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  • 1. Televisão Digital e HDTV - TV de Alta Definição Guido Stolfi Departamento de Telecomunicações Escola Politécnica - USP  G.S 2003
  • 2.
    • Evolução Tecnológica e Motivações
      • Características da TV convencional e Hi-Vision
    • Compatibilidade PC x TV
      • Considerações sobre meios de visualização
    • Televisão Digital: SDTV e HDTV
      • Compressão de Vídeo e Áudio
    • Transmissão Digital
      • ATSC, COFDM, ISDB-T
    • Apêndice: TV no mundo
  • 3. 1- Evolução Justificativas Tecnológicas Motivação  G.S 2003
  • 4. Evolução Tecnológica: Cinema  TV 1954 – TV a Cores NTSC 1986 – TV Estéreo 1941 – Padrão “M” 1925 – Primeiras Transmissões Experimentais “ Wide Screen” - 1952 Cinema falado - 1926 Cinema a Cores - 1939 Cinematógrafo - 1895 1930 – TV Comercial “IMAX” - 1970  G.S 2003
  • 5. Critérios para Dimensionamento dos Parâmetros de Imagem da TV
    • Aplicação (O que deve ser mostrado na imagem)
    • Acuidade Visual (O que o olho consegue discernir)
    • Limitações Tecnológicas (O que é viável transmitir)
  • 6. A Aplicação da Televisão Como Entretenimento
  • 7. Condições de Visualização da TV 640 pontos A = 480 linhas 7 x A 1 minuto de grau Elemento de Imagem (pixel)
  • 8. Padrão “M”: um Sistema Viável
    • 60 Imagens por segundo
      • Determinado por critérios de cintilação e interferências c/ rede elétrica
    • Entrelaçamento 2:1
    • Ângulo de visualização: 10 graus (hor.)
    • Relação de Aspecto: 4:3
    • 480 linhas ativas
    • 640 elementos de imagem por linha
      • Baseado no limite de acuidade visual de 1’
  • 9. Estagnação do Mercado de TV na Década de 80
      • Patentes Expiradas
      • Margens de Lucro Reduzidas
      • Concorrência Acirrada
      • Saturação do Espectro de Radiodifusão
      • Incompatibilidade com Cinema “Wide Screen”
  • 10. Ocupação da Banda de UHF
    • Devido à susceptibilidade de interferências nos receptores, a ocupação dos canais de UHF é muito rarefeita.
    • Em 1981, a FCC realoca os canais 70 a 83 de UHF para a telefonia celular.
    N-1, N+1, N+7, N+8, N+14, N+15 N Canais com Interferência Canal transmitindo
  • 11. Ameaça à Expansão da TV Comercial
    • Restrições de alocação de freqüências comprometem a expansão das emissoras de TV.
    • FCC pretende realocar mais canais de TV para serviços de comunicação móvel.
    • TV contra-ataca pedindo alocação de banda para um novo serviço: a TV de Alta Definição.
  • 12. “ Hi-Vision” (NHK- 1964-1985)
    • 1035 Linhas Ativas
    • Relação de Aspecto 16:9
    • 60 Imagens por segundo
    • Entrelaçamento 2:1
    • Ângulo de Visualização: 30 graus (hor.)
    • Banda Passante: >20 MHz
  • 13. Hi-Vision (NHK, 1985) NHK
  • 14. Dimensionamento do Ângulo de Visualização para HDTV
  • 15. Ocupação do Campo Visual
  • 16. Relação de Aspecto da HDTV
    • Compatibilidade com imagens 4:3
    4  3 (12  9) 4  3 4  3 4  3 16 9
  • 17. Relação de Aspecto da HDTV
    • Compatibilidade com formatos de Cinema
  • 18. Comparação do Campo Visual TV  HDTV NHK
  • 19. Alternativas para “Simulcasting” em TV Centralizada (Ação) “ Close” (Expressão) “ Letterbox” (Ação total)
  • 20. “ Simulcasting”em HDTV Enquadramento típico de TV (640 x 480) Interpolação para HDTV (1440 x 1080)
  • 21. “ Simulcasting” em Condições Reais de Visualização (Perspectiva deformada)
  • 22. Dimensões Ideais da Tela 75 x 130 cm (60”) 30 x 40 cm (20”) 2,5 m 100 x 190 cm (85”) 45 x 60 cm (29”) 3,5 m 150 x 260 cm (120”) 61 x 82 cm (40”) 5 m 48 x 85 cm (38”) 21 x 28 cm (14”) 1,6 m 23 x 45 cm (20”) 10 x 13 cm (6”) 80 cm HDTV TV Convencional Distância de Observação
  • 23. TV de “Mesma Definição” 1920 640 480 1080 1’
  • 24. Requisitos de Implantação da HDTV
    • Equipamentos de produção (câmeras, VT’s, efeitos, etc.)
    • Cenografia, iluminação
    • Direção, interpretação
    • Programação adequada ao meio
  • 25. Implantação da HDTV nos EUA: Concessões da FCC
    • 1 canal adicional, não contíguo, para transmissão de HDTV
    • Transmissão em “Simulcast”
    • Canal adicional sujeito a interferências de TV convencional
    • Canal adicional não pode interferir na TV convencional.
  • 26. Propostas Analógicas de HDTV
    • Ex.: Philips HDS-NA (1989)
  • 27. Philips HDS-NA
  • 28. Testes Preliminares nos EUA
    •   Propostas Analógicas de HDTV com canal adicional não tem desempenho satisfatório. O uso de processamento digital é a única saída viável para comprimir a informação de HDTV em um canal de comunicação de 6 MHz (ex.: proposta General Instruments).
    • Enquanto a HDTV aguardava definições, a tecnologia desenvolvida encontrou aplicação imediata na Televisão Convencional, com atrativos como multiplicar a capacidade do canal de comunicação e permitir serviços adicionais.
  • 29. Transmissão Analógica x Digital 1 Programa de TV Convencional 1 Canal analógico de 6 MHz (AM-VSB) 1 Programa de TV Convencional 1 Canal digital de 25 MHz (ex.: QAM)  
  • 30. Transmissão Digital com Compressão 6 Programas de TV ou 1 Programa de HDTV 1 Canal digital de 6 MHz 
  • 31. Decisão da HDTV nos EUA
    • Quatro propostas digitais são testadas; FCC não se decide por nenhuma
    • Prevendo fracasso comercial, os 4 proponentes apresentam uma proposta única, a “Grande Aliança”
    • FCC homologa proposta, que inclui compressão e transporte MPEG, áudio AC-3 e transmissão 8-VSB, e estabelece prazo (2006) para fim das transmissões analógicas.
  • 32. 2- Compatibilidade PC x TV Convergência Condições de Uso Condições de Visualização
  • 33. Previsão do Futuro...
    • “ Dentro de 3 anos não teremos mais aparelhos de TV, apenas computadores com telas de alta qualidade e programação digital, recebendo ABC, NBC, HBO, BBC e qualquer coisa que pudermos imaginar.”
    • (Andrew Lippman – Diretor, MIT Media Lab - 1989)
  • 34. PC x TV Digital: Elementos Comuns
    • “ Display” (Cinescópio, LCD etc.)
    • Processamento Digital
    • Som
    • Controle (“data entry”)
  • 35. Objetivo do PC: Manipulação de Documentos
    • Interatividade, análise e criação de informação textual e visual
    • Metáfora: Mesa de Trabalho
  • 36. Objetivo da Televisão: Entretenimento Áudio-visual
    • Percepção de realidade virtual obtida através da ilusão dos sentidos (visão e audição), especialmente através de imagens em movimento.
  • 37. Processos Visuais para Determinação de Distância
    • Foco Ocular
    • Visão Binocular / Disparidade
    • Paralaxe de Movimento
    • Fator de Escala de Objetos Conhecidos
    • Texturas e Saturação
  • 38. Foco Ocular
    • Informação intensa para curtas distâncias (< 1m)
  • 39. Visão Binocular
    • Informação fortíssima para curtas distâncias (dentro do alcance físico); decresce até distâncias médias (< 100 m)
  • 40. Paralaxe de Movimento
    • Depende da amplitude do movimento; em condições de visualização normal é intensa para distâncias curtas (< 10 m)
  • 41. Fator de Escala
    • Forte para qualquer distância (centímetros a quilômetros); depende de aprendizado
    1m 500m
  • 42. Texturas / Saturação
    • Estimativa razoável para distâncias longas (até vários km)
    Perto Longe Muito longe
  • 43. Diferenças na Percepção de Distâncias 2,5 metros 80 cm
  • 44. PC  TV
    • Televisão: Janela para o mundo
      • Imagens reais
      • Entretenimento
      • Ilusão de realidade
      • Receptividade
      • Coletividade
      • Escuro
    • PC: Mesa de Trabalho
      • Imagens artificiais
      • Leitura / escrita
      • Criação / desenho
      • Interação
      • Interpretação
      • Individualidade
      • Claro
  • 45. Tecnologias de Visualização
    • Visão direta:
      • Cinescópio (TRC)
      • Tela de Plasma
      • Cristal Líquido (LCD) retro-iluminado
    • Projeção (frontal ou retro) :
      • Com TRC’s
      • Micro-espelhos
      • Cristal Líquido transmissivo
  • 46. Caracterização das Tecnologias de Dispositivos de Visualização
    • Colorimetria
    • Peso, volume
    • Custo
    • Durabilidade
    • Ângulo de visualização
    • Persistência luminosa
  • 47. Persistência Luminosa da Imagem
  • 48. Efeito Visual da Persistência
  • 49. Telecinagem (Pull-down 3:2)
  • 50. Requisitos do Sistema de Visualização
    • Reprodução de Movimento:
      • Persistência baixa
      • Mesma taxa de varredura que a captura da imagem (ex.: 60 Hz, 2:1)
    • Reprodução de textos:
      • Persistência alta
      • Taxa de varredura determinada pela cintilação (ex.:  75 Hz, p)
  • 51. 3- Televisão Digital Conceitos Compressão de Dados
  • 52. Previsão do Futuro...
    • “ Nós teremos Televisão Digital no mesmo dia que tivermos a máquina de anti-gravidade”.
    • Joe Flaherty, vice-presidente de
    • Tecnologia da CBS, 1989
  • 53. Do Que é Feita a TV Digital
    • Amostragem + Quantização
    • Compressão de Dados
    • Formatação de Dados
    • Transmissão Digital
  • 54. Elementos de um Sistema de Comunicação Digital
  • 55. Necessidade de Compressão de Dados Padrão D-1 (CCIR 601): 1 linha = 720 amostras de Luminância + 2× 360 amostras de crominância 720 pixels/linha × 482 linhas × 30 frames = 10.411.200 pixels/s × 8 bits × ( 1 + 1/2 + 1/2) = 166,58 Mbit/s   Padrão D-2 (Digital Composto): 1 linha = 51  s ; Taxa de Amostragem = 14,31818 MHz 14,31818 MHz × 51  s = 730 amostras / linha × 482 linhas × 30 frames = 10.555.800 amostras/s × 8 bits = 84,45 Mbit/s Padrão D-6 (HDTV Digital): 1920 pixels × 1080 linhas × 30 frames = 62.208.000 pixels/s × 8 bits (1 + 1/2 + 1/2) = 995 Mbit/s
  • 56. Capacidade de Canais para Comunicação Digital
    • Cabo Coaxial (Modulação 64-QAM)
    • Relação Sinal/Ruído Maior que 30 dB
      • Taxa Bruta: 43 MBits/s
      • Taxa Líquida: 38 MBits/s
    •  
    • Radiodifusão / UHF (Modulação 8-VSB)
    • Relação Sinal/Ruído Maior que 15 dB
      • Taxa Bruta: 38 MBits/s
      • Taxa Líquida: 19 MBits/s
    •  
    • Satélite DTH ( Direct to Home ) (Modulação QPSK)
      • Taxa Bruta: 40 MBits/s
      • Taxa Líquida: 18 MBits/s
  • 57. Codificador com Preditor
  • 58. Compensação de Movimento
  • 59. Codificador “Com Perdas”
    • Sinal reconstruído não é exatamente igual ao sinal transmitido;
    • Objetivo: eliminar informação a ser transmitida, desde que o erro de reconstrução seja imperceptível em condições normais de visualização .
  • 60. MPEG: Moving Pictures Experts Group
    • Participantes:
      • ISO
      • IEC
      • ITU
        • EBU
        • SMPTE
        • ATSC
  • 61. Padrões MPEG
    • ISO/IEC 11172a (MPEG-1)
      • Imagens não entrelaçadas
      • Compensação de Movimento
      • DCT + Quantização + RLE / Huffman
      • Objetivo: taxas de até 1,5 Mbit/s
      • Videoconferência, multimídia
      • Áudio Estereofônico
  • 62. Padrões MPEG
    • ISO 13818-1 (Sistema / Transporte)
      • Pacotes de comprimento fixo
      • Fluxo de Dados Multi-programa
    • ISO 13818-2 (Codificação MPEG-2 Vídeo)
      • Imagens entrelaçadas
      • Taxas até 20 a 100 Mb/s
    • ISO 13818-3 (Codificação MPEG-2 Áudio)
      • 5.1 canais
      • Quantização adaptativa / sub-bandas
  • 63. Codificador MPEG
  • 64. Transformada Discreta de Cossenos (DCT)
  • 65. Primitivas da Transformada Discreta de Cossenos (DCT)
  • 66. Quantização dos Coeficientes Q(u,v) = (Imagens tipo I ) 83 69 56 46 38 35 29 27 69 56 46 38 34 29 27 26 58 48 40 35 32 29 27 26 48 40 35 32 29 27 26 22 40 37 34 29 27 26 22 22 38 34 34 39 27 26 22 19 37 34 29 27 24 22 16 16 34 29 27 26 22 19 16 8
  • 67. Exemplo de Codificação DCT Bloco 8 x 8 94 78 76 65 68 69 79 87 83 65 61 55 59 64 71 85 75 58 68 77 70 60 65 79 70 68 88 126 104 68 61 67 69 70 106 154 122 71 58 63 73 66 104 144 113 68 59 62 72 69 85 109 90 66 59 63 73 64 61 70 66 61 55 52
  • 68. Coeficientes DCT -1 0 -1 -1 -2 -1 -1 -1 -2 1 -3 2 -1 2 -1 -4 -1 2 0 -1 -3 3 1 -10 1 -4 1 -1 -2 -13 -8 11 3 0 6 -9 -15 35 13 -50 -5 7 10 -30 -25 77 8 -46 6 -6 -7 11 9 -62 -21 7 3 -1 -20 55 25 -62 -29 -415
  • 69. Coeficientes DCT Quantizados 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 -1 2 0 -2 0 0 0 0 0 5 0 -2 0 0 0 0 0 -4 -1 0 0 0 0 1 1 -3 -3 -26
  • 70. Reordenação em Zig-zag [ -26 -3 0 -2 -1 -3 1 -4 0 -2 1 0 5 0 1 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 -1 EOB ]
  • 71. Codificação RLE (Run-Length Encoding ) [ -26 0/-3 1/-2 0/-1 0/-3 0/1 0/-4 1/-2 0/1 1/5 1/1 3/2 6/-1 EOB ] 1o. coeficiente Número de zeros anteriores Valor do coeficiente Símbolo
  • 72. Codificação Huffman por Tabela de Códigos 111001010 001011 0001101 111 001011 110 00001101 0001101 110 0000000110110 0110 001001000 0001011 10 Total: 87 bits (Compressão: 5,9 :1) EOB -26 0/ ± 3 Sinal(-)
  • 73. Efeitos da Compressão (DCT+Quantização) Imagem Original (40x40) Imagem Comprimida ~20:1
  • 74. Efeitos em Blocos Típicos
  • 75. Compensação de Movimento
  • 76. Predição de Movimento Bidirecional
  • 77. Grupos de Imagens em MPEG
  • 78. Perfis MPEG-2 Todos os recursos e codificação 4:2:2 (Dobro de amostras de Crominância) Alto (HP) Codificação Hierárquica com níveis diferentes de prioridade para imagem 4x3 e 16x9 Escalável Espacial (SSP) Codificação Hierárquica com níveis diferentes de prioridade para imagem básica e detalhes Escalável em SNR (SNRP) Predição bidirecional ( Quadros tipo B) Principal (MP) Nenhum (Sistema Mínimo) Simples (SP) Recursos Adicionais Perfil
  • 79. Níveis de Desempenho MPEG-2 20 ~ 100 Mb/s 1080 Linhas x 1920 Pontos (Formato HDTV - Qualidade Estúdio) Alto (HL) 20 ~ 60 Mb/s 1080 Linhas x 1440 Pontos (Formato HDTV) Alto-1440 (H14L) 4 ~ 6 Mb/s 480 Linhas x 720 Pontos ( CCIR-601 - Qualidade Estúdio p/ TV Convencional) Principal (ML) ~1,5 Mb/s 240 Linhas x 360 Pontos ( qualidade VHS) Baixo (LL) Taxa de Bits Formato de Vídeo Nível
  • 80. Exemplos de Formatos MPEG-2
    • [email_address] = Multimídia, Vídeo-Conferências (~ MPEG-1)
    • [email_address] = SDTV ( Ex.: DirecTV, DigiSat, DVB )
    • [email_address] = Radiodifusão Terrestre HDTV
  • 81. Transporte de Dados: Estrutura do Pacote MPEG-2 Vídeo 1 Áudio 1 Áudio 2 Vídeo 1 Vídeo 1 Vídeo 1
  • 82. Estrutura do “Header”
  • 83. Descrição do PID (Packet Identifier) Tipo de Pacote: 0h = Mapa de Programa 1h = Vídeo 4h = Áudio Principal 5h = Áudio Secundário Ah = Dados   tttt Número do Programa (1 - 255) pppppppp Programa TV / Outros x
  • 84. Multiplexação de Programas
  • 85. 4 - Compressão de Áudio Codificação Perceptual MPEG / AC-3
  • 86. Sensibilidade do Ouvido Humano
  • 87. Mascaramento Nível do Estímulo (dB) Limiar de Mascaramento
  • 88. Codificação por Sub-bandas
  • 89. Codificador MPEG-Áudio
  • 90. Modelo Psico-Acústico
  • 91. Cálculo do Limiar de Mascaramento
  • 92. Padrões MPEG-1 de Codificação MPEG-1 Nível I: Quadros de 12 amostras por sub-banda (384 amostras e 32 sub-bandas); Taxas de amostragem de 32kHz, 44.1 kHz ou 48 kHz mono ou estéreo;   MPEG-1 Nível II (MUSICAM): Quadros de 1152 amostras por sub-banda (menor &quot;overhead&quot; ); Análise de espectro para o modelo psico-acústico com FFT de 1024 pontos; Codificação estatística agrupando 3 amostras consecutivas em um único código;   MPEG-1 Nível III (MP3): Modelo psico-acústico mais elaborado; Transformada de cossenos (DCT) para subdividir as Sub-bandas Aplicação de janelas temporais curtas ou longas antes da DCT; Pode usar Quantizador não-linear : Y=Q(X0.75]); Codificação de Huffman nas amostras quantizadas; Memória Elástica (&quot;Buffer&quot;) para regularizar a taxa média de bits;    
  • 93. Padrão MPEG-2 de Codificação   MPEG-2 (Níveis I, II, III): Suporte para 5.1 canais (HDTV), com predição adaptativa dos canais adicionais baseada nos canais L e R; Prevê suporte para até 7 canais adicionais de voz (multilingual); Codificação e decodificação compatível com MPEG-1 (sintaxe inclui um fluxo de dados compatível com MPEG-1 carregando os canais L e R); Aceita outras taxas de amostragem (16, 22.05 e 24 kHz).
  • 94. Codificador Dolby AC-3
  • 95. Desempenho dos Codificadores 45 ms 290 kb/s 3,53 Mb/s 12:1 5.1 DOLBY AC-3   384 kb/s 3,53 Mb/s 10:1 5.1 MPEG-2 / III >80 ms 128 kb/s 1,41 Mb/s 8:1 2 MPEG-1 / III >40 ms 256 kb/s 1,54 Mb/s 6:1 2 MPEG-1 / II (MUSICAM)   292 kb/s 1,41 Mb/s 5:1 2 ATRAC 19 ms 384 kb/s 1,41 Mb/s 4:1 2 MPEG-1 / I Atraso A/D/A Taxa Comprimida Taxa Original Taxa Média de Compressão Canais Padrão de Compressão
  • 96. 5 – Transmissão Digital Benefícios Sistemas Propagação
  • 97. Limitações da Transmissão Analógica Degradações causadas pelo Canal de Comunicação: -Distorção (Não-linearidade) -Ruído (Aditivo; aleatório e impulsivo) -Perdas (Atenuação, Limitação de Banda Passante, &quot;Fading&quot;) -Interferências (Aditivas, de origem humana)
  • 98. Taxa de Erros x Relação Sinal/Ruído
    • QPSK:
  • 99. Qualidade de Imagem x Relação S/R S/N (dB) Qualidade Aparente
  • 100. Benefícios da Correção de Erros S/R (dB) Qualidade Aparente
  • 101. Transmissão Digital: Benefícios
    • Compatibilidade de Meios de Transmissão
  • 102.
    • Compatibilidade de Serviços
    Transmissão Digital: Benefícios
  • 103. Transmissão Digital: Benefícios
    • Melhor aproveitamento do espectro
    Canais Analógicos Canais Analógicos + Digitais
  • 104. Transmissão Digital: Benefícios
    • Melhor aproveitamento geográfico
    Área de Cobertura Área de Interferência Potencial Transmissão Analógica Transmissão Digital
  • 105. Sistema ATSC – Codificação de Fonte e Transporte
  • 106. Sistema ATSC – Codificação de Canal e Modulação
  • 107. Codificador Convolucional e Mapeador 8-VSB
  • 108. Segmento Multinível com Piloto e Sincronismo
  • 109. Desempenho do Sistema ATSC
  • 110. Envoltória e Espectro do 8-VSB
  • 111. Multi-percurso e Equalização Equalizador Adaptativo no Receptor  t1 -k1 -k2 -kn  t2  tn SINAL PROCESSADO SINAL RECEBIDO Modelo da Distorção por Multi-percurso  t1 k1 k2 kn  t2  tn SINAL TRANSMITIDO
  • 112. Cancelamento de Eco pelo Equalizador SINAL TRANSMITIDO SINAL PROCESSADO SINAL RECEBIDO COM ECOS RUÍDO IMPULSIVO RECEBIDO RUÍDO PROCESSADO
  • 113. Modulação COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex)
  • 114. Efeito de Multi-percurso no COFDM
  • 115. Diagrama Tempo/Freqüência
  • 116. Sistema ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting – Terrestrial) EXEMPLO 1 EXEMPLO 2 EXEMPLO 3 HDTV SDTV 1 móvel ou estacionária SDTV 2 móvel ou estacionária Áudio estéreo Áudio estéreo INTERCALAMENTO INTERCALAMENTO 432 kHz 432 kHz 5,6 MHz 5,6 MHz RECEPTOR INTEGRADO RECEPTOR MÓVEL RECEPTOR ÁUDIO PORTÁTIL
  • 117. Parâmetros do ISDB-T (6 MHz)
  • 118. Comparação entre 8-VSB e COFDM Communications Lab
  • 119. De Onde Vem o Eco de 0 dB P1 P2 h1 h2 d
  • 120. Tendência Futura: Receptor Multi-padrão
    • Processamento Digital de Sinais pode implementar qualquer sistema
    Tuner A/D Processador Digital Memória Vídeo Áudio
  • 121. Apêndice Sistemas de Radiodifusão de TV no Mundo
  • 122. O Brasil No Mundo da TV - 2.0 31.000.000 149 Indonésia - 2.4 37.000.000 628 França - 2.5 39.000.000 653 Inglaterra - 3.0 48.000.000 586 Alemanha 12 3.8 59.000.000 343 Brasil - 3.9 61.000.000 421 Rússia - 5.1 81.000.000 78 Índia 18 5.8 92.000.000 725 Japão 48 15.4 242.000.000 854 Estados Unidos - 23.7 373.000.000 293 China % total 60 Hz % total mundial Aparelhos de TV Aparelhos de TV / 1000 hab País
  • 123. Sistemas de TV no Mundo 50 Hz 1064 mi 68% 60 Hz 506 mi 32%
  • 124. Sistemas de TV no Mundo – 60 Hz NTSC PAL-M NTSC/Jp
  • 125. Sistemas de TV no Mundo – 50 Hz
  • 126. Sistemas de TV Digital