Upload
internet
View
108
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
EPUSP - Guido Stolfi 1 / 115
Amostragem Espacial / Temporal : Varredura
PTC2457 – Princípios de TV Digital
EPUSP – 2010
Guido Stolfi
EPUSP - Guido Stolfi 2 / 115
Amostragem de uma Imagem em Movimento
Tempo
u = f (x, y, t)
EPUSP - Guido Stolfi 3 / 115
Critérios de Resolução Temporal
• 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.)
EPUSP - Guido Stolfi 4 / 115
Critérios de Resolução Espacial
• Acuidade Visual: ~ 1 minuto de grau
• Proporção: 4:3 (igual ao cinema)
• Tamanho da Imagem: ?
• Distância de Observação: ?
EPUSP - Guido Stolfi 5 / 115
A Televisão como Entretenimento
EPUSP - Guido Stolfi 6 / 115
Ângulos de Visualização da TV (Padrão M)
L
H
d
a b
H / L = ¾ a = 10o b = 7.5o
EPUSP - Guido Stolfi 7 / 115
Dimensionamento de um Sistema de TV: Padrão “M”
• Acuidade Visual: 1/60 de grau
• Ângulo de visualização: 10 x 7.5 graus
600 x 450 elementos de imagem (pixels)
EPUSP - Guido Stolfi 8 / 115
Requisitos de Banda Passante
• 60 quadros por segundo, 600 x 450 pixels
MHzBW 1,8604506002
1
1 pixel = 1 semiciclo da maior freqüência necessária
EPUSP - Guido Stolfi 9 / 115
Agravante: Tempo de Retraço
Tempo de Varredura
Tempo de Retraço
EPUSP - Guido Stolfi 10 / 115
Requisitos de Banda Passante
• Tempo de retraço: 20% na varredura horizontal e 9% na vertical
MHzBW 595,106009,14502,16002
1
EPUSP - Guido Stolfi 11 / 115
Agravante: Fator de Kell
• Teorema da Amostragem diz: número de linhas de varredura deve ser maior que o número de linhas (alternadas) a serem exibidas na imagem (fa > 2 x fs)
• Fator de Kell = 0,7 (experimental) implicaria em 450 0,7 = 643 linhas de varredura na imagem visível.
EPUSP - Guido Stolfi 12 / 115
Reconstrução com Pulso Retangular (Obedecendo Critério de Nyquist)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
fA = 2,2 fM
EPUSP - Guido Stolfi 13 / 115
Reconstrução com Pulso Retangular (Obedecendo Critério de Kell)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
fA = 3,3 fM
EPUSP - Guido Stolfi 14 / 115
Requisitos de Banda Passante
• Considerando tempo de retraço e fator de Kell:
MHzBW 14,156009,16432,16002
1
EPUSP - Guido Stolfi 15 / 115
Atenuante: Acuidade Visual
• 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)
MHzBW 4,8605252.14502
1
EPUSP - Guido Stolfi 16 / 115
Atenuante: Entrelaçamento
• Freqüência 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)
EPUSP - Guido Stolfi 17 / 115
Varredura Entrelaçada - Padrão “M”
EPUSP - Guido Stolfi 18 / 115
Atenuante: Modulação Vestigial (VSB)
4,2 MHz
-4,2 MHz
Vídeo Composto(Banda Base)
+4,2 MHz
-0,75 MHz+4,5 MHz
fo
Modulação AM
Modulação VSB+ Áudio
0
6 MHz
EPUSP - Guido Stolfi 19 / 115
Sinal de Vídeo Composto RS-170
-40
-20
0
20
40
60
80
100 IRE Período Horizontal: 1H = 63,56 s
Apagamento Horizontal: 10,90,2 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)
EPUSP - Guido Stolfi 20 / 115
Sincronismo Composto com Entrelaçamento
EPUSP - Guido Stolfi 21 / 115
Separação do Sincronismo Horizontal
Campo par
Campo ímpar
EPUSP - Guido Stolfi 22 / 115
Separação do Sincronismo Vertical
Campo par
Campo ímpar
Sincronismo Composto sem pulsos de equalização
Sincronismo Vertical
EPUSP - Guido Stolfi 23 / 115
Efeito dos Pulsos de Equalização
Sincronismo Composto com pulsos de equalização
Campo par
Campo ímpar
EPUSP - Guido Stolfi 24 / 115
Pórticos (Porch) no Sincronismo Horizontal
Pórtico frontal
Linha branca
Linha preta
Pórtico posterior
EPUSP - Guido Stolfi 25 / 115
Efeito do Pórtico Frontal
Sinal com Banda Limitada Limitação de Banda sem Pórtico Frontal
EPUSP - Guido Stolfi 26 / 115
Efeito do Pórtico Posterior
Linha branca
Linha preta
Grampeamento do nível de preto
Acoplamento AC do Sinalde Vídeo Composto
Sinal de Vídeo com Grampeamento DC
EPUSP - Guido Stolfi 27 / 115
Estrutura de Amostragem Espacio-temporal
EPUSP - Guido Stolfi 28 / 115
Amostragem Entrelaçada de um Objeto em Movimento
EPUSP - Guido Stolfi 29 / 115
Estruturas de Varredura
t
y
t
y
Varredura Progressiva Varredura Entrelaçada
EPUSP - Guido Stolfi 30 / 115
Espectros das Estruturas de Varredura
F
F
t
y
F
F
t
y
Varredura Progressiva Varredura Entrelaçada
EPUSP - Guido Stolfi 31 / 115
Espectro Bi-dimensional
y
x
fx
fy
Domínio do Espaço Domínio da Freqüência Espacial
EPUSP - Guido Stolfi 32 / 115
Espectro Bi-dimensional
y
x
fx
fy
Domínio do Espaço Domínio da Freqüência Espacial
EPUSP - Guido Stolfi 33 / 115
Espectro Bi-dimensional
y
x
fx
fy
Domínio do Espaço Domínio da Freqüência Espacial
EPUSP - Guido Stolfi 34 / 115
Espectro Bi-dimensional
y
x
fx
fy
Domínio do Espaço Domínio da Freqüência Espacial
EPUSP - Guido Stolfi 35 / 115
Função de Transferência de Contraste (CTF)
A B
C
A B
C
CTF
Número de Linhas
ResoluçãoLimite
RuídoMTF
ou
EPUSP - Guido Stolfi 36 / 115
Função de Transferência de Modulação (MTF)
• 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 freqüência espacial do sistema
• MTF de um sistema com elementos em série é o produto das MTF’s dos elementos
EPUSP - Guido Stolfi 37 / 115
MTF da Visão Humana
0
100
200
300
400
10 100 1000
Linhas de TV
MTF
EPUSP - Guido Stolfi 38 / 115
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 39 / 115
MTF da Televisão Convencional
Linhas de TV
MTF
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 100 200 300 400 500 600
Vertical
Horizontal
EPUSP - Guido Stolfi 40 / 115
Critério de Kell x Nyquist
EPUSP - Guido Stolfi 41 / 115
fM / fA = 0,1
EPUSP - Guido Stolfi 42 / 115
fM / fA = 0,2
EPUSP - Guido Stolfi 43 / 115
fM / fA = 0,3
EPUSP - Guido Stolfi 44 / 115
fM / fA = 0,3
fX
fY
fY
fX
fAY
fAX
EPUSP - Guido Stolfi 45 / 115
fM / fA = 0,35
EPUSP - Guido Stolfi 46 / 115
fM / fA = 0,4
EPUSP - Guido Stolfi 47 / 115
fM / fA = 0,45
EPUSP - Guido Stolfi 48 / 115
fM / fA = 0,5
EPUSP - Guido Stolfi 49 / 115
fM / fA = 0,5
fX
fY
fX
fY
fAY
fAX
EPUSP - Guido Stolfi 50 / 115
fM / fA = 0,55
EPUSP - Guido Stolfi 51 / 115
fM / fA = 0,8
EPUSP - Guido Stolfi 52 / 115
fM / fA = 0,8
fY
fX
fY
fX
fAY
fAX
EPUSP - Guido Stolfi 53 / 115
fM / fA = 0,95
EPUSP - Guido Stolfi 54 / 115
fM / fA = 0,2
EPUSP - Guido Stolfi 55 / 115
fM / fA = 0,3
EPUSP - Guido Stolfi 56 / 115
fM / fA = 0,35
EPUSP - Guido Stolfi 57 / 115
fM / fA = 0,4
EPUSP - Guido Stolfi 58 / 115
fM / fA = 0,45
EPUSP - Guido Stolfi 59 / 115
fM / fA = 0,5
EPUSP - Guido Stolfi 60 / 115
fM / fA = 0,95
EPUSP - Guido Stolfi 61 / 115
fM / fA = 0,95
fX
fY
fX
fY
fAY
fAX
EPUSP - Guido Stolfi 62 / 115
fM / fA = 0,35
EPUSP - Guido Stolfi 63 / 115
fM / fA = 0,4
EPUSP - Guido Stolfi 64 / 115
fM / fA = 0,5
EPUSP - Guido Stolfi 65 / 115
fM / fA = 0,35
EPUSP - Guido Stolfi 66 / 115
fM / fA = 0,4
EPUSP - Guido Stolfi 67 / 115
fM / fA = 0,45
EPUSP - Guido Stolfi 68 / 115
fM / fA = 0,5
EPUSP - Guido Stolfi 69 / 115
Amostragem com Função de Reconstrução Triangular
EPUSP - Guido Stolfi 70 / 115
fM / fA = 0,35
EPUSP - Guido Stolfi 71 / 115
fM / fA = 0,35
fX
fY
fX
fY
fAY
fAX
EPUSP - Guido Stolfi 72 / 115
fM / fA = 0,3
EPUSP - Guido Stolfi 73 / 115
fM / fA = 0,35
EPUSP - Guido Stolfi 74 / 115
fM / fA = 0,4
EPUSP - Guido Stolfi 75 / 115
fM / fA = 0,45
EPUSP - Guido Stolfi 76 / 115
fM / fA = 0,5
EPUSP - Guido Stolfi 77 / 115
“Aliasing” Espacial: Efeito “Moirée”
Imagem Original Imagem Amostrada
EPUSP - Guido Stolfi 78 / 115
“Aliasing” Espacial: Efeito “Moirée”
Imagem Original Imagem Amostrada e reconstruída
EPUSP - Guido Stolfi 79 / 115
Espectro 2-D da Imagem Amostrada
fX
fY
fX
fY
fAY
fAX
EPUSP - Guido Stolfi 80 / 115
Redução do “Aliasing” Espacial por Filtragem
Imagem Filtrada por Imagem Amostrada abertura equivalente e reconstruída
EPUSP - Guido Stolfi 81 / 115
Espectro 2-D da Imagem Filtrada
fX
fY
fAY
fAX
fX
fY
fX
fY
Amostragem
Filtragemespacial
EPUSP - Guido Stolfi 82 / 115
Amostragem e Reconstrução
Imagem
Estrutura de Amostragem Espacial
Abertura Equivalentede Captura
Pixel
Função de Reconstrução
EPUSP - Guido Stolfi 83 / 115
Amostragem e Reconstrução
• No domínio Espacial:– Convolução da imagem com a abertura
equivalente de captura– Amostragem– Convolução da amostra com a função de
Reconstrução
• No domínio da Freqüência:– Filtragem pela MTF do processo de captura– Amostragem (translação e replicação espectral)– Filtragem pela MTF do processo de
reconstrução
EPUSP - Guido Stolfi 84 / 115
Reprodução de uma Imagem com Função de Reconstrução Quadrada
EPUSP - Guido Stolfi 85 / 115
Reprodução de uma Imagem com Função de Reconstrução Gaussiana
EPUSP - Guido Stolfi 86 / 115
John Lennon
EPUSP - Guido Stolfi 87 / 115
Padrão de Teste de Resolução Espacial
EPUSP - Guido Stolfi 88 / 115
Amostragem Temporal
EPUSP - Guido Stolfi 89 / 115
Espectro Tri-dimensional (Espaço / Tempo)
y
x
fx
fy
Imagem com Movimento Espectro Tri-dimensional
t
ft
a
bc
EPUSP - Guido Stolfi 90 / 115
“Aliasing” Temporal: Efeito “Roda de Carroça”
Uma Rotação de 85 graus
em sentido Horário...
...confunde-se com uma
rotação de 5 graus...
...em sentido anti-horário.
EPUSP - Guido Stolfi 91 / 115
Redução do “Aliasing” Temporal pelo Controle do Tempo de Exposição
fechado ("pull-down")aberto
Obturador da Câmera com Abertura Máxima
EPUSP - Guido Stolfi 92 / 115
Persistência Luminosa da Imagem
Trajetória do Objeto
Trajetória Média
Movimento Aparente na TV Movimento Original
Imagem com Persistência
Tempo
EPUSP - Guido Stolfi 93 / 115
Efeito Visual da Persistência
Movimento Aparente na TV Movimento Original
EPUSP - Guido Stolfi 94 / 115
Telecinagem com Pull-down 3:2
5 CINEMA 24 FOTOGRAMAS POR SEGUNDO TV 60 CAMPOS POR SEGUNDO
1 2 3 4
I I P I P I P P I P I P
EPUSP - Guido Stolfi 95 / 115
Efeito da Telecinagem 3:2
Trajetória Média
TV 60 campos por segundo
Movimento Aparente na TV Movimento Original
EPUSP - Guido Stolfi 96 / 115
Resumo
• 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
EPUSP - Guido Stolfi 97 / 115
Radiodifusão de TV Monocromática (Padrão “M”)
Modulação AM Vestigial Negativa
EPUSP - Guido Stolfi 98 / 115
Resposta em Freqüência Ideal do Receptor de TV
Portadora de vídeo
Portadora de áudio
Portadora de vídeo (canal
superior)
Portadora de áudio (canal
inferior)
50%
0.75 MHz
4,2 MHz
6 MHz
EPUSP - Guido Stolfi 99 / 115
Espectro de um Sinal de TV Analógica
EPUSP - Guido Stolfi 100 / 115
Padrões e Sistemas
• Padrão: Banda passante, disposição das portadoras dentro do canal, frequencias nominais dos canais
• B, D, G, H, I, K, K1, L, M, N
• Sistema: Formato de varredura e codificação da Cor
• NTSC, SECAM, PAL
EPUSP - Guido Stolfi 101 / 115
Padrões e Sistemas
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
EPUSP - Guido Stolfi 102 / 115
Padrões e Sistemas Analógicos no Mundo
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
EPUSP - Guido Stolfi 103 / 115
Alguns Formatos de Varredura para Monitores de Vídeo
Padrão Resolução visível h x v
Freq. Vert.(Hz)
Freq. Hor.(kHz)
varredura Bw(MHz)
CGA 320 x 200 60 15.75 progr. 3.2
VGA 640 x 480 60 31.5 progr. 13
VESA 640 x 480 72 37.8 progr. 16
SVGA 800 x 600 75 46.8 progr. 25
XGA 1024 x 768 87 35.5 entrelac. 23
SVGA 1280 x 1024 71 76.0 progr. 63
SVGA 1280 x 1024 86 45.8 entrelac. 40
Mac II 1152 x 870 75 68.7 progr. 50
EPUSP - Guido Stolfi 104 / 115
TV de Alta Definição: “Hi-Vision”
EPUSP - Guido Stolfi 105 / 115
Dimensionamento do Ângulo de Visualização para a “Hi-Vision”
EPUSP - Guido Stolfi 106 / 115
Dimensionamento do Ângulo de Visualização para a “Hi-Vision”
EPUSP - Guido Stolfi 107 / 115
Ocupação do Campo Visual
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
-100 -50 0 50
Ângulo em relação à Fóvea
Bastonetes
ConesPonto Cego
Cél
ulas
por
mm
2x
1000
HDTV
TVTV
EPUSP - Guido Stolfi 108 / 115
Relação de Aspecto da TV de Alta Definição
• Compatibilidade com imagens 4:3
4 3(12 9)
4 3
4 3
4 3
16
9
EPUSP - Guido Stolfi 109 / 115
Relação de Aspecto da TV de Alta Definição
• Compatibilidade com formatos de Cinema
TV (1.33:1 = 4:3)
HDTV (1.78:1 = 16:9)
Cinemascope (2.35:1)
Cinema (1.85:1)
EPUSP - Guido Stolfi 110 / 115
TV de “Mesma Definição”
1920
640
480
1080
1’
EPUSP - Guido Stolfi 111 / 115
Imagem Hi-Vision
EPUSP - Guido Stolfi 112 / 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, 23.98• Varredura Progressiva (p) e Entrelaçada (i)
• Frequencia de Amostragem (pixel), MHz:• 148.5, 148.352, 74.250, 74.176
• Formatos Preferenciais (74.176 MHz): • 1080i (29.97) • 720p (59.94)
EPUSP - Guido Stolfi 113 / 115
No Futuro ?
EPUSP - Guido Stolfi 114 / 115
UHDV – Ultra High Definition Video (2005)
7680
1920
1080
4320
>90O
EPUSP - Guido Stolfi 115 / 115
UHDV – Ultra High Definition Video (NHK-2005)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
-100 -50 0 50
Ângulo em relação à Fóvea
Bastonetes
ConesPonto Cego
Cél
ulas
por
mm
2x
1000
HDTV
TVTV
UHDV