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