Lektor:
Kurz:
DIGITALIZACE OBRAZU
ROZHRANÍ PRO PŘENOS
VIDEOTECHNIKA A MULTIMÉDIA
Kamil Říha
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
2 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
000
001
010
011
100
101
110
111
kvantování
vzorkování (pulzní amplitudová modulace)
kódování
u
Tvz t
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
3 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Standardní rozlišení – SD (Standard Definition)
• definován v doporučení ITU-R BT.601 (International Telecommunication Union)
• vzorkování videosignálu pro současné TV přenosové soustavy
• definuje dva poměry stran: 4:3 a 16:9
• a dvě prokládané soustavy podle počtu řádků:
• 525 / 60 půlsnímků za sekundu (soustava NTSC)
• 625 / 50 půlsnímků za sekundu (soustava PAL)
• tři kanály 𝑌, 𝐶 𝑅, 𝐶 𝐵, jsou určeny z analogových zdrojových signálů 𝐸 𝑅
′
, 𝐸 𝐺
′
, 𝐸 𝐵
′
• pro kompletní rekonstrukci barvy postačí pouze jasová a dvě doplňkové složky
• luminanční (jasový) kanál:
𝐸 𝑌
′
= 0,299 𝐸 𝑅
′
+ 0,587𝐸 𝐺
′
+ 0,114 𝐸 𝐵
′
• rozdílové chrominanční složky:
𝐸 𝑅
′
− 𝐸 𝑌
′
= 𝐸 𝑅
′
− 0,299 𝐸 𝑅
′
− 0,587𝐸 𝐺
′
− 0,114 𝐸 𝐵
′
= 0,701𝐸 𝑅
′
− 0,587𝐸 𝐺
′
− 0,114 𝐸 𝐵
′
𝐸 𝐵
′
− 𝐸 𝑌
′
= 𝐸 𝐵
′
− 0,299 𝐸 𝑅
′
− 0,587𝐸 𝐺
′
− 0,114 𝐸 𝐵
′
= 0,299𝐸 𝑅
′
− 0,587𝐸 𝐺
′
+ 0,886 𝐸 𝐵
′
• v modelu 𝑌𝐶 𝑅 𝐶 𝐵 je možné snadno pracovat s faktem, že lidské zrakové ústrojí je málo citlivé
na barevnou informaci
• složky 𝐶 𝑅 𝐶 𝐵 je možné podvzorkovat, tj. pro několik obrazových bodů můžeme použít stejnou
informaci o barvě, tj. stejné hodnoty složek 𝐶 𝑅 𝐶 𝐵
• jasová informace (složka 𝑌) je přenášena pro každý obrazový bod
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
4 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Prokládané řádkování
lichý půlsnímek (25 FPS) sudý půlsnímek (25 FPS)
výsledný snímek 50i FPS
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24 24
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
i – interlace, prokládaný
FPS: Frames Per Second
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
5 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vzorkování 4:4:4 pro SD
matice 𝑌, 𝐶 𝑅, 𝐶 𝐵 mají stejnou velikost
frekvence vzorkování
každého ze tří kanálů
odpovídá pro 625/50i
625 ∙ 864 = 540 000 pixelů
za 1 s je vzorkováno 25
celých snímků, takže
540 000 ∙ 25 = 13,5 ∙ 106
vzorků za 1 s
pouze 720 chrominančních vzorků
na řádku je aktivních, zbytek je
tzv. digitální zatemnění, ve kterém
je možné přenášet doplňková data
(zvuk, teletext, titulky, … )
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
6 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Šablona filtru jednoho kanálu při vzorkování 4:4:4
By Recommendation ITU-R BT.601-7, International Telecommunication Union, ITU-R, 2011
f [MHz]
útlum[dB]
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
7 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vzorkování 4:2:2 pro SD
matice 𝑌, 𝐶 𝑅, 𝐶 𝐵 mají shodné vertikální rozlišení, chrominanční mají poloviční
horizontální rozlišení
frekvence vzorkování
chrominančního kanálu
odpovídá pro 625/50i
625 ∙ 864/2 =
= 625 ∙ 432 = 270 000
pixelů, tj.
270 000 ∙ 25 = 6,75 ∙ 106
vzorků za 1 s
pouze 360 chrominančních vzorků
na řádku je aktivních, zbytek je
tzv. digitální zatemnění, ve kterém
je možné přenášet doplňková data
(zvuk, teletext, titulky, … )
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
8 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Šablona filtru chrominančního kanálu při vzorkování 4:2:2
By Recommendation ITU-R BT.601-7, International Telecommunication Union, ITU-R, 2011
útlum[dB]
f [MHz]
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
9 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vzorkování 4:1:1
matice 𝑌, 𝐶 𝑅, 𝐶 𝐵 shodné vertikální rozlišení, chrominanční mají čtvrtinové
horizontální rozlišení
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
10 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vzorkování 4:2:0
matice 𝐶 𝑅, 𝐶 𝐵 mají poloviční horizontální i vertikální rozlišení oproti 𝑌
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
11 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Datový tok
• jednotlivé vzorky řádku 4:2:2 uspořádané do časového multiplexu:
• datové toky pro různé bitové rozlišení a modely vzorkování:
pixel 1 pixel 2 pixel 3 pixel 4 pixel 5 pixel 6 pixel 7
…
CR Y CB Y CR Y CB Y CR Y CB Y CR Y CB
4:4:4 4:2:2
8
bitů
𝑌: 13,5 𝑀𝐻𝑧 ∙ 8 𝑏𝑖𝑡 = 108 𝑀𝑏𝑖𝑡 𝑠
𝐶 𝑅: 13,5 𝑀𝐻𝑧 ∙ 8 𝑏𝑖𝑡 = 108 𝑀𝑏𝑖𝑡 𝑠
𝐶 𝐵: 13,5 𝑀𝐻𝑧 ∙ 8 𝑏𝑖𝑡 = 108 𝑀𝑏𝑖𝑡 𝑠
= 324 𝑀𝑏𝑖𝑡/𝑠
𝑌: 13,5 𝑀𝐻𝑧 ∙ 8 𝑏𝑖𝑡 = 108 𝑀𝑏𝑖𝑡 𝑠
𝐶 𝑅: 6,75 𝑀𝐻𝑧 ∙ 8 𝑏𝑖𝑡 = 54 𝑀𝑏𝑖𝑡 𝑠
𝐶 𝐵: 6,75 𝑀𝐻𝑧 ∙ 8 𝑏𝑖𝑡 = 54 𝑀𝑏𝑖𝑡 𝑠
= 216 𝑀𝑏𝑖𝑡/𝑠
10
bitů
𝑌: 13,5 𝑀𝐻𝑧 ∙ 10 𝑏𝑖𝑡 = 135 𝑀𝑏𝑖𝑡 𝑠
𝐶 𝑅: 13,5 𝑀𝐻𝑧 ∙ 10 𝑏𝑖𝑡 = 135 𝑀𝑏𝑖𝑡 𝑠
𝐶 𝐵: 13,5 𝑀𝐻𝑧 ∙ 10 𝑏𝑖𝑡 = 135 𝑀𝑏𝑖𝑡 𝑠
= 405 𝑀𝑏𝑖𝑡/𝑠
𝑌: 13,5 𝑀𝐻𝑧 ∙ 10 𝑏𝑖𝑡 = 135 𝑀𝑏𝑖𝑡 𝑠
𝐶 𝑅: 6,75 𝑀𝐻𝑧 ∙ 10 𝑏𝑖𝑡 = 67,5 𝑀𝑏𝑖𝑡 𝑠
𝐶 𝐵: 6,75 𝑀𝐻𝑧 ∙ 10 𝑏𝑖𝑡 = 67,5 𝑀𝑏𝑖𝑡 𝑠
= 270 𝑀𝑏𝑖𝑡/𝑠
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
12 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké rozlišení – HD (High Definition)
• definován v doporučení ITU-R BT.709-6 (International Telecommunication Union)
• vzorkování videosignálu pro současné TV přenosové soustavy
• charakteristika obrazové matice:
• poměr stran: 16:9
• poměr stran jednoho pixelu: 1:1 (čtverec)
• vzorkovací mřížka: ortogonální
• počet vzorků na aktivním řádku: 1920
• počet aktivních řádků v jednom snímku: 1080
• luminanční (jasový) kanál:
𝐸 𝑌
′
= 0,2126 𝐸 𝑅
′
+ 0,7152𝐸 𝐺
′
+ 0,0722 𝐸 𝐵
′
• a od něj se odvíjející chrominanční složky 𝐶 𝑅 𝐶 𝐵
• dále jsou ve standardu stanoveny:
• souřadnice referenčních barev RGB v prostoru CIE 1931
• nelineární (exponenciální) korekce opto-elektronické přenosové funkce
• kvantování (všechny úrovně nejsou využity pro obrazová data, ale např. pro časování )
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
13 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké rozlišení – HD (High Definition)
formát
snímkování
snímání [Hz] přenos
60/P 60 nebo 60/1.001 progresivně progresivní
30/P 30 nebo 30/1.001 progresivně progresivní
30/PsF 30 nebo 30/1.001 progresivně segmentovaný snímek
60/I 30 nebo 30/1.001 prokládaně prokládaný
50/P 50 progresivně progresivní
25/P 25 progresivně progresivní
25/PsF 25 progresivně segmentovaný snímek
50/I 25 prokládaně prokládaný
24/P 24 nebo 24/1.001 progresivně progresivní
24/PsF 24 nebo 24/1.001 progresivně segmentovaný snímek
• progresivní: jeden celý snímek
bez jakéhokoli prokládání
• prokládaný: střídavě sudé a liché
řádky v separátních (půl)snímcích
• segmentovaný snímek:
progresivně nasnímaný obraz,
přenášený ve dvou separátních
prokládaných půlsnímcích
• varianty xx/1,001 byly zavedeny
kvůli modulování při přenosu v
soustavě NTSC (bylo nutné o něco
málo změnit FPS, aby lépe
vycházely poměry k nosné zvuku
ve smyslu vzájemných
intermodulací)
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
14 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Ultra High Definition (UHD)
625
720
1080
2160
4320
SD HD ready
full HD
4K UHD
8K UHD
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
15 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Studiová rozhraní
• jsou definována pro přenos nekomprimovaného obrazového signálu
• existuje několik standardů, zejména podle
• typu přenosu:
• paralelní: 25 pinový port pro SD, 93 pinů pro HD
• sériová: multiplex přenášený po koaxiálním, nebo optickém kabelu
• rozlišení: SD, HD
• definovány v různých standardech ITU (viz tabulka dále)
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
16 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Specifikace studiových rozhraní
aktivní rozlišení
[šířka×výška]
celkové rozlišení
[šířka×výška]
poměr stran
snímkový
kmitočet [Hz]
vzorkování
kanálu Y [MHz]
SD nebo HD paralelní sériový
720×576p 864×625p 4:3 50 27 SDTV - BT.1362
1280×720p 1650×750p 16:9 59,94 74,176 HDTV SMPTE 274M -
1280×720p 1650×750p 16:9 60 74,25 HDTV SMPTE 274M -
1920×1080p 2200×1125p 16:9 59,94 148,35 HDTV
BT.1120,
SMPTE 274M
-
1920×1080p 2200×1125p 16:9 60 148.5 HDTV
BT.1120,
SMPTE 274M
HDTV
BT 1120 BT 1120
1920×1080p 2376×1125p 16:9 50 148,5 HDTV BT.1120 -
1920×1080i 2376×1250i 16:9 25 74,25
SDTV720×480i 858×525i 4:3 29,97 13,5
SDTV
720×480p 858×525p 4:3 59,94 27 SDTV
720×576i 864×625i 4:3 25 13,5
SDTV
960×480i 1144×525i 16:9 29,97 18 SDTV
960×576i 1152×625i 16:9 25 18
HDTV
1920×1080i 2200×1125i 16:9 29,97 74,176 HDTV
1920×1080i 2200×1125i 16:9 30 74,25
BT656, BT799
SMPTE 125M
BT656, BT799
BT.1362,
SMPTE 294M
BT656, BT799 BT.656, BT.799
-
BT.1120,
SMPTE 274M
BT.1120,
SMPTE 292M
BT 1302, BT 1303,
SMPTE 267M
BT 1302, BT 1303
BT.1302, BT.1303 BT.1302, BT.1303
BT 1120,
SMPTE 292M
BT 1120,
SMPTE 274M
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
17 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Plně analogová rozhraní
• kompozitní video: barevný video stream
namodulovaný na jeden fyzický kanál
• rozlišení: 480i, 576i
• S-video: jasový a chrominanční signál jsou přenášeny
po separátních vodičích (3, 4), zbylé dva jsou GND
• existují další varianty (7, 9 pinů)
• komponentní video: jeden jasový a dva
chrominanční kanály
• maximální rozlišení: 2160p
• SCART (Syndicat des Constructeurs d'Appareils Radiorécepteurs et Téléviseurs):
• navržen pro přenos SD videa i obousměrného audia
• 21 pinů
• obsahuje kompozitní i komponentní video
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
18 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Rozhraní Video Graphics Array (VGA)
• uvedeno 1986
• pro spotřební elektroniku
• analogový přenos video signálů RGBHV
(red, green, blue, horizontal sync, vertical
sync) a digitálních dat pro základní
komunikaci mezi zařízeními (informace o
rozlišení, natočení, gama korekce…)
• pouze analogový přenos
• konektor DE-15
• maximální rozlišení 2048×1536
• napájení 5V ± 5 % min. 300 mA max. 1A
• 15 pinů
• délka kabelu do cca 10 - 15 m
• v současnosti zastaralý
• možná pasivní konverze na DVI-I, DVI-A
By Duncan Lithgow and Mobius via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
19 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Rozhraní Digital Flat Panel (DFP)
• uvedeno 1998
• pro spotřební elektroniku
• nekomprimovaný přenos video dat z
PC do monolitického zobrazovače
• pouze digitální přenos
• sériový protokol
• 3×8 bitů (kanály RGB)
• 20 pinů
• délka kabelu do 5 m
• v současnosti už prakticky nepoužívaný
• je možná pasivní konverze na DVI
• maximální rozlišení 1280×1024
By Max Smith via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
20 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Rozhraní Digital Visual Interface (DVI)
• uvedeno 1999
• pro spotřební elektroniku, nekomprimovaný přenos
• analogový i digitální přenos
• založen na DFP, značně vylepšen: více formátů,
podpora šifrování
• sériový protokol TMDS
• délka kabelu do cca 10 – 15 m
• obsahuje dvě TMDS linky, každá max. 165 MHz
• maximální rozlišení 1915 x 1436 pixelů (4:3),
2098 x 1311 (16:10)
• DVI-D: pouze digitální
• DVI-I: digitální i analogový signál
By Mobius and Rumczeis via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons
analog
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
21 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Transition-minimized Differential Signaling (TMDS)
By Wdwd via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons
kabel
kódování
8b/10b
dekódování
10b/8b
vysílač přijímač
8 Bit R
8 Bit G
8 Bit B
8 Bit R
8 Bit G
8 Bit B
časování
zdroj
(grafická karta) displej
časování
při kódování jsou přidány redundantní bity tak, aby měl výsledný signál
nulovou SS složku a aby byl minimalizovaný počet přechodů 0/1 (1/0)
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
22 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Rozhraní High-Definition Multimedia Interface (HDMI)
• uvedeno 2002
• pro spotřební elektroniku, nekomprimovaný přenos
• digitální přenos
• založen na DVI, značně vylepšen: vyšší rozlišení, přenos
zvuku, zpětný audio kanál, HDR metadata, …
• sériový protokol TMDS
• délka kabelu bez zesilovačů do cca 15 m
• zpětně kompatibilní s DVI (single link)
• typ A: 19 pinů (analogie k single link DVI)
• typ B: 29 pinů, dvojnásobná šířka pásma pro UHD (zatím se
nepoužívá)
• max. rozlišení: 4K (HDMI 2.0, 2013)
• typ C a D: menší varianty typu A
• typ E: aretace kvůli vibracím, lepší krytí
• existuje několik verzí protokolu lišících se podporou max.
rozlišení, počtem audio streamů…
• fuknce CEC: Consumer Electronics Control, kdy je možné
jedním ovladačem řídit přes HDMI několik zařízení
By Jan deno via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
23 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Rozhraní Display Port (DP)
• uvedeno 2006
• pro spotřební elektroniku, nekomprimovaný přenos
• plně digitální paketový šifrovaný přenos
• umožňuje přenos vyššího rozlišení a samozřejmě
doplňkových dat
• 20 pinů
• délka kabelu do cca 15 m (1920×1080)
• délka kabelu do cca 3 m (2560×1600 )
• omezeně zpětně kompatibilní s HDMI a DVI (postačí
pasivní adaptér), obráceně je nutná aktivní konverze
• maximální rozlišení: 8K
• možnost připojení více monitorů pomocí jednoho
konektoru
• varianty mini a mikro (novinka)
By Belkin+Abisys and Tosaka via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons
135791113151719
2468101214161820
DIGITALIZACE OBRAZU Videotechnika a multimédia
24 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Děkuji za pozornost