Digitales Video. Digitales Video

Transkript

1 Digitales Video

2 Analoges Signal ist durch Bildwandlung weitgehend quantisiert Zeitlich in Einzelbilder und räumlich in Zeilen Beim Einsatz eines CCD-Bildwandlers werden Bildpunkte gebildet Videosignal wird bei der Übertragung wieder in ein zeitkontinuierliches Signal überführt Videosignal muss digitalisiert (Filterung, Abtastung etc.) werden Bei 5 MHz Bandbreite ergibt sich eine Datenrate von 80Mbit/s (f A =10MHz, Quantisierung erfolgt mit 8 Bit, da menschliches Auge höchstens 200 Graustufen unterscheiden kann) Für die Übertragung wird eine Bandbreite von mindestens 40 MHz (NRZ (Non Return to Zero) - Kodierung) benötigt Digitale Videosignale beruhen auf den bekannten analogen Signalformen (FBAS bzw. RGB haben kaum Bedeutung, viel wichtiger ist das Digital Component Signal (Y, C R, C B ))

3 Bei der Digitalisierung des FBAS-Signals steigt die Datenrate erheblich über 80 Mbit/s Abtastfrequenz muss ein Vielfaches der Farbhilfsträgerfrequenz betragen f T = 4*f sc = 4 * 4,43 MHz = 17,72 MHz Abtastpunkte werden in Nulldurchgänge und Scheitelpunkte der Farbhilfsträgerschwingung gelegt Auch der Synchronimpuls und der Burst werden digitalisiert Aus jeder Zeile werden 1134 Abtastwerte gewonnen Digital Composite Signal ist für die Übertragung mit 8 oder 10 Bit definiert (177Mbit/s)

4 Quantisierungsstufen beim Digital Composite Signal Luminanzsignal Durch Einbeziehung des Synchronsignals erfolgt eine Dynamikeinschränkung! Als genereller Studiostandard schlecht geeignet

5 Digital Component Signal Aufteilung in die drei Komponenten für Helligkeit und Farbdifferenzen ermöglicht gegenüber FBAS-Signalen eine wesentlich bessere Signalverarbeitungs- und Übertragungsqualität. ITU-R BT.601 Um die Unterschiede zwischen den Systemen in den USA und Europa zumindest auf der digitalen Ebene möglichst gering zu halten, wurde die Abtastfrequenz für das Luminanzsignal mit 13,5 MHz festgelegt. Für die Farbdifferenzsignale wurde dieser Wert halbiert (6,75 MHz).

6 Spezifikationen bei ITU-R BT.601 Parameter Spezifikation System 525 Zeilen / 59,94 Hz 625 Zeilen / 50 Hz Abtastwert/Zeile Y C R, C B Bild-Abtastwert/Zeile Y 720 C R, C B 360 Abtastfrequenz Y 13,5 MHz C R, C B 6,75 MHz Quantisierung 8 / 10 Bit Nutzbare Stufenzahl Y 220 / 877 C R, C B 225 / 897

7 In allen Fernsehsystemen ist die aktive Zeile durch die horizontale Austastlücke begrenzt. Mit ITU-R 601 wurde für die europäische und US-Norm gleichermaßen festgelegt, dass die aktive Zeile 720 Luminanz-Abtastwerte enthält und je 360 für C R und C B. Aus 720 dividiert durch 13,5 MHz ergeben sich 53,33 µs, die digitale aktive Zeile ist somit länger als die analoge aktive Zeile, deren Dauer im 625- Zeilensystem 52 µs beträgt. Bei der Digitalisierung von analogen Material werden nur 702 Bildpunkte genutzt! Die restlichen 18 Bildpunkte fallen in die H-Austastlücke. Horizontal stehen pro Halbbild 288 aktive Zeilen zur Verfügung.

8 Abtast- und Quantisierungswerte nach ITU-R BT.601 Übersteuerungsreserve Untersteuerungsreserve

9 Um die digitalen Daten der Komponenten in einem Gesamtdatenstrom zu integrieren, werden sie wortweise im Zeitmultiplex in der Folge [C B Y 1 C R ] Y 2 [C B Y 3 C R ] Y 4 übertragen Der Datenstrom umfasst beim 625-System 1728 Abtastwerte pro Zeile

10 Vergleich der Abtaststrukturen

11 Synchronisationssignale und Zeitreferenz Nach ITU-R 601 wird das vollständige Komponentensignal einschließlich der Austastlücken abgetastet, allerdings wird der negativ gerichtete Synchronimpuls NICHT mit in die Quantisierung mit einbezogen, da andernfalls der SNR unnötig verschlechtert würde. Die Information, dass eine Zeile zu ende ist kann mit einem einzigen Bit codiert werden. Ein weiteres Bit ist erforderlich um horizontale und vertikale Synchronisationinformation zu unterscheiden. Diese beiden Bits sind besonders wichtig und werden deshalb fehlergeschützt und umgeben von besonders gut erkennbaren Bitkombinationen als Timing Referenz Signal (TRS) übertragen. Das TRS tritt pro Zeile zweimal auf. Am Anfang und am Ende der aktiven Zeile. Diese Zeitreferenzen werden als SAV (Start of Active Video) und EAV (End of Active Video) bezeichnet

12 Zusatzdatenbereiche in den Austastlücken

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14 Video-Datenreduktion

15 Redundanzreduktion: Lauflängen-Codierung (Run-length Encoding (RLE)) : Muster-Vergleich (Pattern matching): Verwendung eines Code-Buches Statistische-Codierung: z.b. Huffman Codierung Irrelevanzreduktion: Reduktion der Quantisierungsstufen Downsampling: Farbdifferenzsignale benötigen nicht die Bandbreite wie Luminanzsignale Farbtabellen Differentielle Codierung Prädiktive Codierung

16 Vorliegen von Ähnlichkeiten im Bild selbst, bzw. zwischen Bildfolgen (örtliche bzw. zeitliche Korrelation) Änderung meist auf die Bewegung von Objekten zurückzuführen Große Flächen haben oft ähnliche Farb- und Grauwerte Mittlere Grauwerte sind häufiger zu finden als Schwarz und Weiß Räumliche Korrelation typischer Bilder Bewegungskompensation

17 Variable Lauflängencodierung Einige Werte treten häufiger auf als andere. Codewörter für häufig auftretende Werte werden möglichst kurz gehalten, selten auftretenden Werten werden längere Codewörter zugewiesen (vgl. Morsealphabet) Damit dieses Verfahren effizient arbeitet muss dafür gesorgt werden, dass die Unterschiede in den Auftrittswahrscheinlichkeiten möglichst groß werden, d.h., dass viele Werte möglichst häufig und nur wenige Werte selten auftreten. Anwendung der Huffman Codierung Weitere Steigerung der Effektivität durch Lauflängencodierung (Run Length Coding, RLC)

18 DPCM

19 Interframeprädiktion Bild N-1 Bild N Bild N+1

20 Diskrete Cosinustransformation (DCT) DCT-Blockbildung

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22 Verteilung der Varianzen der Koeffizienten der DCT- Koeffizienten in einem 8x8 Block. Berechnet aus einer großen Anzahl von Bildblöcken.

23 Inverse Transformation jedes einzelnen Koeffizienten im DCT-Spektrum

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26 Zick-Zack -weises Auslesen der quantisierten DCT-Koeffizienten aus einem 8x8 Block. Nur Koeffizienten, die ungleich Null sind werden codiert. Anwendung einer Lauflängencodierung Übertragung der Quantisierungsintervallgrößen, die für jeden Block adaptiert werden kann --> Kontrolle der Übertragungsrate

27 DCT-Rücktransformation

28 MPEG-Videocodierung MPEG- Videocodierung

29 MPEG-Videocodierung

30 MPEG-Videocodierung

31 MPEG-Videocodierung

32 MPEG-Videocodierung Quantisierungstabellen Divisor für jeden Koeffizienten eines 8x8-DCT-Blocks

33 MPEG-Videocodierung Zu codierender Frame N Frame N-1 wird zur Prädiktion des Inhalts von Frame N herangezogen. Die hier dargestellten Bewegungsvektoren gehören nicht zum Bild.

34 MPEG-Videocodierung Prädiktionsfehler, wenn Bewegungskompensation nicht angewendet wird. Prädiktionsfehler bei Anwendung der Bewegungskompensation.

35 MPEG-Videocodierung Demo nur mit INTRA-Frames Demo mit sich abwechselnden I/B- Frames

36 MPEG-Videocodierung Demo mit IBBPBB-Sequenz Demo mit IBBBPBBBPBBB-Sequenz

37 MPEG-Videocodierung Demo mit einem Intra- und 60 Predicted- Frames

38 MPEG-Videocodierung Blockschaltbild des MPEG-Video Encoders

39 MPEG-Videocodierung Blockschaltbild eines MPEG-Video-Decoders

40 MPEG-Videocodierung Group of Pictures

41 Profiles und Levels bei MPEG-2

42 MPEG-Videocodierung Skalierbare Codierung von Videosignalen