Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones LA IMAGEN DIGITAL

Transcripción

1 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones LA IMAGEN DIGITAL Constantino Pérez Vega Aspectos históricos: tubos de cámara. Iconoscopio (c ) 2

2 Orthicón de Imagen (1940 a c.1980) 3 Disector de imagen (c ) (se usó muy poco) 4

3 Vidicón (c ) 5 Plumbicón Trinicón Saticón 6

4 7 8

5 9 Apariencia de los CCD 10

6 Diversos tipos de CCD 11 CCD de línea 12

7 Sensor de una línea 1 píxel Sensor de tres líneas 1 píxel 13 Escáner CCD de sobremesa 14

8 Escáner CIS (Contact Image Sensor) 15 Microlente y filtro de color LUZ INCIDENTE MICROLENTE FILTRO DE COLOR FOTODIODO 16

9 Estructura de un CCD Area de imagen Paquete de cerámica o plástico Patillas de conexión Conexiones con hilo de oro Almohadillas de conexión Substrato de silicio Amplificador en chip Registro en serie 17 Optica Interna Separa la luz incidente de la escena en tres colores primarios, generalmente rojo, verde y azul, mediante el empleo de espejos, filtros o prismas dicroicos 18

10 Generación de la señal de vídeo cromático espejo neutro sensor rojo E R Luz reflejada por la escena Rojo azul + verde dicroico azul verde sensor verde E G dicroico rojo azul sensor azul E B espejo neutro SISTEMA OPTICO EXTERNO SISTEMA OPTICO INTERNO CONVERSION OPTO-ELECTRICA Arquitectura de prismas en una cámara de 3 CCD OPTICA EXTERNA OPTICA INTERNA CCD AZUL SISTEMA DE PRISMAS PARA SEPARACION DE COLORES LUZ INCIDENTE CCD VERDE LENTE CCD ROJO 20

11 CCD de transferencia de cuadro 21 CCD de transferencia de línea 22

12 Filtro Bayer 23 24

13 25 26

14 Imagen digital RGB 4:4:4 27 Formato 4:4: Luminancia y crominancia a plena resolución. Píxels/cuadro: 3x720x480 = 1'036,800 Flujo de datos: 8 x 30 x 1'036,800 = = Mbit/seg. 28

15 Y NTSC Formato 4:2:2 480 líneas activas por cuadro 720 muestras/línea 480 C r El número de elementos de imagen (píxels) por cuadro resulta: 480( ) = 691,200 Codificando cada muestra a 8 bits: x 8 = 5'529,600 bits 5.3 MBytes 480 C b El flujo binario resultante será: 5.3 MB/cuadro x 30 cuadros/seg = 159 MB/s

16 Muestreo 4:2: Formato 4:2:0 480 Luminancia: 480 líneas activas Crominancia: 240 líneas activas Píxels por cuadro: 720 x x 240 x 360 = 518,400 píxels 240 Flujo de datos: 518,400 x 8 x 30 = Mbit/s

17 Muestreo 4:2:0 33 Ancho de Banda requerido por la señal digital: Radiodifusión Terrestre de TV y Cable: 6 MHz (NTSC) y 7 u 8 MHz (PAL) Señal digital en el entorno del estudio, sin modulación digital: 216 MHz (4:2:2) 27 canales PAL de 8 MHz 324 MHz (4:4:4) 40 canales PAL de 8 MHz PARA UNA SOLA SEÑAL DE VÍDEO Satélite: Suponiendo transpondedores de 36 MHz : 6 canales de satélite (4:2:2) 9 canales de satélite (4:4:4) 34

18 Jerarquía de codificación 4:4:4 4:2:2 4:2:0 Tipos de imagen posibles HDTV Relación de aspecto 16:9. Aprox líneas/cuadro. Barrido entrelazado o progresivo EDTV Relación de aspecto 4: líneas. Barrido progresivo SDTV Relación de aspecto 4:3. 525/625 líneas. Barrido entrelazado. 35 Generación y CAD Producción/Postproducción 4:4:4 4:2:2 4:2:0 Flujo de transporte MUX Flujo MPEG-2 Audio digital Compresión Otros datos 36

19 Señal analógica Recomendación UIT BT Vídeo digital 4:4:4 324 Mbit/s RGB 4:2:2 216 Mbit/s YCrCb 4:2:0 162 Mbit/s YCrCb COMPRESION H.261 MPEG1, MPEG2, H.263 MPEG4 Visual, H.264/MPEG4 AVC VC-1 (WMV9) INTRODUCCION A LA COMPRESION DE VIDEO 38

20 Compresión de vídeo: Se basa en aprovechar las propiedades de las imágenes y las características perceptuales del sistema visual humano: Redundancia espacial Redundancia temporal Compactación de energía Eliminación de información irrelevante Respuesta visual humana Compresión de audio Se basa principalmente en la explotación de las características psicofisiológicas del sistema auditivo humano: Enmascaramiento Respuesta en frecuencia del oído interno (cóclea) Compactación de energía Compresión: Es la reducción del flujo o tasa binaria: Reduciendo la información redundante Eliminando la información irrelevante Información redundante: Información superflua, presente varias veces en el flujo binario, o que no contiene información, o que puede recuperarse fácilmente sin pérdidas, mediante un proceso matemático simple en el receptor. Información irrelevante: Es la que no puede ser percibida por el sistema visual humano, de modo que puede ser eliminada sin pérdida de la calidad subjetiva

21 Redundancia Espacial Zonas con elementos de imagen similares, aunque con algunas variaciones más notorias perceptualmente Zonas en que los elementos de imagen son prácticamente iguales con muy pocas variaciones entre uno y otro Redundancia temporal Cuadros sucesivos Objetos en movimiento Entre cuadros sucesivos la información entre cuadros es la misma, excepto en la posición de los objetos en movimiento. La información redundante entre cuadros se puede eliminar 42 42

22 Imagen Original 1 pixel = 1 muestra Y+ Cr + Cb Dominio espacial 8x8 pixels Dominio de la transformada 8x8 coeficientes DCT Procesado en el Estudio Calidad de contribución Cuantificación perceptual Algoritmos de compresión Señal comprimida Propiedades de compactación de coeficientes de diversas transformadas Imagen original Fourier DCT Seno discreto Hadamard Karhunen-Loeve 44 44

23 Bajas frecuencias espaciales Altas frecuencias espaciales la DCT parte el área de la imagen en frecuencias discretas en dos dimensiones 45 Bloque original de 8 x 8 valores de intensidad de la imagen

24 Bloque original de 8 x 8 transformado mediante la DCT El bloque transformado se divide luego elemento a elemento por los elementos de una matriz de cuantificación perceptual. Como el ojo percibe peor las altas frecuencias espaciales, los coeficientes correspondientes a estas frecuencias se reducen en mayor medida que los coeficientes correspondientes a las bajas frecuencias 48

25 Coeficientes de cuantificación perceptual

26

27 Compensación de movimiento tiempo Imagen de referencia Predicción hacia adelante Imagen actual Imagen de referencia Predicción hacia atrás 53 Reducción de redundancia temporal 54

28 Codificación híbrida Vídeo digital no comprimido Residuo Coeficientes Modelo temporal Modelo espacial Codificador de entropia Salida codificada Vectores de movimiento (códigos binarios cortos) Imágenes previas y futuras 55 Flujo óptico 56

29 Cuadro n Cuadro n ± k Diferencia 57 Residuos bloques de 16 x 16 bloques de 8 x 8 El residuo es la resta de la predicción del codificador y de la señal actual de entrada bloques de 4 x 4 58

30 Codificación de recorrido frecuencia horizontal frecuencia vertical Evolucion de la capacidad de compresión 60 60

31 Y todo esto para qué? 61 Grado de utilización del espectro en TV analógica Ch 6 Ch 7 Ch 8 Ch 9 Ch 10 No se pueden usar canales adyacentes porque producen interferencia Sólo un programa por canal El espectro sólo puede aprovecharse en un 50% 62

32 Grado de utilización del espectro en TV digital Ch 6 Ch 7 Ch 8 Ch 9 8-VSB COFDM COFDM 8-VSB De 4 a 6 programas por canal Pueden utilizarse los canales adyacentes Aprovechamiento espectral prácticamente de 100% 63 Los canales analógicos pueden coexistir con canales digitales adyacentes sin interferencia Ch 6 Ch 7 Ch 8 Ch 9 Ch 10 8-VSB COFDM 64

33 Formatos de codificación (no deben confundirse con formatos de compresión) CIF (Common Intermediate Format) Usado para estandarizar las resoluciones horizontal y vertical en píxels de secuencias de vídeo en componentes YCbCr. Se diseñó para convertir fácilmente PAL NTSC y se propuso inicialmente en el estándard H.261. Define una secuencia de vídeo con resolución de 352(H)x288(V) y una frecuencia de cuadro de 30000/1100 (aprox cuadros/seg) con codificación de color YCbCr 4:2:0. QCIF (Quarter CIF). Significa "un cuarto de CIF" y ocupa la cuarta parte del área en CIF. La altura y el ancho se reducen a la mitad. También se utilizan SQCIF (Sub Quarter CIF), 4CIF (4 CIF) y 16CIF (16 CIF) Formato Resolución (HxV) SQCIF QCIF CIF CIF CIF

34 Todos los formatos XCIF resultan en imágenes con relación de aspecto 4:3 Los tamaños de imágen XCIF son múltiplos de macrobloques (16x16 píxels) Por ejemplo, una imagen CIF (352x288) corresponde a 22x18 macrobloques. 4CIF es adecuado para SDTV (TV estándard) y DVD CIF y QCIF se usan generalmente para videoconferencia QCIF o SQCIF son adecuados para aplicaciones multimedia móviles Original 5.03 x 3 MB 2592 x 1944 pixels 68

35 640 x 480 píxels 307 x 3 KB x 240 píxels 76.8 x 3 KB 70

36 160 x 120 píxels 20.4 x 3 kb 71 Formatos de computadora 72

37 Wavelets: Electroencefalograma de una persona normal 73 Wavelets: Electroencefalograma de un paciente con Alzheimer 74