1.2.1.Adquisición y reproducción de video

Versión 2015/1

Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions

Universitat Politècnica de Catalunya

Xavi Giró, GDSA: “1.2.1 Adquisición y reproducción de vídeo” - Tardor 2015 @ EET, UPC, Terrassa

1

Objetivos

- Describir las técnicas básicas de adquisición y reproducción de video.

Al finalizar el tema, el alumno deberá ser capaz de :

-Relacionar los elementos de aspecto de las dimensiones de una pantalla.

-Explicar las ventajas e inconvenientes del muestreo temporal de las escenas.

-Conocer los valores típicos de muestreo temporal de los sistemas audiovisuales.

-Explicar las ventajas y desventajas de la exploración entrelazada.

-Relacionar la definición vertical con la resolución de un Sistema de exploración línea a línea.

-Relacionar la definición horizontal con el ancho de banda de una señal de video.

-Calcular el brillo y croma de un color expresado en coeficientes RGB.

En concreto, deberá ser capaz de:

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2

Temario

​

​

1. Introducción ←

​

2. Proyección en el plano

​

3. Campo de visión y relación de aspecto

​

4. Muestreo temporal

​

5. Exploración y definición espacial

​

6. Color y colorimetría

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3

Introducción

En el tema anterior se ha analizado el tipo de información visual que procesa el SVH y sus limitaciones.

En este tema se presentan los fundamentos y tecnologías que permiten la adquisición y reproducción de este tipo de señales por medio de equipos electrónicos.

Sistema de televisión

Adquisición

Reproducción

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Temario

​

​

1. Introducción

​

2. Proyección en el Plano ←

​

3. Campo de visión y relación de aspecto

​

4. Muestreo temporal

​

5. Exploración y definición espacial

​

6. Color y colorimetría

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Proyección en el plano

Los sistemas de adquisición convencionales proyectan escenas tridimensionales en el espacio sobre un plano.

Los sensores de luz se colocan sobre una superficie plana para captar la luz.

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6

Proyección en el plano

En sistemas 2D, se pierde gran parte de información de profundidad.

1. 1.-Pistas monoculares:
2. - Basado en experiencias previas (oclusiones, formas…)
3. -Cambios de posición relativa entre objetos y la cámara.
4. 2.-Movimiento de los ojos.
5. 3.- Diferencia entre dos imágenes captadas por la vista

✓

✗

✗

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Proyección en el plano

Los sistemas estereoscopicos trabajan con mas de una imagen adquirida desde disferentes puntos de vista.

1. 1.-Pistas monoculares:
2. - Basado en experiencias previas (oclusiones, formas…)
3. -Cambios de posición relativa entre objetos y la cámara.
4. 2.-Movimiento de los ojos.
5. 3.- Diferencia entre dos imágenes captadas por la vista.

✓

✗

✓

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Proyección en el plano

Existen dos grandes familias de sistemas de adquisición 3D basados en la luz.

Cámara estereoscópica

Cámara múltiple(N imágenes)

• Dos lentes sincronizadas en un mismo dispositivo.
• Lentes fijos (básico) o móviles (professional)

• Dispositivos de una sola lente fija.
• Las imágenes de cada cámara se procesan para generar un volumen

Sala CHIL @ UPC: http://www.canalupc.tv/media/vols-veure-una-sala-intelb7ligent

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9

Proyección en el plano

Los sistemas basados en el tiempo de vuelo (TOF-Time of Flight) utilizan infrarrojos(20 Mhz) en lugar de luz.

+info: http://ca.wikipedia.org/wiki/C%C3%A0meres_Time_of_Flight

• Se calculan mapas de profundidad a partir de la medido del tiempo en el que los impulsos emitidos tardan en ir volver deslas la cámara hasta los objetos asquiridos.
• Las cámaras PMD(Photonic Mixer Device) también adquieren la intensidad de los piexeles.

Ejercicio: ¿A qué distancia se encuentra la cámara de un objeto que devuelve el impulse de 6’66 ns después de ser emitido?

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Proyección en el plano

Los sistemas basados en los escaneres de luz estructurada (structured-light 3D scanner) proyectan un patrón de luz y capturan su reflexión sobre los objetos.

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Structured-light_3D_scanner

• Utilitzado en el Microsoft Kinect.

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Temario

​

​

1. Introducción

​

2. Proyección en el plano

​

3. Campo de visión y relación de aspecto ←

​

4. Muestreo temporal

​

5. Exploración y definición espacial

​

6. Color y colorimetría

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Campo de visión

Una vez que ya hemos proyectado una escena en un plano, se debe decidor que parte de este plano se debe transmitir (campo de vision).

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Campo de visión

El alcance del campo de vision se puede adaptar con un sistema de lentes opticos, que proyecte la luz sobre el área de sensores.

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Campo de visión

La mayoria de los sistemas de adquisición capturan imágenes mas anchas que altas, como lo hace el campo visual humano.

La forma es rectangular en lugar de elíptica por simplicidad de técnica.

A diferencia del SVH, la resolución es constante en total la zona de visión (por simplicidad, navegación...).

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Relación de aspecto

La relación de aspecto (W:H) – Aspect Ratio (AR) es el cociente entre el ancho y la altura de la vetana de observación.

La medida de las pantallas suele ser a partir del tamaño de la diagonal (D), en pulgadas (1'' = 2'54 cm).

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16

Relación de aspecto

En la televisión digital, existen dos tipos de relaciones de aspecto:

​

→ De reproducción (DAR – Display Aspect Ratio)

→ De píxel (PAR – Pixel Aspect Ratio)

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Pixel_aspect_ratio

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17

Ejercicio: ¿Qué altura y anchura en centrimetros tiene una pantalla de 16:9 de 14 pulgadas?

Ejercicio: Exprese el valor de W y H en función de la Diagonal D para una relación de aspecto 16:9

Relación de aspecto

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Ejercicio: ¿Qué ángulo de vision vertical α tiene un telespectador situado 6H de una pantalla?

Relación de aspecto

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19

Relación de aspecto

Anteriormente ➔ 4:3

Actualidad ➔ 16:9

Relación de aspecto 4:3 (o 1,33:1) para PAL, SECAM y las primeras emisiones de TV digital.

- Experimentos subjectivos hechos por NHK (1964) concluyeron que la relación de aspecto 15:9 era la más aceptada por los espectadores.

- Pero se adoptó el 16:9 debido a:

a) relación cuadrática simple con 4:3

b) similitud al cine

(1,67:1 a la UE·, 1,85:1 a USA)

+info: http://www.nhk.or.jp/strl/aboutstrl/evolution-of-tv-en/p16/index.html

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Relación de aspecto: Adaptación

4:3 en una pantalla de 16:9

16:9 en una pantalla de 4:3

(letterbox/widescreen)

La diversidad de relaciones de aspecto a menudo requieren de una adaptación del contenido.

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pantalla inutilizada

imagen tallada

compresión (distorsión)

4:3 en pantalla 16:9

A veces se adopta una solución que combina las diferentes opciones.

Relación de aspecto: Adaptación

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22

• También se han propuesto sistemas que se adaptan según la semántica de los contenidos.

Google: http://googleresearch.blogspot.com/2010/09/discontinuous-seam-carving-for-video.html

Relación de aspecto: Adaptación

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+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Television#Aspect_ratios

http://en.wikipedia.org/wiki/Aspect_ratio_%28image%29

Relación de aspecto

​

1.33:1 (4:3) y 1.78:1 (16:9)

​

1.85:1

​

2.35:1

​

1.5:1

​

1.33:1

Sistema

​

TV

​

Estándar de la Academia (cine)

​

Anamorphic scope (cine)

​

Fotografía analógica / iPhone

​

Fotografía digital & PCs

Ejemplos:

Relación de aspecto: Adaptación

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Temario

​

​

1. Introducción

​

2. Proyecció en el plano

​

3. Campo de vision y relació d'aspecte

​

4. Muestreo temporal ←

​

5. Exploración y definición espacial

​

6. Color y colorimetria

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25

Muestreo temporal

Resolución temporal

“Habilidad de un sensor (ojo, cámara) de distinguir dos impulsos de luz cercanos en el tiempo.”

Normalmente se mide en Hz.

​

​

​

​

​

Definición temporal

“Capacidad de un sistema de comunicación visual (TV) de muestreo de una frecuencia temporal máxima.”

​

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El SVH tiene dos limitaciones básicas a nivel temporal.

El sistema de televisión es utilizado para efecturar un muestreo temporal de las escenas, descomponiéndolas en cuadros (frames).

Resolución temporal: 40-60 Hz

​

Continuidad en el movimento: 12-15 Hz

​

Cuadro

Muestreo temporal

+info: http://ca.wikipedia.org/wiki/Quadre

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Se expresa en cuadros por segundo (fps-frames per second) o hertzs (Hz).

El SVH presenta:

Parpadeo: f_q < 50 Hz

Discontinuidad de movimento: f_q < 12-15 Hz

La frecuencia de cuadro (frame rate) es inverso al periodo de muestreo.

Una primera solución seria tomar f_q > 50 Hz.

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Frame_rate

Muestreo temporal

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Si se pretende reproducir la misma escena la reproducción muestra las imágenes muestreadas en una cadencia igual al period de muestreo

Sistema de televisión

Adquisición

Reproducción

f_q

f'_q

f'_q > f_q ➔ cámara rápida

f'_q < f_q ➔ cámara lenta

Muestreo temporal

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29

URL: http://youtu.be/2_HXUhShhmY

​

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Stop_motion

Muestreo temporal

Pregunta:¿Cómo se generan los vídeos “stop motion”?

(Enero 2009)

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URL: http://youtu.be/X5kmM98iklo

Muestreo temporal

Pregunta:¿Cómo se realizó el video “Nur ein Wort” los Wir sind Helden?

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Pregunta: A continuación se dan las frecuencias de cuadro para algunos sistemas populares. ¿Qué problema presentaría reproducir las imágenes sin alguna consideración?

Sistema

​

Cine mudo

​

Cine

​

TV Europa (PAL&SECAM)

​

TV USA & Japón (NTSC)

+info: http://www.cinemaweb.com/silentfilm/bookshelf/18_kb_2.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Broadcast_television_system

Frecuencia de cuadro

​

16-18 Hz

​

24 Hz

​

25 Hz

​

29'97 Hz ≃ 30 Hz

​

Muestreo temporal

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Con f_q > 50 Hz el SVH no se observa parpadeo alguno, pero la sensación de movimiento se obtendría con una frecuencia menor.

La frecuencia de cuadro incide muy directamente en la cantidad de recurso( ancho de banda, espacio de disco…) necesarios para la transmission / almacenamiento de la escena.

↑↑ f_q ⇒ ↑↑ € ⇒ ☹

Existen diferentes soluciones de ingeniería que explotan este margen de maniobra.

Muestreo temporal

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Persistence_of_vision

http://en.wikipedia.org/wiki/Motion_perception

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24 cuadros/s

Cinema analógico

48 cuadros/s (repetidos)

Ahorro de película y revelado (costos) tomando 24 imágenes/s.

Eliminación del parpadeo( flicker) con un disparo ante el proyector.

Cada cuadro se proyecta dos veces.

Muestreo temporal

+info: http://ca.wikipedia.org/wiki/Fotograma

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f_q=25 cuadros/s

f_q=30 cuadros/s

Televisión entrelazada

f_c=50 campos/s

f_c=60 campos/s

Cada imagen se descompone en dos campos (fields).

Ahorro de ancho de banda.

En los inicios, se sincronizaba con la frecuencia de oscilación de la red eléctrica, diferente según la zona del mundo + elimina la interferencia que produce la corriente.

Europa: 50 Hz

US i Japón: 60 Hz

Muestreo temporal

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Todo el proceso de muestreo puede ser problemático si la frecuencia de muestreo no es lo suficientemente alta como para captar la señal.

Teorema del muestreo o de Shannon.

Criterio de Nyquist

Sea X(f) una señal limitada en banda a W:

Entonces x(t) está determinado unívocamente por sus muestras en x(nT_s) si f_s > 2W, n entero.

Si no se cumple, se obtienen efectos visuales no deseados en la reproducción por efecto de un solapamiento en frecuencia (aliasing).

Muestreo temporal

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36

Ejercicio: ¿Hacia dónde gira la rueda en cada caso?

Muestreo temporal

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37

Demostración: El helicóptero congelado

Muestreo temporal

URLs: http://www.youtube.com/watch?v=rVSh-au_9aM

http://www.youtube.com/watch?v=ZHs563TxkeI

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38

Vídeo: Luz estroboscópica

Muestreo temporal

URL: http://www.youtube.com/watch?v=4XkywLza-9E

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39

Primera adquisición fotográfica.

¿Están las cuatro patas de los caballos al mismo tiempo en el aire?

Batería de doce cámaras siguiendo la pista.

“Horse in motion”

d'Eadweard Muybridge

Eadweard Muybridge

Muestreo temporal

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Eadweard_Muybridge

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40

Captura de las intantáneas con una sola cámara:

-Sobre una sola película

-Con un rifle fotográfico ( 12 fotogramas/Segundo)

Étienne-Jules Marey

Captura del vol d'un ocell

Muestreo temporal

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41

Kinetoscope (1893)

William K.L. Dickson, ayudante en el laboratorio de Thomas Edison.

Sistema de relojería para controlar la frecuencia de muestreo.

Sistema de perforación de los laterales para sincronizar..

Muestreo temporal

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42

Cinématographe (1895)

Auguste y Louis Lumière.

Sistema de cámara y proyector transportable y viable.

Sus inventores declaran: “Puede ser utilizado como distracción, pero no tiene ningún futuro commercial”:

Muestreo temporal

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Temario

​

​

1. Introducción

​

2. Proyección en el plano

​

3. Campo de visión y relación de aspecto

​

4. Muestreo temporal

​

5. Exploración y definición espacial ←

​

6. Color y colorimetria

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44

Exploración espacial

La proyección en el plano y el muestreo temporal transforman una escena 3D en una secuencia de imágenes 2D.

La exploración espacial (scan) define la conversión entre un señal 1D y una secuencia de imágenes 2D.

x

y

t

t

T_LA

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45

Exploración espacial

...

Señal 2D [ f(x,y) ]

Señal 1D [ s(t) ]

​

luminància aproximada de L(7)

La señal resultante está íntimamente relacionado con la luminancia captada por los fotosensores.

N_V ➔ Nombre de filas exploradas

Definición Estándard (SD): N_v = 576 en PAL, 486 en NTSC

Alta Definición (HD): N_v = 720 o 1080

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46

Exploración espacial

Ejercicio: Estudios empíricos han determinado que, en los museos, los visitantes acostumbran a mirar los cuadros desde cuatro veces el tamaño de la diagonal. Tomando este resultado como criterio de diseño, ¿Qué N_V mínimo debería tomar un Sistema de televisión 16:9 ?

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47

Exploración espacial

La exploración especial permite que la escena sea transmitida o almacenada línea a línea e imagen en imagen.

L(1)

L(2)

L(N_V)

L(1)

L(2)

...

Imagen N

Imagen N+1

Serialización de una escena B/N

...

...

T_LA ➔ Tiempo de línea activa

T_q ➔ Tiempo de cuadro

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48

Exploración espacial

Negre

Blanc

T_LA

t

T_LA

T_LA

T_s

T_LA

T_LA

T_LA

s(t)

Ejercicio: Dibuje sobre el eje dado la señal resultante de explorar por filas las siguientes escenas estáticas.

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49

Exploración espacial

La exploración entrelazada (interlaced) consiste en realizar un doble barrido de cada imagen, primero las líneas impares y luego las pares.�De esta manera la imagen queda dividida en dos campos (fields).�La técnica permite evitar problemas de parpadeo (flickering) en reproducción todo y adquirir imágenes a una frecuencia de muestreo temporal por debajo de los 50 Hz.

Camp A

Camp B

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Interlace

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50

Exploración espacial

Ejemplo: Los sistemas de difusión de televisión analógica trabajaban en modo entrelazado.

L(1)

...

Cuadro N

Imagen N+1

Serialización entrelazada de una escena B / N

...

...

L(3)

L(5)

L(N_V-1)

L(2)

L(4)

...

L(N_V)

L(1)

L(3)

f_cuadro=25 cuadros/s

f_cuadro=30 cuadros/s

f_campo=50 campos/s

f_campo=60 campos/s

Europa:

US y Japón:

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51

Exploración espacial

​

La exploración secuencial de las líneas se denomina exploración progresiva.

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Progressive_scan

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52

Exploración espacial

La exploración espacial se define tanto en la adquisición como en el reproducción del vídeo.

Distribució

Exploración

espacial en adqusición

Exploración

espacial en reproducción

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Exploración espacial

Ejemplo: Reproducción progresiva de un cuadro adquirido con exploración entrelazada.

Font: http://www.axis.com/products/video/camera/progressive_scan.htm

Pregunta: ¿Por qué el coche se ve borroso solo en la imagen de la derecha si en ambos casos se está moviendo ?

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Exploración espacial

Pregunta: Vea la siguiente secuencia de vídeo sobre un PC y identifíquese el efecto peine (combing effect). ¿Se puede eliminar?¿ Cómo?

Respostes: m.socrative.com

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Definición espacial

Resolución espacial

“Habilidad de un sensor (ojo, cámara) de distinguir dos puntos cercanos en el espacio. "�Se mide con un ángulo dentro del campo de visión.

​

​

​

​

Definición espacial

"Capacidad de un sistema de comunicación visual (TV) de mostrar una frecuencia espacial máxima."

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Frecuencia espacial

"Número de ciclos por unidad de longitud en una dirección espacial."�Es la medida básica en definición espacial.�Se entiende un "ciclo" como el paso de un nivel de brillo máximo (blanco) a un de mínimo (negro).

Definición espacial

Ciclo en dirección

vertical

Ciclo en dirección

horitzontal

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Definición espacial

La definición real de los dispositivos de reproducción se ve reducida por limitaciones electrónicas y de percepción.�Estas limitaciones se cuantifican con el factor Kell (k).

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Kell_factor

http://en.wikipedia.org/wiki/Line_moir%C3%A9

Los patrones que aparecen se llaman Figuras de Moiré.

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Definición espacial

La principal fuente de limitación a nivel de definición espacial se encuentra en la discretización de la imagen en CCD y / o píxeles.

Discretización

en líneas

Discretización

en malla (grid)

Cuestión: ¿Cuál teorema modela el efecto frecuencia de la discretización de una señal?

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Definición vertical

La definición vertical (V) se define como el número máximo de ciclos visibles en dirección vertical.

Pregunta: ¿Cuál es la definición vertical ideal de una pantalla de 1080 líneas?

Respostes: m.socrative.com

Pregunta: ¿Cuál es la definición vertical ideal de una pantalla N_v líneas?

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Definición vertical

En sistemas de exploración línea a línea (ej. CRT), la principal Discretización se da en la dirección vertical.��La definición vertical queda reducida de la siguiente forma:

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Kell_factor

El factor de Kell se mide en la práctica sobre cada dispositivo.

Dispositivos analógicos (ex. CRT entrellazado) ➔ k=[0'7, 0'8]

Dispositivos digitales (ex. TFT, LCD, plasma) ➔ k=[0'9, 1]

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Definició horizontal

La definició horitzontal (D_H) :

se define como el número máximo de ciclos visibles en dirección horizontal.

En el caso de una señal s (t) de vídeo analógico, la definición horizontal no está limitada por el proceso de exploración sino por su ancho de banda BW (suponiendo que la resolución del sistema de adquisición y la definición del de reproducción es suficiente).

Frecuencia máxima de s(t) ➔ BW (Hz)

​

Tiempo mínimo del ciclo de s(t) ➔ 1/BW (s)

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Definición horizontal

Si cualquier parte se visualiza como gris, significa que no se dispone del BW asociado al fragmento.

En el vídeo analógico, las cartas de ajuste son una señal de prueba que permiten estimar el ancho de banda disponible para el conjunto emisor, canal y receptor.

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Definición horizontal

Ejemplos de cartas de ajuste:

​

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Definición horizontal

Color ➔ No f_quadre ➔ 25 Hz

Entrelazado ➔ k = 0.8 D_H = 4 D_V /3

N_V ➔ 576

Ejercicio: Calcule la amplitud de banda aproximada de un señal de vídeo de las siguientes características:

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Definiciones y exploración

La combinación de los parámetros presentados en este tema han dado lugar a un sistema de etiquetado a las diferentes opciones de configuración:

1080p30

# línes (N_V)

Progresivo (p) / Entrelazado (i)

Imagenes / s (*)

16:9

N_H=1920

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/576i

(*) En entrelazado, EBU i SMPTE se refieren a campos pero a veces a otros cuadros.

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Definiciones y exploración

Existen una gran variedad de combinaciones utilizadas:

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Temario

​

​

1. Introducción

​

2. Proyección en el plano

​

3. Campo de visión y relación de aspecto

​

4. Muestreo temporal

​

5. Exploración y definición espacial

​

6. Color y colorímetria ←

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Color

T. Young (1802):

“Cualquier color se puede reproducir a partir de una mezcla adecuada de tres colores primaros”

Mescla additiva (RGB)

Mezcla substractiva (YCM)

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Additive_color

http://en.wikipedia.org/wiki/Subtractive_color

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Color

Para adquirir una escena de vídeo, el primer paso es substituir la dependencia en λ por tres muestras correspondientes a los colores primarios aditivos rojo(R), verde (G) y azul(B).

Escena 3D

f(x, y, z, t, λ)

f_G(x, y, z, t) =

= f(x, y, z, t, λ_G)

f_R(x, y, z, t) =

= f(x, y, z, t, λ_R)

f_B(x, y, z, t) =

= f(x, y, z, t, λ_B)

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Colorimetria

Es necesario que el sistema de reproducción trabaje con los mismos colores primarios que el sistema de adquisición.

La colorimetría es la medida, cuantificación y representación gráfica de los colores y los sus posibles combinaciones.

sistema de

televisión

rojo !

Cuál

rojo?

?

?

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Colorimetry

http://en.wikipedia.org/wiki/Spectrophotometer

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Colorimetria

El sistema de referencia más popular en sistemas de transmisión de televisión está basado en les radiaciones de los fósforos en el sistema de televisión NTSC antiguo.

Estos coeficientes se relacionan con los de la CIE

Primarios de televisión

Cuando nos referimos de manera genérica a los componentes RGB sin subíndice, estaremos hablando de este sistema de referencia.

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Colorimetria

Luminiscencia

+info: http://en.wikipedia.org/wiki/Luminance

http://en.wikipedia.org/wiki/Chrominance

Se representa por una suma ponderada de los componentes RGB y da una medida de la intensidad de una lámpara.

Crominància

Vector que diferencia entre un color y un blanco (gris) de la misma luminancia.

De donde

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Color y Colorimetria

Más detalles sobre el color y la colorimetría:

​

- Procesamiento digital de la imagen (PDI) @ Q5

​

- Material de estudio adicional

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Resumen

Los parámetros principales en la adquisición y reproducción de señales de vídeo :

Proyección en el plano De 3D a 2D

​

Muestreo temporal: f_s = 50-60 Hz

​

Exploración: De 2D a 1 (Entrelazado ➔ Kell)

​

Definición vertical: Exploración línea a línea (N_V, T_LA)

​

Definición horitzontal: Ancho de banda (caso analógico)

​

Componentes de color Primarios RGB o Y+Cr

​

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