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domingo, 13 de enero de 2019

Digitalizacion de señal de video


Digitalización de la señal de video
La digitalización consiste en representar una señal analógica por medio del sistema de numeración binario de unos y ceros. La digitalización de la señal  de video no sólo permite eliminar los problemas que se tienen con la señal analógica, sino que permite sofisticadas técnicas de compresión y edición de video.



Filtro pasa bajo
  Antes de muestrear cualquier señal analógica se debe filtrar en un filtro pasa bajo, de forma que limite su banda al valor máximo establecido en razon a la frecuencia de muestreo que se va a utilizar.
   Si no se realiza este filtrado aparecen frecuencias indeseables y, como consecuencia, el muestreo queda alterado, tal como se vera al estudiar dicho proceso.

Muestreo:
El muestreo consiste en medir el voltaje de la señal a intervalos regulares, capturando una muestra instantánea de la amplitud de la señal a diferentes puntos en el tiempo.




Cuantificación:

Se denomina cuantificación al proceso mediante el cual se atribuye a cada muestra un valor de amplitud dentro de un margen previamente fijado. Este valor se representa por un número que será convertido a un código de ceros y unos en el proceso de codificación.




Análisis de formatos
La norma ITU-R 601 define la toma de 858 muestras por línea en la norma NTSC y 720 muestras de líneas activas (la diferencia son muestras de sincronismo).
Asimismo define la frecuencia de muestro como 13.5 MHz.
Los 13.5 MHz se define por el sistema PAL
15625 (Frecuencia de línea) * 864 = 13.5 MHz
En el sistema NTCS: 13.5 MHz / 858 / 525 = 50.94 MHz
Los formatos de muestreo pueden ser 4:4:4, 4:1:1, 2:1:1 y 4:2:2

Formato 4:4:4
Se digitalizan los 3 componentes Y, CR y CB a 13.5 MHz.El caudal binario resultante es 40.5 MByte/s o 324 Mbit/s.

Formato 4:1:1
Se digitaliza el componente Y a 13.5 MHz y los componentes CR y CB a 3.375 MHz. El caudal binario resultante es 20.25 MByte/s o 162 Mbit/s

Formato 2:1:1
Se digitaliza el componente Y a 6.25 MHz y los componentes CR y CB a 3.375 MHz.
El caudal binario resultante es 13.5 MByte/s o 108 Mbit/s.

Formato 4:2:2
Se digitaliza el componente Y a 13.5 MHz y los componentes CR y CB a 6.25 MHz.

El caudal binario resultante es 27 MByte/s o 216 Mbit/s.






Necesidad de la compresión de la información de la señal de video
Las señales de video están formadas por una de luminancia y dos señales de diferencia de color B-Y y R-Y.
 Cada una de estas señales se muestrea independientemente, la primera  a 13,5MHz y las otras dos a 6,75 MHz, puede afirmarse que la señal completa de video se cuantifica mediante 27.000.000 de muestras por segundo.
Codificando cada una de estas muestras por 1 byte se tiene:
Numero de muestras x numero de bits por muestra = 27.000.000 x 8bits = 216 Mbits/s.
Este valor de 216 Mbits/s se denomina tasa binaria de la señal moduladora y supone un ancho de banda extremadamente ancho, por lo que es necesario reducirlos de alguna forma. Para esto se recurre a la denominada compresión digital, la cual se realiza actualmente mediante el estándar MPEG.
Dado que el pixel es una unidad básica de información demasiado pequeña para poder operar con ella, la información se estructura en unidades múltiplo del pixel:

-Bloque.
-Macrobloque.
-trama.
-Cuadro.
-Grupo de cuadros.
-Se denomina bloque a la matriz formada por 8x8 pixeles, y macrobloque a la formada por 16x16 pixels.
-El cuadro esta formado por varias tramas.

-Esta forma de dividir las imágenes facilita el acceso a las secuencias de la señal de video, permitiendo detectar  eliminar cualquier información que se repita.





Redundancia
En la técnica digital, donde si es posible la memorización de la información, es posible eliminar aquella que se repita, transmitiéndose solo una parte de esta.
 
Mediante la utilización de la memoria se podrá recomponer en el receptor la información original completa, recurriendo a los elementos repetidos memorizados y añadiendo los nuevos que se
reciban.
 
Esta técnica permite la transmisión de solo la información nueva. Con ello se obtiene un considerable ahorro tanto de memoria como del ancho de banda de la transmisión.
   Son tres las redundancias que pueden darse en una transmisión de señal de video digital:
- Redundancia temporal.
- Redundancia espacial.
- redundancia estadisitica.

Redundancia temporal

Consiste en dibujar un cuadro o fotograma completo, donde se dejan sin dibujar aquellos elementos de la imagen que supondrán el movimiento de esta.





Redundancia espacial

Esta información redundante se denomina espacial ya que lo es por espacios de imagen, y genera un cuadro de compresión intracuadro.




Redundancia estadísticas
  Las señales de sincronismo vertical y horizontal son predecibles, pues están normalizadas para que se generen en unos tiempos bien determinados. En este caso se dice que redundancia es estadística.

Estándar de compresión MPEG
El estándar de compresión MPEG se basa en la anulación de toda información que sea redundante, con lo cual se reduce considerablemente su ancho de banda, desde que  genera hasta que visualiza en el receptor, manteniendo la calidad de la imagen.

 Proceso MPEG-2 de compresión de la señal de video
  El estándar MPEG-2 esta optimizado para las transmisiones de televisión digital. La calidad de la imagen se mantiene en unos parámetros muy aceptables para velocidades de transmisión comprendidas entre 1,5 y 6 Mbps y soporta relaciones de aspecto 4:3 y 16:9.

Televisión digital terrestre

En la transmisión terrestre, es decir, en las transmisiones donde el medio utilizados a través de la atmosfera (igual que la televisión analógica), la señal encuentra en su trayectoria gran cantidad de obstáculos (montañas, edificios, torres de tendido eléctrico...), lo cual provoca reflexiones, ecos y rebotes. Como resultado, a la antena receptora le pueden llegar dos o mas señales: una de ellas directa y las demás reflejadas, que llegaran al receptor con retraso por recorrer una mayor distancia.




Receptor de televisión digital
La señal de entrada, procedente de la toma de usuario, se aplica en primer lugar al sintonizador, cuya función es elegir el canal de televisión (terrestre, por cable o vía satélite) y convertirlo a una frecuencia intermedia.
De esta forma, al igual que en la televisión analógica, se limita
el ancho de banda del canal y se evitan interferencias con los canales adyacentes y la frecuencia de imagen.
 El siguiente paso es la decodificacion de protección contra errores. la información digital ya libre de errores pasa al demultiplexor, una vez dexmultiplexada la señal digital, se decodifica digitalmente el programa elegido para el formato MPEG-2.

Las señales digitales de audio, video y datos se aplican luego a los respectivos conversores digital a analógico, las cuales se aplican a un codificador para obtener la señal de televisión analógica en estándar PAL, NTSC o SECAM.




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