (B Y) = 0.599R 0.276G 0.324B Q = 0.48 (R - Y) + 0.41 (B Y) = 0.212R 0.528G + 0.311B Composite Video (vídeo composto) ou RCA 3 componentes (YCrCb) combinadas S-Video ou Super Video ou S-VHS Separa as componentes de luminância e crominância com resolução máxima de 480/576 linhas Component Video (vídeo componente) Separa as componentes RGB ou YCrCb com resolução de até 1080 linhas 3 cabos RCA Conector RF Usado em cabos coaxiais 63 Vídeo componente Vídeo composto S-Video Vídeo Digital Olho humano é mais sensível à luminância que a crominância Sinais de crominância podem ser transmitidos com resolução menor que o de luminância ITU-R (ITU Radiocommunications Branch) antigo CCIR Padrão para vídeo digital CCIR-601 Variantes do padrão para uso em difusão de TV, videotelefonia e videoconferência Formatos de digitalização Formato 4:4:4 Baseado nos sinais RGB/YCrCb Vídeo Digital Formatos de digitalização Formato 4:2:2 Uso em estúdios de TV (YCrCb) banda de 6 MHz para luminância e 3 MHz para crominância Taxa de amostragem de 13.5 Mhz / 6.75 MHz 702 amostras por linha (52microsseg a 13.5MHz) Na prática são 720 amostras para luminância e 360 para cada crominância por linha 8 bits por amostra (256 níveis) Varredura não-entrelaçada (60/50Hz) Taxa de 216 Mbps 64 65
Formato 4:2:2 Vídeo Digital Formatos de digitalização Formato 4:2:0 Usoparadifusãode TV digital (YCrCb) Mesma resolução para luminância e metade para crominância Sistema de 525 linhas Y=720x480 CrCb=360x240 Sistema de 625 linhas Y=720x576 CrCb=360x288 Taxa de 162 Mbps 66 68 Vídeo Digital Formato HDTV High Definition Television Formato 4:3 resolução de 1440x1152 pixels Formato 16:9 resolução de 1920x1152 pixels Em ambos os casos, 1080 linhas visíveis 4:2:2 para estúdio (taxa de quadros 50/60Hz) 4:2:0 para difusão (taxa de quadros 25/30Hz) Outros Formatos SIF, Sistema de 525 linhas: Y=360x240; CrCb=180x120 Videoconferência: CIF, 4CIF, 16CIF Videotelefonia: QCIF, Sub-QCIF/S-QCIF Requisitos de Comunicação da Mídia Vídeo Natureza do Tráfego Sem compactação/compressão Contínuo com Taxa Constante CBR Vídeo comprimido Contínuo com Taxa Variável VBR Reprodução no destino à taxa constante Vazão média depende da aplicação Tolerância a erros Erros podem se propagar quando técnicas de compressão são utilizadas 69 70
Requisitos de Comunicação da Mídia Vídeo Variação estatística do retardo deve ser compensada Retardo de transferência máximo é crítico Comunicação interativa de tempo real 71