Digitales Video
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• 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 (fA=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, CR, CB))
Digitales Video • Bei der Digitalisierung des FBAS-Signals steigt die Datenrate erheblich über 80 Mbit/s Abtastfrequenz muss ein Vielfaches der Farbhilfsträgerfrequenz betragen fT = 4*fsc = 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)
Digitales Video • Quantisierungsstufen beim Digital Composite Signal
Luminanzsignal
Durch Einbeziehung des Synchronsignals erfolgt eine Dynamikeinschränkung! Als genereller Studiostandard schlecht geeignet
Digitales Video • 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).
Digitales Video • Spezifikationen bei ITU-R BT.601 Parameter
Spezifikation 525 Zeilen / 59,94 Hz
625 Zeilen / 50 Hz
Y
858
864
CR, CB
429
432
System Abtastwert/Zeile
Bild-Abtastwert/Zeile
Abtastfrequenz
Y
720
CR, CB
360
Y
13,5 MHz
CR, CB
6,75 MHz
Quantisierung Nutzbare Stufenzahl
8 / 10 Bit Y
220 / 877
CR, CB
225 / 897
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• 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 CR und CB. • 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 625Zeilensystem 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.
Digitales Video • Abtast- und Quantisierungswerte nach ITU-R BT.601 Übersteuerungsreserve
Untersteuerungsreserve
Digitales Video • Um die digitalen Daten der Komponenten in einem Gesamtdatenstrom zu integrieren, werden sie wortweise im Zeitmultiplex in der Folge [CB Y1 CR] Y2 [CB Y3 CR] Y4 … übertragen
• Der Datenstrom umfasst beim 625-System 1728 Abtastwerte pro Zeile
Digitales Video • Vergleich der Abtaststrukturen
Digitales Video • 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
Digitales Video • Zusatzdatenbereiche in den Austastlücken
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Video-Datenreduktion
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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
Digitales Video • 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
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• 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)
Digitales Video • DPCM
Digitales Video • Interframeprädiktion
Bild N-1
Bild N
Bild N+1
Digitales Video • Diskrete Cosinustransformation (DCT)
DCT-Blockbildung
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Verteilung der Varianzen der Koeffizienten der DCTKoeffizienten in einem 8x8 Block. Berechnet aus einer großen Anzahl von Bildblöcken.
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Inverse Transformation jedes einzelnen Koeffizienten im DCT-Spektrum
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• „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
Digitales Video • DCT-Rücktransformation
MPEG-Videocodierung
MPEGVideocodierung
MPEG-Videocodierung
MPEG-Videocodierung
MPEG-Videocodierung
MPEG-Videocodierung • Quantisierungstabellen
Divisor für jeden Koeffizienten eines 8x8-DCT-Blocks
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.
MPEG-Videocodierung
Prädiktionsfehler, wenn Bewegungskompensation nicht angewendet wird.
Prädiktionsfehler bei Anwendung der Bewegungskompensation.
MPEG-Videocodierung
Demo nur mit INTRA-Frames
Demo mit sich abwechselnden I/BFrames
MPEG-Videocodierung
Demo mit IBBPBB-Sequenz
Demo mit IBBBPBBBPBBB-Sequenz
MPEG-Videocodierung
Demo mit einem Intra- und 60 PredictedFrames
MPEG-Videocodierung • Blockschaltbild des MPEG-Video Encoders
MPEG-Videocodierung • Blockschaltbild eines MPEG-Video-Decoders
MPEG-Videocodierung • Group of Pictures
Digitales Video • Profiles und Levels bei MPEG-2
MPEG-Videocodierung
Skalierbare Codierung von Videosignalen