La señal digital de vídeo
Manuel Rummel. “Producción de Vídeo Digital”. Paraninfo
1999.
José Oliver Gil, M. Perez. “Compresión de imagen y
video: Fundamentos teóricos y aspectos prácticos”. E UPV.
John Watkinson. “Video Digital”. Ed Paraninfo 1996.
Curso de fotografía, Luis Monje Arenas:
http://www.difo.uah.es/curso/
Curso de videoedición http://www.videoedicion.org
EPV 2009
La señal digital de vídeo
1
Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Principios Básicos de Vídeo
Captura de la imagen.
Digitalización.
Transmisión.
Estrategias de Compresión de Vídeo.
Formatos de video y cine digital
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1. Principios Básicos de Vídeo
 Una secuencia de vídeo es una sucesión de
imágenes que producen sensación de
movimiento.
 El ojo humano ante una sucesión rápida de
imágenes tenemos la percepción de un
movimiento continuo (persistencia de la
retina, físico y etimólogo inglés Peter Mark
Rogent (1779-1869)).
 Una cámara de cine/vídeo no es otra cosa
que una cámara de fotos que "echa fotos
muy rápido".
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1. Principios Básicos de Vídeo
Ejemplo
4 fotogramas de dibujos animados porque los
dibujos son también un formato progresivo y
porque en animación se usa una velocidad de
reproducción bastante inferior: 15 imágenes (o
fotogramas) por segundo. Aún así, como se puede
apreciar, las diferencias entre cuadro y cuadro son
muy escasas.
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1. Principios Básicos de Vídeo
Principios Básicos de Vídeo
 La imagen que percibimos está compuesta
de ondas electromagnéticas (λ: 250nm 780nm).
–
A diferentes longitudes de onda, diferentes
sensaciones de color.
 El ojo es más sensible a unos colores que a
otros.
 Los mecanismos de percepción visual
humanos son menos sensibles y estrictos
que los auditivos.
 Ej.: Variaciones de frecuencia, supresión de
imágenes, etc..
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2. Captura de la imagen
 La captura de la imagen mediante una cámara supone el
primer paso para el tratamiento de video digital.
 La cámara de video descompone la luz en sus tres
colores primarios (RGB), esta información es codificada
y/o comprimida para su almacenamiento en cinta, en
disco de ordenador o para su transmisión (y posterior
visualización en un televisor)
SEPARADOR
PRIMARIOS
CODIFICADOR
DECODIFICADOR
SEÑAL
TUBO
IMAGEN
CODFICADA
R
G
B
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2. Captura de la imagen
Adquisición de video
 Células fotosensibles que transforman la luz en
impulsos eléctricos.
 Distintas tecnologías CCD y CMOS
 Resolución: 800.000 píxeles (muestras) a 3 millones.
 Iluminación mínima (lux rating, 1-5 lux).
 Relación de aspecto 4:3, 16:9, 1.85 (61:33)
 1 ó 3 CCD’s (RGB) o (HSI), 4:3 16:9
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2. Captura de la imagen
Frecuencia de muestreo
 La frecuencia con la que se captura una
imagen de la realidad varía de unos
sistemas a otros.
 Principalmente las tasas de muestreo son:




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24 cine digital
25 PAL
30 NTSC
Otras variaciones.
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2. Captura de la imagen
Estrategia progresiva
 En una estrategia progresiva en cada
instante de tiempo se captura una
imagen completa, una fotografía.
 Es la estrategia utilizada en cine
analógico y digital y en muchos
formatos de HD.
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2. Captura de la imagen
El cine




Es un formato "progresivo" Eso quiere decir que se pasa de
una imagen a otra rápidamente Vemos una imagen
COMPLETA y, casi de inmediato, vemos la siguiente..
La sucesión de fotogramas se realiza a una cadencia de 24
fotogramas por segundo, es decir, en un segundo pasan 24
imágenes con un intervalo de oscuridad entre ellas. Si
tenemos en cuenta que vemos 24 imágenes por segundo,
cada imagen se reproduce durante 0,04167 segundos.
Esta sucesión de fotogramas, si bien produce una sensación
de movimiento, motiva un cierto parpadeo o centelleo
perfectamente perceptible durante el paso de una imagen
clara y el intervalo de oscuridad.
El parpadeo se evita aumentando la cadencia de las
imágenes. El aumento del número de fotogramas motivaría
películas con rollos más largos y en consecuencia, más
caras.
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El cine: parpadeo





Se recurre a la doble o triple obturación, es decir, cada fotograma
se proyecta dos o tres veces y por tanto, se duplica o triplica la
cadencia. En otras palabras, el parpadeo se elimina proyectando la
película con una velocidad de proyección a 48 o 72 fotogramas por
segundo.
En un principio los proyectores eran del tipo 48 fotogramas por
segundo (doble obturación), pero se evidenció que con proyectores
con elevada salida de luz se apreciaba de forma considerable el
parpadeo.
A medida que la luminosidad de la pantalla se incrementa, la
persistencia de la retina disminuye y en consecuencia, resulta
visible el parpadeo.
Debido a estas circunstancia, en las salas de cine de gran
luminosidad se utiliza la triple obturación (72 fotogramas por
segundo).
En televisión, especialmente PAL, también ha ocurrido algo similar,
ya que con las pantallas de talla grande (superior a 70 cm) se
aprecia un notable parpadeo, lo cual se solventa a través de la
técnica de los 100 Hz en Europa.
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2. Captura de la imagen
Estrategia entrelazada
 En una estrategia entrelazada en
cada instante de tiempo se captura
una parte de una imagen completa.
 Es la estrategia utilizada en televisión
analógica, video analógico y video
digital SD.
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2. Captura de la imagen
Estrategia entrelazada II
 Si consideramos que una imagen se
representa mediante una matriz de puntos.
 El idea es capturar primero las filas pares y
luego las impares. A cada grupo de líneas,
par o impar, se le llama “campo”:
 El campo A o superior (Upper o Top en inglés)
formado por las líneas pares (Even en inglés) y
 el campo B, inferior o secundario (Lower o
Bottom en inglés) formado por las líneas
impares (Odd en inglés)
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2. Captura de la imagen
El origen de video entrelazado es la tv
 La pantalla de un televisor no funciona como un
proyector de cine, que muestra imágenes "de golpe“
barrido entrelazado.
 Un televisor está dividido en líneas horizontales, 625
en televisores PAL y 525 en televisores NTSC.
 Estas líneas no muestran todas a la vez un mismo
fotograma, sino que la imagen comienza a aparecer
en las líneas superiores y sucesivamente se van
rellenando el resto hasta llegar a las líneas más
inferiores. Un único fotograma no es mostrado "de
golpe", sino de modo secuencial. Al igual que pasaba
con el cine, este proceso de actualización de líneas es
tan rápido que, en principio, a nuestro ojo le pasa
desapercibido y lo percibimos todo como un continuo.
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2. Captura de la imagen
Trazado de líneas en pantalla CRT
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2. Captura de la imagen
Justificación del video entrelazado
 Los primeros televisores hacían que cuando
la imagen actualizada llegaba a las últimas
líneas (las inferiores) la imagen de las
líneas superiores comenzaba a
desvanecerse.
 La retina mantiene una imagen durante un
tiempo antes de que desaparezca (valor
mínimo: 50 imag/s). En caso de estar por
debajo de ese valor se produce el efecto de
parpadeo de imagen (flicker).
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2. Captura de la imagen
Los campos



El "truco" está en dividir las líneas del
televisor en pares e impares. A cada
grupo de líneas, par o impar, se le
llama "campo". Así tendríamos el
campo A o superior (Upper o Top en
inglés) formado por las líneas pares
(Even en inglés) y el campo B,
inferior o secundario (Lower o Bottom
en inglés) formado por las líneas
impares (Odd en inglés)
Primero se actualiza un grupo de
líneas (campo) y, acto seguido se
actualiza el otro.
Esto hace que el ancho de banda se
reduzca a la mitad
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2. Captura de la imagen
Consecuencias del entrelazado



La primera consecuencia es que estamos dividiendo un
único fotograma en dos campos. Ya no vamos a tener 25 o
30 cps (cuadros por segundo, PAL y NTSC) sino 50 o 60
semi-imágenes o, más correctamente, campos por
segundo.
De ese modo, un único fotograma (fotografía, o dibujo en
este caso), que tiene un tamaño "completo" se dividiría en
dos imágenes con la mitad de líneas (la mitad de resolución
vertical).
Eso, en principio, no representaría problema alguno si no
fuera porque cada campo se corresponde a un momento
distinto en el tiempo, de modo que cada campo ofrece una
imágen distinta
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2. Captura de la imagen
Campo A/B
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Campo A/B
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2. Captura de la imagen
Consecuencias del entrelazado




La segunda consecuencia es que trabajar con vídeo entrelazado
no supone problema alguno cuando el destino del vídeo sea un
televisor, puesto que un televisor analógico NECESITA vídeo
entrelazado.
Sin embargo, el monitor de nuestro ordenador funciona en modo
progresivo, esto es, mostrando imágenes "de golpe", igual que en
el cine.
Siempre que reproduzcamos vídeo entrelazado en un monitor lo
veremos "rayado", como en la imagen de arriba, ya que se
sumarán los dos campos para mostrar el vídeo con la resolución
completa.
Cuando una escena es estática, no hay cambios, ambos campos
coinciden, o varían mínimamente, y la reproducción parece
correcta a nuestros ojos.
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2. Captura de la imagen
Conclusiones
 En la captura de la imagen digital se
establecen las primeras propiedades:
 En función de la precisión del CCD o CMOS,
determinaremos la resolución horizontal y
vertical de cada fotograma, esto condiciona
también la relación de aspecto.
 Estrategia seguida: progresivo o entrelazado.
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2. Digitalización
Digitalización o codificación
 Esta fase genérica se encarga de
determinar la secuencia de matrices
en el formato inicial que permita la
cámara, a partir de la información del
CCD.
SEPARADOR
PRIMARIOS
CODIFICADOR
DECODIFICADOR
TUBO
IMAGEN
CODFICADA
R
SEÑAL
G
B
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2. Digitalización
Muestreo
 Lo primero es recoger la información
de los ccd a intervalos regulares
(frecuencia de muestreo, 24,25p,30p
50i,60i), a este proceso se le
denomina muestreo
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2. Digitalización
Muestreo
 Para saber cuantas muestras deberemos
obtener en cada intervalo se debe conocer:







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Relación de aspecto.
Aspecto del píxel.
Resolución de la imagen.
Estrategia utilizada progresivo o entrelazada.
Cuantificación.
Codificación.
Estrategia de compresión.
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2. Digitalización
Resolución de la imagen
 La resolución de la imagen es el
número de pixeles verticales por el
número de pixeles horizontales.
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2. Digitalización
Resolución de la imagen
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2. Digitalización
Relación de aspecto
 La relación de aspecto de una imagen
es un número que describe la forma
del fotograma. Dividiendo la anchura
por la altura se obtiene la relación de
aspecto.
 No importa la unidad utilizada.
 También es posible expresar la
relación como una proporción.
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2. Digitalización
Relación de aspecto
Academy (1.85:1) y Scope (2.35:1) comparado con 4:3 (1.33:1)
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2.- Digitalización
Aspecto del pixel
 Todos los monitores de ordenador y
formatos gráficos usan pixeles cuadrados,
esto es misma distancia horizontal que
vertical.
 En cambio en algunos formatos de video
digital el aspecto del píxel no es cuadrado
sino rectangular con la finalidad de
preservar la relación de aspecto.
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2.- Digitalización
Relación de aspecto y aspecto del píxel

En una relación de aspecto de 4:3 (TV), si tenemos 576
líneas (pixeles verticales) necesitamos 768 pixeles de
anchura para mantener esa relación con pixeles cuadrados.

El formato DV PAL tiene 720 pixeles de anchura de los sólo
aprovechamos 704 centrados (8 a cada lado para otro tipo
de información) ocupando una relación de aspecto de 4/3 de
su altura.

Para conseguir esto se establece una estrategia de aspecto
de píxel rectangular, pixeles bajos y anchos.

La relación de aspecto actual de los pixeles son de 12:11
(1.09) DV PAL y de 10:11(0.9) DV NTSC
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2.- Digitalización
Relación de aspecto y aspecto del píxel
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2.- Digitalización
Conversión entre relaciones de aspecto

Históricamente se han
planteado dos propuestas:
pan and scan y letterbox:



Con pan y scan se pierde
información.
Con letterbox se escala la
imagen para adecuarla a 4:3
perdiendo parte del encuadre.
El proceso inverso es similar.
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2.- Digitalización
Cuantificación
 Cada muestra se representa con gran precisión
mediante un número en un proceso que se denomina
cuantificación.
 De esta forma una imagen monocromática estará
formada por una matriz rectangular de puntos en los
que se almacena el brillo en forma numérica.
 Los puntos se conocen como células de la imagen o
píxeles.
 Si queremos representar una imagen en color , cada
imagen se compone de tres capas superpuestas de
muestras una para cada componente de color.
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2.- Digitalización
Profundidad de la imagen
 El número de bits que hace falta para
representar un píxel de una imagen es la
profundidad de la imagen y su valor
depende de la precisión con la que estemos
trabajando.
 Precisiones habituales es 8bits o 10bits por
píxel si la imagen es en tonos grises.
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2.- Digitalización
Codificación RGB
 Cada muestra de la imagen lleva asociado
tres valores que indican la cantidad Rojo(R),
Verde (G) y azul (B).
 Si tomamos 8 bits para representar el nivel
de cada componente de color obtendremos
la máxima precisión que el ojo humano es
capaz de percibir.
 En este caso la profundidad de la imagen
es 24 (3x8)bits
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2.- Digitalización
Codificación RGB
 Cuando codificamos una imagen en RGB
realizamos un barrido de la pantalla (ccd’s)
línea a línea, desde la esquina inferior
izquierda hasta la superior izquierda,
almacenando para cada píxel cada una de
sus tres componentes.
 Cuando la imagen tiene una profundidad de
16 bits se almacena 2 bytes por píxel, de
forma que se usan 5 bits por componente
de color y no se usa el último de los bits.
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2.- Digitalización
Codificación YUV
 Durante las primeras décadas de la emisión
de tv no se emitía en color. Al llegar la tv en
color no se podía pasar a transmitir RGB
(pese a que un tv tiene tres cañones uno para
cada uno). Para mantener los equipos de
B&N, la solución fue la codificación YUV.
 La conversión de RGB a YCbCr (YUV) se
realiza mediante una matriz de conversión
(aproximada):



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Y = 0.3R + 0.6G + 0.1B
U = B - Y (Diferencia de color azul) (equiv.
Cb=U/2+128)
V = R - Y (Diferencia de color rojo) (equiv.
Cr=V/1.6+128)
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2.- Digitalización
Codificación YUV


Debido a que el ojo humano es mas sensible a
los cambios de intensidad y menos sensible a
los cambios de crominancia, podemos codificar
la imagen tomando menos información de
crominancia de la que en principio nos ofrece la
conversión vista.
De esta forma podemos plantear las siguientes
codificaciones:



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4:2:0
4:2:2
4:4:4
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2.- Digitalización
Codificación YUV
 El esquema de codificación YUV se muestra como una
relación de 3 números 4:4:4, donde:



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Y o Luma horizontal muestreo.
Cr o U factor horizontal (relativo al primer dígito)
Cb o V factor horizontal (relativo al primer dígito), excepto
cuando es cero, que indica que el factor horizontal es igual al
segundo dígito y además Cr y Cb se codifican 2:1
verticalmente.
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2.- Digitalización
Codificación YUV/subsampling
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Cintas DV
Cintas DV
De izq. a dch.: DVCAM-L, DVCPRO-M, MiniDV
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EPV 2009
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2.- Digitalización
Ejemplos
 Videoconferencia a QCIF (4:2:0)

((176x144)+(88x72)+(88x72))x8x25=7.6Mbits/s
 Televisión digital (4:2:0)

((720x576)+(360x288)+(360x288))x8x25=124Mbits/s
 Televisión de alta definición (4:2:0)

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((1440x1152)+(720x576)+(720x576))x8x25=497Mbits/s
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