Τεχνολογία Πολυμέσων Ενότητα 9: Αναλογικό Βίντεο Νικολάου Σπύρος Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί ενότητας Η ενότητα αυτή πραγματεύεται ζητήματα σχετικά με το αναλογικό βίντεο. 4
Περιεχόμενα ενότητας Εισαγωγή. Χαρακτηριστικά μεγέθη Αναλογικού Βίντεο. Συμβατικά τηλεοπτικά συστήματα: PAL, NTSC, SECAM. Τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας HDTV. Σχήματα κωδικοποίησης χρώματος: Component, Y/C, Composite. 5
Αναλογικό Βίντεο
Εισαγωγή (1/2) Μετείκασμα (persistence of vision): Μία εικόνα που βλέπουμε παραμένει, μετά την παρατήρηση της στον αμφιβληστροειδή χιτώνα για ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα (1/12 του δευτερολέπτου), αφού αυτή έχει χαθεί από το οπτικό μας πεδίο. Η αίσθηση της συνεχόμενης κίνησης δημιουργείται με την αλλεπάλληλη προβολή με μεγάλη ταχύτητα, διαδοχικών στατικών εικόνων (δισδιάστατων ή τρισδιάστατων καρέπλαισίων) που διαφέρουν ελάχιστα μεταξύ τους. Η ιδιομορφία αυτή αποτέλεσε τη βάση για την ανάπτυξη τόσο του animation, όσο και των τεχνολογιών που χρησιμοποιούν κινούμενη εικόνα (Κινηματογράφος, Video). 7
Εισαγωγή (2/2) Απαιτούμενα καρέ ή πλαίσια(frames) ανά δευτερόλεπτο(frames per Second- FPS): Κινηματογραφικές Ταινίες (film) 24 fps. Αναλογική ή Ψηφιακή TV 25 ή 30 fps. Computer animation από 12 έως 15 fps. Εάν τα FPS είναι λιγότερα τότε έχουμε σπασμωδική κίνηση ή τρεμόπαιγμα (flicker). 8
Βίντεο (1/2) O όρος Βίντεο (Video) αναφέρεται στην οπτική πληροφορία που περιλαμβάνει εικόνες που μεταβάλλονται με τον χρόνο. Σε αντίθεση με τις ακίνητες εικόνες όπου η χωρική κατανομή πυκνότητας παραμένει αναλλοίωτη, στο βίντεο η αντίστοιχη κατανομή πυκνότητας εξετάζεται χωρο-χρονικά. Το βίντεο μπορεί επίσης να θεωρηθεί κι ως χρονική ακολουθία ακίνητων εικόνων. Ο όρος "σήμα βίντεο" συνήθως αναφέρεται σε ένα μονοδιάστατο αναλογικό ή ψηφιακό σήμα μεταβαλλόμενο κατά τη διάρκεια του χρόνου. 9
Βίντεο (2/2) Σε αυτή την περίπτωση η χωρο-χρονική πληροφορία δίνεται σε συνάρτηση με το χρόνο σύμφωνα με κάποια προκαθορισμένη παραδοχή σάρωσης. Κατά την περίπτωση όπου έχουμε έγχρωμο σήμα βίντεο θεωρούμε ότι αυτό προκύπτει από τη σύνθεση τριών συνιστωσών που αντιστοιχούν στα τρία βασικά χρώματα: κόκκινο (R), πράσινο (G) και μπλε (Β), σύμφωνα με τη Θεωρία Χρωμάτων. 10
Αναλογικό βίντεο (1/2) Το αναλογικό βίντεο προϋπήρχε πολύ πριν την εμφάνιση των υπολογιστών, με τη μορφή του τηλεοπτικού σήματος. Το αναλογικό σήμα βίντεο αναφέρεται σε ένα μονοδιάστατο ηλεκτρικό σήμα σε συνάρτηση με το χρόνο και το οποίο προκύπτει από δειγματοληψία κατά την κάθετη συνιστώσα των εικόνων της ακολουθίας. Η περιοδική διαδικασία δειγματοληψίας ονομάζεται σάρωση. 11
Αναλογικό βίντεο (2/2) Οι συνηθισμένοι τρόποι σάρωσης είναι δύο: Διαπλεκόμενη ή Πεπλεγμένη (interlaced). Προοδευτική (progressive) ή Συνεχής ή Μη Πεπλεγμένη (non-interlaced). Δηλαδή σαρώνεται η οθόνη από τα αριστερά προς τα δεξιά κι από πάνω προς τα κάτω κι έτσι δημιουργείται ένα πλαίσιο του βίντεο. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται περιοδικά με βάση τον αριθμό πλαισίων (καρέ) που πρέπει να σχηματίζονται ανά δευτερόλεπτο. 12
Τύποι σάρωσης οθόνης (1/4) Διαπλεκόμενη ή Πεπεπλεγμένη (interlaced). 1 πλαίσιο = 2 πεδία (fields). Εναλλακτική σάρωση των δύο πεδίων. H βιομηχανία κατασκευής τηλεοράσεων έχει υιοθετήσει τη διαπλεκόμενη σάρωση 2:1 όπου οι οριζόντιες περιττές και άρτιες γραμμές συνιστούν δύο ξεχωριστά πεδία (fields) που σαρώνονται εναλλάξ. 13
Τύποι σάρωσης οθόνης (2/4) Εικόνα 1: Διαπλεκόμενη ή πεπεπλεγμένη σάρωση. Πηγή: Διδάσκων (2015). 14
Τύποι σάρωσης οθόνης (3/4) Προοδευτική (progressive) ή Συνεχής ή Μη Πεπεπλεγμένη (non-interlaced). Συνεχής σάρωση ενός πλαισίου. Εφαρμόζεται στους υπολογιστές. Η προοδευτική σάρωση γίνεται σε ολόκληρη την εικόνα η οποία ονομάζεται πλαίσιο (frame). Αυτός ο τρόπος σάρωσης έχει υιοθετηθεί από τη βιομηχανία υπολογιστών για οθόνες υψηλής ευκρίνειας με περίοδο σάρωσης ανά δευτερόλεπτο. 15
Τύποι σάρωσης οθόνης (4/4) Εικόνα 2: Προοδευτική ή συνεχής ή μη πεπεπλεγμένη σάρωση. Πηγή: Διδάσκων (2015). 16
Χαρακτηριστικά μεγέθη αναλογικού βίντεο (1/5) Κάθετη Ανάλυση (vertical resolution) ή Γραμμές ανά πλαίσιο (lines/frame). Πλήθος των διακριτών οριζόντιων γραμμών που απαρτίζουν το κάθε πλαίσιο του βίντεο. PAL: 625 γραμμές, SECAM: 625 γραμμές. NTSC: 525 γραμμές. 17
Χαρακτηριστικά μεγέθη αναλογικού βίντεο (2/5) Λόγος εικόνας (Aspect ratio). Είναι ο λόγος της οριζόντιας (πλάτους) προς την κάθετη διάσταση (ύψος) της εικόνας. Συμβατική τηλεοπτική εικόνα: 4:3. Τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας (High Definition TV ή HDTV): 16:9. Κινηματογράφος: 1.8:1 ή 2.35:1. 18
Χαρακτηριστικά μεγέθη αναλογικού βίντεο (3/5) Ρυθμός (ή συχνότητα) ανανέωσης πλαισίου (Frame rate or refresh rate). Πόσο συχνά ανανεώνεται το πλαίσιο της εικόνας στην οθόνη του δέκτη. Μετριέται σε μονάδες συχνότητας Hz (Hertz) ή σε fps (frames per second). Κινηματογραφικές Ταινίες (film) 24 fps. Συμβατική Τηλεόραση 25 (PAL) ή 30 (NTSC) fps. 19
Χαρακτηριστικά μεγέθη αναλογικού βίντεο (4/5) Κατακόρυφη συχνότητα (vertical frequency). Ρυθμός κατακόρυφης ανανέωσης της εικόνας. Μετριέται σε Hz (Hertz). Τυπικές τιμές είναι τα 50 ή 60 Hz. Οριζόντια συχνότητα (horizontal frequency). Ρυθμός οριζόντιας ανανέωσης της εικόνας. Εξαρτάται από το εύρος ζώνης. Μετριέται σε khz (KiloHertz). Τυπικές τιμές είναι τα 15.625 khz (PAL) και τα 15.734 khz (NTSC). 20
Χαρακτηριστικά μεγέθη αναλογικού βίντεο (5/5) Μοντέλο χρώματος (Color model). Ο τρόπος κωδικοποίησης της χρωματικής πληροφορίας που μεταφέρεται μαζί με το ασπρόμαυρο σήμα. Εύρος ζώνης βίντεο (Video bandwidth). Το εύρος συχνοτήτων που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση του αναλογικού σήματος βίντεο. 21
Βασικά χαρακτηριστικά της εικόνας Συμβατική «ασπρόμαυρη» τηλεόραση. Η εικόνα δημιουργείται καθώς μια δέσμη ηλεκτρονίων σαρώνει διαδοχικές γραμμές στην οθόνη και καθορίζει τον βαθμό φωτεινότητας των διαφόρων περιοχών. Σαρώνεται η οθόνη από τα αριστερά προς τα δεξιά κι από πάνω προς τα κάτω κι έτσι δημιουργείται ένα πλαίσιο του βίντεο. 22
Συμβατικά τηλεοπτικά συστήματα: PAL & NTSC (1/2) Ανάλυση / ρυθμός ανανέωσης πεδίου / διαπλοκή. 625 / 50 / 2:1 PAL (Phase Alternating Line). Διαπλεκόμενη (2:1) σάρωση με 625 οριζόντιες γραμμές συνολικά (576 ορατές). Ρυθμός ανανέωσης πλαισίου 25 Frames Per Sec (ή 50 Fields Per Second). Κατακόρυφη συχνότητα: 50 Hz, Οριζόντια συχνότητα: 15.625 khz. Λόγος εικόνας 4:3, Εύρος ζώνης βίντεο: 6.5 MHz. Μοντέλο χρώματος YUV. Χρησιμοποιείται σε Ευρώπη και Ασία. 23
Συμβατικά τηλεοπτικά συστήματα: PAL & NTSC (2/2) Ανάλυση / ρυθμός ανανέωσης πεδίου / διαπλοκή (Συνέχεια). 525 / 59.94 / 2:1 NTSC (National Television Standars Committee). Διαπλεκόμενη (2:1) σάρωση με 525 οριζόντιες γραμμές συνολικά (480 ορατές). Ρυθμός ανανέωσης πεδίου: ~30 frames per sec (ή 59.94 fields per second). Κατακόρυφη συχνότητα: 30 Hz, Οριζόντια συχνότητα: 15.734 khz. Λόγος εικόνας: 4:3, Εύρος ζώνης βίντεο: 4.5 MHz. Μοντέλο χρώματος: YIQ. Χρησιμοποιείται σε Βόρεια Αμερική & Ιαπωνία. 24
Συμβατικά τηλεοπτικά συστήματα: SECAM Ανάλυση / ρυθμός ανανέωσης πεδίου / διαπλοκή (Συνέχεια). 625 / 50 / 2:1 SECAM (Sequentiel Coleur A Memoire). Διαπλεκόμενη (2:1) σάρωση με 625 οριζόντιες γραμμές συνολικά (576 ορατές). Ρυθμός ανανέωσης πλαισίου: 25 Frames Per Sec (ή 50 Fields Per Second). Κατακόρυφη συχνότητα: 50 Hz, Οριζόντια συχνότητα: 15.625 khz. Λόγος εικόνας: 4:3, Εύρος ζώνης βίντεο: 6.5 MHz. Μοντέλο χρώματος: YUV. Παρόμοιο με PAL αλλά με ελαφρά καλύτερη ποιότητα εικόνας. Χρησιμοποιείται κυρίως σε Γαλλία και Ρωσία. 25
Τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας (1/3) Τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας (High Definition TV - HDTV): Σήμερα χρησιμοποιείται μόνο για ψηφιακά συστήματα. Λόγος διαστάσεων (16:9). Ανάλυση μέχρι και 1080 γραμμές σάρωσης. 720p: 1280 x 720 με προοδευτική σάρωση. 1080i: 1920 x 1080 με πεπλεγμένη σάρωση. 1080p: 1920 x 1080 με προοδευτική σάρωση. Ρυθμοί ανανέωσης πλαισίων 24, 25 ή 30 fps. 26
Τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας (2/3) Προβλήματα στην ανάπτυξη του HDTV. Ανάγκη συνύπαρξης με αναλογικά συστήματα. Συμβατότητα με περιεχόμενο (αναλύσεις, fps). Συμβατότητα με κανάλια (εύρος ζώνης). Πληθώρα διαθέσιμων προτύπων (διατήρηση τοπικών ασυμβατοτήτων). 27
Τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας (3/3) HDTV στην Ευρώπη: Σύστημα Digital Video Broadcasting (DVB). DVB-S & DVB-S2 (Satellite). DVB-C (Cable). DVB-T (Terrestrial). DVB-H (Hybrid). HDTV στις ΗΠΑ: Σύστημα ATSC. 28
Σχήματα κωδικοποίησης χρώματος Τρία βασικά σχήματα κωδικοποίησης έγχρωμου σήματος video (color encoding methods). Κατά φθίνουσα σειρά ποιότητας: Component. Y/C. Composite. 29
Σχήματα κωδικοποίησης χρώματος - Component Μεταφέρει τρία διαφορετικά συστατικά σήματα (Components) με βάση τα οποία αναπαράγει την πληροφορία της έγχρωμης εικόνας στο δέκτη. Μορφές Component είναι τα σήματα: RGB (καλύτερο ποιοτικά έγχρωμο σήμα). YUV. YIQ. YPrPb. YCrCb. 30
Από το RGB στο YUV Πρόβλημα στο RGB: Η μετάδοση των τριών σημάτων R, G και B είναι πλεοναστική Δεν υπάρχει ξεχωριστό το σήμα φωτεινότητας. Ανάγκη για μετασχηματισμό του σε σήματα: «Φωτεινότητας» (luminance, Y) : συμβατότητα με ασπρόμαυρους δέκτες. «Χρωματικότητας» (chrominance, U & V) : αξιοποιείται από έγχρωμους δέκτες. Έτσι εξασφαλίζεται συμβατότητα με την παλιά τεχνολογία της «ασπρόμαυρης» εικόνας video. Ακόμη: Μικρότερη ευαισθησία της ανθρώπινης όρασης στη χρωματικότητα. Μπορούμε να συμπιέσουμε το χρώμα περισσότερο. 31
YUV Το YUV προκύπτει από γραμμικό μετασχηματισμό του RGB. Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B. U = -0.147 * R - 0.289 * G + 0.436 * B. V = 0.615 * R - 0.515 * G + 0.100 * B. Όπου Υ η φωτεινότητα (luminance) και U & V η πληροφορία χρώματος (διαφορά χρώματος / color difference signal). Χρησιμοποιείται σε συστήματα τύπου PAL όπου: U = 0.492 * (B - Y). V = 0.877 * (R - Y). 32
Διόρθωση κατά «γ» Αρχική εικόνα Video: Πρωταρχικά σήματα R, G, B που καταγράφονται από το περιβάλλον. Φωτεινότητα Υ: Αναλογικό σήμα που καταγράφει το βαθμό φωτεινότητας της αρχικής εικόνας. ΌΜΩΣ η φωτεινότητα που παράγεται σε μια συσκευή (πχ. οθόνη) δεν είναι γραμμική συνάρτηση του εφαρμοζόμενου σήματος. Η μη γραμμική σχέση πρέπει να ληφθεί υπόψη για τη σωστή αναπαραγωγή της εικόνας. Η τεχνολογία video χρησιμοποιεί πάντοτε τα γ-διορθωμένα YUV, δηλαδή τα luma και chroma σήματα. 33
Τι σημαίνει στην πράξη η διόρθωση κατά «γ» (1/2) Η τεχνολογία μετατρέπει τα αρχικά R,G,B σε «διορθωμένα κατά γάμμα» (gamma corrected» σήματα R, G, B ). Παράγονται από τα RGB με μη γραμμικό τρόπο, δηλαδή με εξισώσεις που περιέχουν εκθετικούς όρους (συντελεστής γ). R = (1.099 * R0.45) 0.099. G = (1.099 * G0.45) 0.099. B = (1.099 * B0.45) 0.099. 34
Τι σημαίνει στην πράξη η διόρθωση κατά «γ» (2/2) Με βάση τα R, G & B παράγεται: a. Η «διορθωμένη κατά γ» φωτεινότητα που ονομάζεται luma Y. Y = 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B.. b. Η «διορθωμένη κατά γ» χρωματικότητα που ονομάζεται chroma, U, V. Τα σήματα luma & chroma χρησιμοποιεί η τεχνολογία (Y U V ). 35
YIQ Το YIQ προκύπτει από γραμμικό μετασχηματισμό του RGB. Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B. I = 0.596 * R + 0.274 * G + 0.321 * B. Q = 0.211 * R + 0.523 * G + 0.311 * B. Όπου: Υ: φωτεινότητα (luminance). I: In-Phase. Q: Quadrature (τετραγωνισμός). Χρησιμοποιείται σε συστήματα τύπου NTSC. 36
YPbPr & YCbCr YPbPr. Χρήση καταναλωτικές συσκευές Video αναλογικής τεχνολογίας. Pb και Pr: προσαρμοσμένες εκδοχές των U και V. YCbCr. Χρήση καταναλωτικές συσκευές Video ψηφιακής τεχνολογίας (π.χ. ψηφιακές κάμερες, συσκευές DVD, κλπ.). Cb και Cr: προσαρμοσμένες εκδοχές των U και V. Δημιουργεί το χρωματικό χώρο (color space) που χρησιμοποιεί συνολικά η τεχνολογία ψηφιακού βίντεο (DV). 37
Σχήματα κωδικοποίησης χρώματος - Y/C (1/2) Το σχήμα κωδικοποίησης χρώματος Y/C προκύπτει από το Component YUV ΣΥΝΘΕΤΟΝΤΑΣ σε ένα τα δύο σήματα χρώματος U & V. Μεταφέρει ΔΥΟ συνιστώσες συστατικών σημάτων: a. Ένα σήμα φωτεινότητας (luma) (Υ). b. Ένα σήμα χρώματος (chroma) (C). Μεγαλύτερη συμπίεση (λόγω σύνθεσης U & V). Χαμηλότερη ποιότητα από το YUV. 38
Σχήματα κωδικοποίησης χρώματος - Y/C (2/2) Εικόνα 3: Σχήματα κωδικοποίησης χρώματος - Y/C. Πηγή: Διδάσκων (2015). 39
Σχήματα κωδικοποίησης χρώματος - Composite Το σχήμα κωδικοποίησης χρώματος Composite προκύπτει με ΣΥΝΘΕΣΗ των luma (Y) και chroma (C) σε ΕΝΑ μοναδικό σύνθετο σήμα. Μεταφέρει ταυτόχρονα τις πληροφορίες φωτεινότητας, χρώματος αμαύρωσης και συγχρονισμού. Αναφέρεται και ως CVBS (από τα αρχικά των λέξεων Color, Video, Blanking, & Sync). Ακόμη Μεγαλύτερη συμπίεση χαμηλότερη ποιότητα από όλες τις μορφές σημάτων. 40
Σύνοψη Χαρακτηριστικά μεγέθη Αναλογικού Βίντεο. Συμβατικά τηλεοπτικά συστήματα: PAL, NTSC, SECAM. Τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας HDTV. Σχήματα κωδικοποίησης χρώματος: Component, Y/C, Composite. 41
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Νικολάου Σπύρος. «Τεχνολογία Πολυμέσων». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 42
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 43
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 44
Βιβλιογραφία 1. Τεχνολογία πολυμέσων, Δημητριάδης Σταύρος Ν., Πομπόρτσης Ανδρέας Σ., Τριανταφύλλου Ευάγγελος Γ. 2. Συστήματα Πολυμέσων: Αλγόριθμοι, Πρότυπα και Εφαρμογές, Havaldar P., Medioni G. 3. Πολυμέσα Αναλυτικός Οδηγός, 8η Έκδοση, Tay Vaughan. 4. Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες, Γεώργιος Β. Ξηλωμένος, Γεώργιος Κ. Πολύζος. 45
Τέλος Ενότητας