Video Multimedijalni sistemi Elektrotehnički fakultet

Презентација на тему: "Video Multimedijalni sistemi Elektrotehnički fakultet"— Транскрипт презентације:

1 Video Multimedijalni sistemi Elektrotehnički fakultet
Univerzitet u Banjoj Luci

2 Šta je video? Tehnologija elektronskog snimanja, obrade, memorisanja, prenosa i rekonstrukcije sekvence slika koje predstavljaju scenu u pokretu Medij kojim se prenosi vremenski promjenljiva vizuelna informacija Sekvenca slika – frejmova Brzim izmjenjivanjem frejmova postiže se utisak pokreta u videu Trodimenzionalni signal – prostorno-vremenska funkcija intenziteta s(x, y, t) Video signal – jednodimenzionalni signal kojim se prostorno-vremenska funkcija prenosi kao funkcija vremena Skeniranje

3 Najznačajniji događaji u razvoju televizije
1923 – prvi prenos TV signala 1936 – početak emitovanja redovnog TV programa 1954 – početak emitovanja TV programa u boji kompatibilnost: crno-bijeli televizori su mogli da koriste samo luminansu, a informaciju o boji su odbacivali 1970/80-te – digitalna oprema za video produkciju 1982 – CCIR 601 (ITU-R BT.601) standard za digitalno kodovanje videa 1988 – ustanovljena MPEG radna grupa (MPEG i H.26x standardi) 1990 – ITU-R BT.709 standard za format televizije visoke definicije (HDTV) 1990 – RAI prenosi utakmice svjetskog prvenstva u visokoj definiciji 1996 – prvo javno emitovanje HDTV programa u SAD 20xx – prestanak emitovanja analognog TV programa i prelazak na digitalni 2012 – ITU-R BT.2020 standard za televiziju ultravisoke definicije (UHDTV) 2016 – ITU-R BT.2100 standard za UHDTV sa velikim dinamičkim opsegom

4 Karakteristike analognih video sistema
Format slike Sistem skeniranja Broj linija po frejmu Frekvencija osvježavanja Način kodovanja boje Skup električnih standarda Većina je relevantna i u digitalnim sistemima.

5 Karakteristike video sistema Format slike (aspect ratio)
Odnos širine i visine slike Standard Definition TV – 4:3 High Definition TV – 16:9 Bioskop – 1,66:1 i 1,85:1 Sinemaskop – 2,39:1 anamorfni format

6 Promjena formata slike
Potrebna zbog prilagođenja veličini ekrana Tehnika pomjeranja i odsijecanja (pan and scan) leterboks format pilarboks format

7 Analogni video Slika se na ekranu sa katodnom cijevi (CRT) ispisuje liniju po liniju Video signal upravlja elektronskim topom Pozicija na ekranu je povezana sa vremenskom pozicijom u signalu koji prenosi sliku Luminansa je nelinearna i monotona funkcija napona kojim se pobuđuje elektronski top Analogni video je odmjeren po vremenskoj i jednoj prostornoj koordinati (linijama) Nelinearnost je unesena zbog gama-korekcije.

8 Skeniranje Proces ispisivanja slike liniju po liniju
Kada se ispiše jedna linija elektronski top je potrebno podesiti na početak sljedeće linije – horizontal retrace Kada se ispiše čitav frejm elektronski top je potrebno vratiti na početak frejma – vertical retrace Pri ovome se elektronski top isključuje (zatamnjenje - blanking): Pri prelasku sa kraja jedne na početak sljedeće linije (horizontalni intervali zatamnjenja) Između skeniranja dva frejma ili polja (vertikalni intervali zatamnjenja) Intervali zatamnjenja se koriste za prenos informacija o sinhronizaciji, stereo audio signala, titlova,...

9 Karakteristike video sistema Broj linija
Kod analognog videa slika se ispisuje liniju po liniju Signal se prenosi i za vrijeme intervala zatamnjenja Linije koje se prikazuju na ekranu su aktivne linije Ukupan broj linija je veći od broja aktivnih linija Broj aktivnih linija – LA Efektivna vertikalna rezolucija je nešto niža zbog preklapanja spektra Kelov faktor je eksperimentalno određen faktor za koji se smanjuje rezolucija LCD/plazma: 0,9 CRT: 0,7

10 Osvježavanje ekrana Izmjenjivanje slika (frejmova) velikom brzinom stvara iluziju pokreta na slici Ekrani emituju svjetlost samo dio vemena (frame time) Potrebno je periodično ispisivati sliku na ekranu Učestanost kojom se ispisuju slike je frekvencija osvježavanja (refresh rate) Preniska frekvencija osvježavanja uzrokuje treperenje slike (flicker) Potrebna frekvencija zavisi od ambijentalnog osvjetljenja i ugla posmatranja Uobičajene vrijednosti od Hz naviše

11 Tehnike skeniranja Progresivno (progressive) skeniranje
Prikaz slike se dobija ispisivanjem čitave slike u jednom prebrisavanju ekrana Koristi se kod računarskih monitora/displeja Sve češće u televizijskim sistemima

12 Tehnike skeniranja (nastavak)
Skeniranje sa preplitanjem (interlaced) Slika se prikazuje u dva prebrisavanja ekrana U jednom se prikazuju parne, a u drugom neparne linije – dva polja Uvedeno zato što nije bilo moguće prenijeti čitav frejm dovoljno brzo da bi se izbjeglo treperenje slike Tradicionalno se koristi u televiziji Danas nije potrebno Postoji i u HDTV sistemima

13 Međulinijsko treperenje
Javlja se kod skeniranja sa preplitanjem ako se na slici nalaze objekti čija je vertikalna dimenzija vrlo mala (blizu vertikalne dimenzije linija) Slično preklapanju spektra Može se ublažiti optičkim anti-aliasing filtrom po cijenu gubitka oštrine Bolje je koristiti progresivno skeniranje U lijevoj koloni su progresivni frejmovi, u srednjoj su prepleteni frejmovi. U desnoj koloni je izlaz iz line doublera – uređaj za deinterlacing. U gornjem redu su frejmovi u originalnoj rezoluciji, a u donjem je upotrebljen antialiasing filtar.

14 Artifakti u prikazu pokreta kod skeniranja sa preplitanjem
Javljaju se kod rekonstrukcije progresivnih frejmova Potrebno za prikazivanje na LCD/plazma ekranima i u obradi videa “Mišji zubi (mouse teeth)” ili “cijepanje polja (field tearing)” Deinterlacing je postupak rekonstrukcije progresivnih frejmova – nastoji se da se izbjegnu artifakti Artifakti se ne javljaju kod ekrana koji koristi skeniranje sa preplitanjem (CRT)

15 Navođenje parametara skeniranja
Starija notacija Broj linija (uključujući vertikalno zatamnjenje) Frekvencija osvježavanja polja u hercima Tip skeniranja Progresivno 1:1 Sa preplitanjem 2:1 (ponekad se podrazumijeva) Primjer: 525/59.94/2:1 (NTSC) Primjer: 625/50/2:1 (PAL)

16 Navođenje paramteara skeniranja
Novija notacija Broj aktivnih linija Tip skeniranja Progresivno (p) Sa preplitanjem (i) Frekvencija osvježavanja frejmova Primjer: 480i29.97 (NTSC) Primjer: 576i25 (PAL) Primjer: 1080p30 (HDTV) Nekada se i u novoj notaciji iza i stavlja field rate. EBU notacija zahtijeva da se koristi frame rate.

17 Kodovanje boje u videu U počecima kolor televizije signal je razdvojen na luminantnu i hromatske komponente kako bi se obezbijedila kompatibilnost sa starijim (crno-bijelim) prijemnicima Razdvajanje luminantne i hrominantne informacije je bliže ljudskoj percepciji slike Omogućava efikasnije kodovanje signala YIQ, YUV i YCbCr kolor-modeli

18 YUV kolor-model YUV kodovanje boja je prvobitno korišteno za PAL analogni video Video signal se dijeli na luminansu (informacija o svjetlini) i hrominansu (informacija o boji) Pri transformaciji iz RGB u YUV potrebno je znati hrominanse primarnih boja i iluminantu Najčešće se koriste gama-korigovane vrijednosti R’G’B’ Veličina Y’ se naziva luma U implementacijama se U i V dodatno skaliraju da bi vrijednost signala bila u granicama koje podržava oprema Ovdje se praktično koriste nelinearno transformisane veličine. Oznake bi trebale biti sa ‘. Y je za originalni NTSC sistem zasnovan na iluminant C white point.

19 Primjer

20 Tipovi video interfejsa Komponentni video
Komponentni video – svaka od tri komponente (R’G’B’ ili Y’CbCr) se prenosi posebno Dobra reprodukcija boje Potreban širi propusni opseg Potrebna dobra sinhronizacija komponenata Gotovo sav digitalni video koristi komponentni video

21 Tipovi video signala Kompozitni video
Koristi se kod analognog videa Luminantna komponenta i hromatske komponente se kombinuju u jedan signal Frekvencijsko multipleksiranje Istim signalom se prenosi informacija za kolor i crno-bijele TV prijemnike Lošiji kvalitet u odnosu na komponentni video Osnovna analognih PAL i NTSC standarda

22 Tipovi video signala S-video
Separirani video ili Y’/C video Kompromis između analognog komponentnog i kompozitnog videa Dvije linije: Luminantna komponenta Hromatske komponente (hroma) Poboljšan kvalitet slike u odnosu na kompozitni video

23 Električni signal Vrijeme prebrisavanja linije: 63,5 ms
Aktivni video signal: 52,6 ms Interval zatamnjenja: 10,9 ms Sinhronizacioni impuls: 5 ms

24 Primjer NTSC TV standard
National Television System Committee Koristio se u SAD, Japanu, Južnoj Koreji itd. Karakteristike: Format slike: 4:3 Skeniranje sa preplitanjem (interlaced) Frekvencija osvježavanja 30/1,001 frejmova u sekundi, odnosno, 60/1,001 polja u sekundi 525 linija skeniranja, 485 aktivnih linija (često se koristi 480) Efektivna vertikalna rezolucija: 485*0,7 = 340 linija Horizontalna frekvencija prebrisavanja: 525*30 = 15,75 kHz Vrijeme prebrisavanja linije: 63,5 ms Interval zatamnjenja: 10,9 ms Sinhronizacioni impuls: 5 ms YIQ kolor-model Frekvencija osvježavanja je na početku bila 60Hz (jednaka frekvenciji napona napajanja) ali je smanjena za 0,1% kako bi se izbjeglo pojavljivanje stacionarnog tačkastog uzorka na frekvenciji koja je jednaka razlici frekvencija nosilaca zvuka i hrominanse.

25 Digitalni video Mogućnost direktnog slučajnog pristupa
Dobro za nelinearnu montažu Lako čuvanje i uključivanje u multimedijalne aplikacije Mogućnost kompresije Nema gubitka kvaliteta pri kopiranju Bolja otpornost na šum Jednostavna enkripcija Slika se ne ispisuje pomoću elektronskog topa Nema potrebe za zatamnjivanjem i sinhronizacionim impulsima Interval zatamnjivanja nije izbačen – koristi se za prenos audio signala, titlova, informacija za ispravljanje grešaka

26 Prikaz pokreta Odmjeravanje po tri ose:
Horizontalna Vertikalna Vremenska Analogni video je već odmjeren po vertikalnoj i vremenskoj osi Podjela linije skeniranja na piksele

27 Frekvencija odmjeravanja
Broj kolona slike (broj uzoraka po aktivnoj liniji) – SAL Cjelobrojni umnožak frekvencije horizontalnog prebrisavanja Preporuka ITU-R BT.601 (Rec.601) za NTSC Luminantna komponenta: 858 x 15,75 = 13,5 MHz Hromatske komponente: 6,75 MHz 720 piksela po aktivnoj liniji (uporediti sa 480 aktivnih linija) Format piksela ITU-R BT.601 (SDTV) – pravougaoni pikseli ITU-R BT.709 (HDTV) – kvadratni pikseli

28 Primjeri standardnih dimenzija slike
Format Širina x visina QCIF 176 x 144 SIF 352 x 240 CIF 352 x 288 4SIF 704 x 480 4CIF 704 x 576 SDTV 720 x 480 VGA 800 x 600 HDTV 1 Mpx 1280 x 720 16CIF 1408 x 1152 HDTV 2 Mpx 1920 x 1080 4k UHD 3840 x 2160 8k UHD 7680 x 4320

29 Kodovanje boje u digitalnom videu YCbCr kolor-model
Normalizovan YUV model Različiti standardi za digitalni video koriste različite hrominanse primarnih boja i bijele tačke

30 Kodovanje boje u digitalnom videu YCbCr kolor-model
Normalizovan YUV model ITU-R BT.601 Y komponenta nepromijenjena Cb i Cr su skalirane U i V 8-bitno kodovanje, vrijednosti u opsegu (240 za Cb i Cr) Ovdje se praktično koriste nelinearno transformisane veličine. Ozanke bi trebale biti sa ‘.

31 Pododmjeravanje hromatskih komponenata (chroma subsamling)
Ljudski vid ima nižu prostornu rezoluciju za boju nego za svjetlinu Signal je podijeljen na luma (Y') i hroma (Cb, Cr) komponente Luminantna komponenta se zadržava Hromatske komponentne se pododmjeravaju (subsampling) Prenose se sa nižom rezolucijom Kompresija podataka Koristi se u kodovanju digitalnog videa te u JPEG kompresiji slika

32 Primjer Desna slika je pododmjerena sa faktorom 4.

33 Šeme za chroma subsampling
Šema pododmjeravanja se izražava kao odnos J:a:b Broj uzoraka luminanse i hrominanse u regionu širine J i visine 2 piksela a broj uzoraka hrominanse u prvom redu b broj promjena uzoraka hrominanse između prvog i drugog reda JPEG i MPEG koriste 4:2:0 4:4:4 4:2:2 4:1:1 4:2:0 Prazan krug – samo Y komponenta Tačka – samo Cb i Cr komponente Krug+tačka – Y, Cb i Cr komponente

34 Primjer ITU-R BT.601 Standard Međunarodne unije za telekomunikacije za kodovanje analognog videa sa preplitanjem u digitalni format Podržani: NTSC, 525 (480 aktivnih) linija, 60/1,001 Hz PAL, 625 (576 aktivnih) linija, 50/1,001 Hz Format slike 4:3 Frekvencija odmjeravanja luminanse: 13,5 MHz NTSC, 858 odmjeraka u liniji PAL, 864 odmjerka u liniji NTSC/PAL, 720 aktivnih odmjeraka luminanse po liniji Pikseli nisu kvadratnog oblika Frekvencija odmjeravanja hrominanse: 6,25 MHz Chroma subsampling 4:2:2 360 aktivnih odmjeraka hrominanse po liniji YCbCr kolor-model (standard definiše primarne boje i iluminantu) Gama – korekcija Odmjerci su uniformno kvantizovani sa 8 ili 10 bita Potrebna bitska brzina 525 x 858 x 30 x 2 x 8 = 216 Mbps Korišten sa MPEG i H.26x formatima kompresije (eventualno uz 4:2:0 chroma subsampling) Odmjereni signal sadrži i blanking intervale te sinhronizacione impulse.

35 Primjer ITU-R BT.709 Standard Međunarodne unije za telekomunikacije kojim je opisan format televizije visoke definicije (HDTV) Sadrži sisteme sa različitim brojem linija i načinima skeniranja Neki se više ne koriste Najznačajniji – CIF: 1080p i 1080i Format slike 16:9 Podržane frekvencije osvježavanja: 60 Hz, 50 Hz, 30 Hz, 25 Hz i 24 Hz Podržane su i varijante podijeljene sa 1,001 Frekvencija odmjeravanja luminanse zavisi od frekvencije osvježavanja: 148,5 MHz ili 74, 25 MHz Frekvencija odmjeravanja hrominanse je polovina frekvencije odmjeravanja luminanse Broj aktivnih odmjeraka luminanse po liniji je 1920 – pikseli kvadratnog oblika YCbCr kolor-model (standard definiše primarne boje i iluminantu) Gama-korekcija Odmjerci su uniformno kvantizovani sa 8 ili 10 bita Korišten sa MPEG i H.26x formatima kompresije (eventualno uz 4:2:0 chroma subsampling) Odmjereni signal sadrži i blanking intervale te sinhronizacione impulse.

36 Primjer ITU-R BT.2020 Format videa ultravisoke definicije
Podržani formati: 7680 x 4320 (8k) 3840 x 2160 (4k) Format slike 16:9 Progresivno skeniranje Frekvencije osvježavanja: {120, 100, 60, 50, 30, 25, 24} Hz Za neke frekvencije su podržane i varijante podijeljene sa 1,001 Gama-korekcija Dva načina kodovanja boje YCbCr model YCbcCrc model – luma se računa linearnom kombinacijom originalnih R, G, B signala, nakon čega slijedi gama-korekcija Standard definiše primarne boje i iluminantu Pododmjeravanje hromatskih komponenata: 4:4:4, 4:2:2 i 4:2:0 Odmjerci kvantizovani sa 10 ili 12 bita

37 Digitalna televizija Koristi se digitalni signal za prenos slike i zvuka Prednosti: teoretski, signal se može prenijeti na neograničenu udaljenost postoji mogućnost kompresije signala, a time i ekonomičnijeg korištenja resursa detekcija i korekcija grešaka smanjen uticaj šuma, itd. Mogućnost dodavanja specijalnih efekata Chroma keying SDTV i HDTV standardi SDTV: 480i29.75, 576i25 u formatu 4:3 HDTV je više rezolucije (720, 1080, 4k, 8k), p ili i, u formatu 16:9

38 Udaljenost i ugao posmatranja
Da se ne bi primjetila linijska struktura slike, razmak između linija, na određenoj udaljenosti posmatranja, mora zahvatati ugao manji od jednog minuta Udaljenost je približno:

39 Udaljenost i ugao posmatranja (nastavak)
SDTV LA = 480: l = 7,1 PH Ugao po vertikali: 8 Ugao po horizontali: 11 HDTV LA = 1080: l = 3,1 PH Ugao po vertikali: 18 Ugao po horizontali: 32 UHDTV LA = 4320: l = 3,1 PH Ugao po vertikali: 72 Ugao po horizontali: 128

40 Poboljšanja koja donosi HDTV
Digitalni signal Otpornost na smetnje Koristi 16:9 format Realnije boje Slika ima više detalja Bolji prikaz na većim ekranima Nove tehnologije snimanja na optičke medije Podrška za 5.1 suraund zvuk