Formatos de Vídeo Digital
Televisão Digital
Guido Stolfi
Mackenzie
4 / 2008
Guido Stolfi
1 / 103
Degradações do Sinal Analógico
  Ruído: aleatório, cumulativo, inerente aos
processos físicos envolvidos na eletrônica;
  Distorção não-linear: presente em todos os
elementos ativos de circuitos, amplificadores,
processadores, etc.;
  Interferências: ingresso de sinais indesejados,
geralmente de origem humana; identificáveis,
porém de difícil eliminação;
  Perdas: atenuações, limitações de resposta em
freqüência, dispersão temporal, etc.
Guido Stolfi
2 / 103
Degradações do Sinal Analógico
Guido Stolfi
3 / 103
O Sinal Digital na TV
• Processamento de Sinal
• Armazenamento
• Transmissão Digital
Guido Stolfi
4 / 103
Processamento Digital
• “Frame store”: armazenamento digital para
permitir congelamento de imagem, câmera
lenta e “replay”
• “Frame synchronizers”: sincronizadores de
sinais de vídeo com capacidade de compensar
defasagens de até 1 quadro completo
• Conversores de padrões: transcrição entre
sistemas com varreduras de 50 e 60 Hz,
implementados com interpoladores e
decimadores espacio-temporais
Guido Stolfi
5 / 103
Processamento Digital
• Equipamentos de telecinagem: conversão de
24 fotogramas para 60 campos por segundo
através de interpolação
• Efeitos de transformações geométricas:
mapeamento espacial de imagens, em tempo
real, com mudança de coordenadas,
deformações, perspectivas, etc.
• Redutores de ruído: baseados em filtragem
temporal entre linhas e quadros consecutivos
Guido Stolfi
6 / 103
Processamento Digital
• "Time Base Corrector" (TBC): compensação
de flutuações temporais de curta duração
(Jitter), em equipamentos de VT
• Gravadores de vídeo digitais: evitam
degradação cumulativa da relação sinal/ruído
em sucessivas gerações (cópias)
• Edição não-linear: meios de armazenamento
digital com acesso randômico a nível de
quadros individuais, facilitam o processo de
edição
Guido Stolfi
7 / 103
Processamento Digital no Receptor
• Cancelamento de ecos por multi-percurso
(fantasmas): equalização adaptativa de canal no
receptor de TV
• Decodificação de crominância: receptores para
padrões múltiplos utilizando DSP
• “Picture in Picture” (PIP): decimação e
transformações espaciais utilizando “frame buffer”
Guido Stolfi
8 / 103
Armazenamento Digital
• Servidores de Vídeo: bancos de Hard Disks
com segmentos de programação, vinhetas,
aberturas, etc.
• Bancos de Dados relacionais: indexação de
conteúdo (ex.: MPEG-7)
• Compressão de Dados: arquivamento de
massa (ex. MPEG-2, MPEG-4)
Guido Stolfi
9 / 103
Transmissão Digital
(Não percam próximos capítulos..)
Guido Stolfi
10 / 103
Digitalização de Vídeo
• Amostragem Temporal (quadros)
• Amostragem Espacial Vertical (varredura)
• Amostragem Espacial Horizontal ( fA )
• Quantização
Guido Stolfi
11 / 103
Relação Sinal / Ruído na Quantização
 FS
S
n
(dB) 20  log(2 )  10  log(12)  10  log
Qe
 2 FV
 FS
S
6.02  n  10.8  10  log
Qe
 2 FV

ou


(dB)

fS/2
fV
fS
f
Guido Stolfi
12 / 103
Relação S / R com “Headroom”
 FS
S
 6.02  n  10.8  10  log
Qe
 2 FV
VT

 VT 
  20 log
 ( dB)

 V B  VP 
VB-VP
Guido Stolfi
13 / 103
Ponderação pela MTF da Visão
  f 2    f 2 
1      1    
  f1     f 2  
A f   10log10
dB
2
  f  
1    
  f 3  
onde f1= 270kHz, f2 = 1.37MHz e f3 = 390kHz
f
Guido Stolfi
14 / 103
Relação S / R de Quantização Total
fS
VT
S
. 
. 
 143
 122
 6.02  8  10.8  10  log

20
log
. dB


  6.81  6343
 8.4 
 0.714
Qe
8 bits
2 fV
100 IRE
MTF
Guido Stolfi
15 / 103
Amostragem da Luminância
(sem fator Gama)
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
Escala Linear
em “Lightness”
(Percepção Subjetiva
de Intensidade)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Guido Stolfi
16 / 103
Amostragem da Luminância
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
Sinal de Luminância
quantizado
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Guido Stolfi
17 / 103
Amostragem da Luminância
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
Percepção correspondente
ao sinal de luminância
quantizado (sem fator gama)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Guido Stolfi
18 / 103
Amostragem da Luminância
(com fator Gama)
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
Escala Linear
em “Lightness”
(Percepção Subjetiva
de Intensidade),
corrigida por fator 
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Guido Stolfi
19 / 103
Amostragem da Luminância
(com fator Gama)
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
Sinal de Luminância
com correção gama,
quantizado
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Guido Stolfi
20 / 103
Amostragem da Luminância (com fator Gama)
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
Sinal de Luminância
equivalente
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Guido Stolfi
21 / 103
Amostragem da Luminância (com fator Gama)
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
Percepção correspondente
ao sinal de luminância
quantizado (com fator gama)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Guido Stolfi
22 / 103
Critérios de Amostragem de Vídeo
• Vídeo é amostrado na forma perceptual
(com correção Gama)
• Taxa de Amostragem obedece critério de
Kell ( fA  3 fM) para imagens “naturais”
• Filtro “anti-aliasing” não pode afetar os
transientes espaciais (p. ex.: gaussiano )
Guido Stolfi
23 / 103
Estruturas de Amostragem Espacial
Guido Stolfi
24 / 103
Estruturas de Amostragem Espacial
• ITU-R Rec.601: 720 (H) x 480 i (V)
• CIF (Common Intermediate Format): 352 x 288 p
• QCIF (1/4 CIF): 176 x 144 p
• VGA (Video Graphics Array): 640 x 480 p
Guido Stolfi
25 / 103
Estruturas de Amostragem Espacial
• HDTV (SMPTE 274M)
– 1920 x 1080 i
– 1280 x 720 p
Guido Stolfi
26 / 103
Estrutura de Amostragem 4 : 4 : 4
=Crominância
= Luminância
Guido Stolfi
27 / 103
Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 2
( Rec. 601 )
=Crominância
= Luminância
Guido Stolfi
28 / 103
Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (MPEG-2)
=Crominância
= Luminância
Guido Stolfi
29 / 103
Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (MPEG-1)
=Crominância
= Luminância
Guido Stolfi
30 / 103
Estrutura de Amostragem 4 : 2 : 0 (DV)
=Crominância
= Luminância
Guido Stolfi
31 / 103
Estrutura de Amostragem 4 : 1 : 1
=Crominância
= Luminância
Guido Stolfi
32 / 103
Interfaces de Video Digital
Guido Stolfi
33 / 103
Rec. ITU-R Rec. 601
•
•
•
•
•
•
(“D-1”)
Originalmente CCIR-601
“Digital Components” ou “4:2:2”
Amostragem separada de Y’, CB e CR
fA = 13.5 MHz (Y’) e 6.75 MHz (CB , CR)
8 bits (extensão para 10 bits)
Interface física: ECL, balanceado, 8/10 bits
+ clock
Guido Stolfi
34 / 103
Rec. CCIR-601
(“D-1”)
Componentes Analógicas:
• Y’ = 0,299 R’ + 0,587 G’ + 0,114 B’
• PB = – 0,169 R’ – 0,331 G’ + 0,5 B’
• PR = 0,5 R’ – 0,419 G’ – 0,081 B’
Guido Stolfi
35 / 103
Rec. CCIR-601
(“D-1”)
• Componentes Digitalizadas:
219
CY 
Y '16
100
CB 
(Y ' em unidadesIRE)
128
( B 'Y ' )  128
100
160
CR 
( R 'Y ' )  128
100
(8 bits)
Guido Stolfi
36 / 103
Estrutura de Amostragem D-1 (4:2:2)
Seqüência de
Amostras
CB CY CR CY CB CY CR CY
Componentes:
Y’
148 ns
74 ns
CB
(B’-Y’)
CR
(R’-Y’)
Guido Stolfi
37 / 103
Digitalização de uma Linha de Vídeo
Guido Stolfi
38 / 103
Intervalo de Retraço Horizontal D-1
Guido Stolfi
39 / 103
Bloco Delimitador de Amostras Ativas
Bit
Preâmbulo
Dados
9
8
7
6
5
4
3
2
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
Campo
Blank
SAV /
0/1
Vertical
EAV
P3
P2
P1
P0
Guido Stolfi
40 / 103
Compatibilidade do D-1 para 50 / 60 Hz
Retraço
138
Amostras
Linha visível
720 amostras (CY)
fV=59.94 Hz
fH =15.734 kHz
63.56 s
144
Amostras
720 amostras (CY)
64.0 s
fV=50.0 Hz
fH =15.625 kHz
fA = 13.5 MHz
Guido Stolfi
41 / 103
Padrão de Barras Digitalizado por D-1
Guido Stolfi
42 / 103
Padrão de Vídeo Digital “D-2”
•
•
•
•
•
“Digital Composite”
Amostragem do Sinal de Vídeo Composto
fA = 14.32 MHz (4 x fSC)
8 / 10bits
Interface física: ECL, balanceado, 8/ 10 bits
+ clock (similar à D-1)
Guido Stolfi
43 / 103
Níveis de Quantização para D-2
M á x im o
255
B r a n c o M á x im o
200
60
4
A p a g a m e n to
T ô p o d o S in c ro n is m o
Guido Stolfi
44 / 103
Padrão HDTV Digital (SMPTE 274 M)
•
•
•
•
•
•
•
1125 linhas totais (1080 ativas)
2200 amostras por linha (1920 ativas)
Duração da Linha: 29.63 s
Interface Analógica: Componentes Y’ PB’PR’
fA = 74.18 MHz (Y’) e 37.09 MHz (PB’,PR’)
8 ou 10 bits
Interface física: Serial, coaxial, 1,483 Gb/s
Guido Stolfi
45 / 103
Fator Gama para HDTV (ITU Rec. 709)
4,5V

V'  
1,099V 0, 45

0  V  0,018
0,018 V 1
( V = R, G, B )
Guido Stolfi
46 / 103
Colorimetria para HDTV (ITU Rec. 709)
Componentes Analógicas:
• Y’ = 0,2126 R’ + 0,7152 G’ + 0,0722 B’
• PB = – 0,114572 R’ – 0,385428 G’ + 0,5 B’
• PR = 0,5 R’ – 0,454153 G’ – 0,045847 B’
Guido Stolfi
47 / 103
Padrão HDTV Digital (SMPTE 274 M)
Guido Stolfi
48 / 103
Colorimetria para HDTV (ITU Rec. 709)
• Componentes Digitalizadas:
CY  219Y '16
(Y ' variandode 0 a 1)
112
CB 
( B'Y ' )  128
0,9278
112
CR 
( R'Y ' )  128
0,7874
Guido Stolfi
49 / 103
Conversão HDTV / SDTV
• Conversão de Rec. 709 para Rec. 601:
Y ' 
1 0,0993 0,1917  Y ' 
C   0 0,9898  0,1107  C 
 B

  B
C R  601 0  0,0725 0,9834  C R  709
Guido Stolfi
50 / 103
Conversão HDTV / SDTV
• Conversão de Rec. 601 para Rec. 709:
Y ' 
1  0,1156  0,2079 Y ' 
C   0 1,0186



0,1146   C B 
 B

C R  709 0 0,07505 1,0253  C R  601
Guido Stolfi
51 / 103
Interface Serial CCIR-656
•
•
•
•
•
8 bits, serial
243 Mb/s (Y:U:V 4:2:2)
Codificação de Grupo 8 / 9 bits
Componente CC reduzida
Cabo coaxial 75 Ohms, 1 Vpp
Guido Stolfi
52 / 103
Dicionário de Código de Grupo 8/9 CCIR
8 bits 9 bits+ 9bits-
8 bits 9 bits+ 9bits-
00
0FE
101
37
196
-
01
027
-
38
026
1D9
02
1D8
-
39
08C
173
03
033
-
3A
02C
1C3
04
1CC
-
3B
098
167
(Trechos)
Guido Stolfi
53 / 103
Interface SDI (Serial Digital Interface)
• 10 bits
• 270 MB/s (Y’:CB:CR 4:2:2)
• Codificação com embaralhamento
(scrambler)
• Cabo Coaxial 75 Ohms, 800 mVpp
• Atenuação tolerada: até 30 dB
• Áudio digital nos intervalos de apagamento
Guido Stolfi
54 / 103
Scrambler para Interface SDI
" Scrambler"
Cod. Diferencial
Entrada
Serial
D
D
D
D
D
D
D
D
D
Saída
D
Guido Stolfi
55 / 103
Sinais Patológicos para Teste de SDI
1 bit
CB
CY
CR
CY
300
198
300
198
19 bits
20 bits
CB
CY
CR
CY
200
110
200
110
20 bits
Guido Stolfi
56 / 103
Taxa de Erros x Comprimento de Cabo
Erros por segundo
100
10
1 / frame
1 / segundo
1
0,1
1 / minuto
0,01
0,001
1 / hora
0,0001
0,00001
105
1 / dia
110
115
120
125
Comprimento do cabo (m)
Guido Stolfi
57 / 103
Interface HD-SDI (SMPTE 292M)
•
•
•
•
•
•
•
10 bits
1.485 GB/s (Y’:CB:CR 4:2:2)
Codificação semelhante à SDI
Cabo Coaxial 75 Ohms, 800 mVpp
Atenuação tolerada: 20 dB
CRC e número de linha após EAV
Alternativa: Fibra Óptica (1310 nm)
Guido Stolfi
58 / 103
DVI – Digital Visual Interface
• Aplicação: Interface com Monitores Digitais
• Codificação: T.M.D.S. – Transition Minimized
Differential Signaling
• 3 sinais seriais balanceados (R, G e B) até 1,6
Gb/s
• 1 sinal de clock (até 165 MHz)
• Taxas maiores que 165 Mpixels/s podem usar 2
canais em paralelo
Guido Stolfi
59 / 103
DVI – Digital Visual Interface
Transmissão por fonte de corrente balanceada
Guido Stolfi
60 / 103
DVI – Digital Visual Interface
Guido Stolfi
61 / 103
DVI – Digital Visual Interface
Decodificação
T.M.D.S.
Guido Stolfi
62 / 103
DVI – Digital Visual Interface
Pixel Clock
Pixel Clock
25~165 MHz
Canal Clock
PLL
PLL
Dados Pixel
(24 bits)
(24 bits)
Serializador
Decodificador
3 canaisTMDS
Transmissor
Receptor
Guido Stolfi
63 / 103
HDMI – High Definition Multimedia
Interface
• Especificação: HDMI
–
–
–
–
–
–
–
Hitachi
Matsushita
Philips
Silicon Image
Sony
Thomson
Toshiba
Guido Stolfi
64 / 103
HDMI – High Definition Multimedia
Interface
Guido Stolfi
65 / 103
Conectores DVI e HDMI
Guido Stolfi
66 / 103
Interfaces para Video Comprimido
Guido Stolfi
67 / 103
Interface IEEE1394 (Firewire)
2 pares para Dados / Strobe balanceados
1 par para Alimentação CC
100 a 800 Mb/s (IEEE1394-B)
Guido Stolfi
68 / 103
Vídeo Sobre IEEE1384
Pacote MPEG-2
188 bytes
Time Code
Blocos
Pacotes isócronos
IEEE1394
192 bytes
24
24
24
24
24
24
D
24
24
D
Guido Stolfi
69 / 103
Interface DVB-SPI
• “Synchronous Parallel Interface”
• Rec. ETSI- EN50083-9
• Interface paralela para Pacotes “Transport
Stream”
• 8 bits + Clock + Sincronismo
• Interface física: LVDS (balanceado)
• Conector DB-25
Guido Stolfi
70 / 103
Interface DVB-SPI
Pacotes de Transporte MPEG-2
Guido Stolfi
71 / 103
Interface DVB-SPI
Sinais na Interface DVB-SPI
Guido Stolfi
72 / 103
Interface DVB-SPI
Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 188 bytes
Guido Stolfi
73 / 103
Interface DVB-SPI
Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 204 bytes
(16 bytes de enchimento)
Guido Stolfi
74 / 103
Interface DVB-SPI
Sinais na Interface DVB-SPI – Modo 204 bytes
(com codificação Reed-Solomon)
Guido Stolfi
75 / 103
Interface DVB-SPI
Sinais na Interface DVB-SPI – temporização de
Clock e Dados
Guido Stolfi
76 / 103
Interface DVB-SPI
Interface LVDS (Low Voltage Differential Signalling)
Tensão de Modo Comum: 1,1 a 1,4 V (Tx)
Impedância característica do cabo: 100 Ohms
Amplitude do Sinal: 247 a 475 mV (Tx)
Guido Stolfi
77 / 103
Pinagem do Conector DVB-SPI
Guido Stolfi
78 / 103
Interface ASI
•
•
•
•
“Asynchronous Serial Interface”
Meio: Cabo Coaxial 75 Ohms
Taxa de bits: 270 Mb/s
Amplitude; 800 mVpp (Tx)
Guido Stolfi
79 / 103
Interface ASI
Pacotes TS
Codificação
8 / 10 bits
Inserção de
Sincronismo
(K.28.5)
Conversor
Paralelo / série
Amplificador
Acoplamento
Saida
75 Ohms
Guido Stolfi
80 / 103
Dicionário de Código 8 / 10
8 bits
10 bits+ 10 bits-
8 bits
10 bits+ 10 bits-
00
18B
274
37
059
3A9
01
22B
1D4
38
0C9
339
02
12B
2D4
39
169
269
03
314
31B
47
385
075
04
0AB
354
K.28.5
305
0FA
(Trechos)
Guido Stolfi
81 / 103
Interface ASI
Pacotes completos
Bytes intercalados
Guido Stolfi
82 / 103
Processamento Digital de Vídeo
Guido Stolfi
83 / 103
Processamento de Vídeo: TBC
A/D
Shift Register
VCO
Ref. Freq.
D/A
Separador de
sincronismo
PLL
Guido Stolfi
84 / 103
Processamento de Vídeo: Frame Buffer
Video In
A/D
Dados
D/A
Memória
Separador de
Sincronismo
Separador de
Sincronismo
Video Out
Genlock
RAM
Ponteiro de
Escrita
Endereço
Ponteiro de
Leitura
1 quadro = 720 x 480 x 2 = ~700 kBytes
Guido Stolfi
85 / 103
Redutor de Ruído Digital
Video In
A/D
Dados
a
Memória
Separador
Sincronismo
b
RAM
Ponteiro de
Escrita
Video Out
+
D/A
c
Endereço
d
Filtragem espacial / temporal (intra / inter frames)
Guido Stolfi
86 / 103
Efeitos de Transformações Geométricas
Video In
A/D
Dados
Interpolação
Decimação
Saída
Memória
Separador
Sincronismo
Genlock
RAM
Ponteiro de
Escrita
Endereço
Mapeamento
Ponteiro de
Leitura
(xR, yR)  (xE, yE)
Guido Stolfi
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Exemplo: Translação
TY
yE
xE
xE  xR  TX
y E  yR  TY
TX
 x E  1 0
 y   0 1
 E 
 xR 
 TX   
 yR

 TY   
 1 
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Generalização para 3 Dimensões
 x E  1
 y E  0
 
 z E  0
1  0

0 0  TX   x R 
1 0  TY   y R 
  
0 1  TZ   z R 
  
0 0
1  1 
vE  T  vR
(Projeção em x, y  zR = 0 )
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Escalamento em x, y
SY
SX
1
 SX

S 0
 0
 0

0
1
SY
0
0
0 0

0 0

1 0
0 1
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Rotações nos Eixos x, y, z
0
0
1
0 cos 1  sen  1
R  
0 sen  1 cos 1

0
0
0
0
0

0

1
cos
sen
R  
 0

 0
cos  1

0

R 
sen  1

 0
 sen
cos
0
0
0
0
1
0
0  sen  1 0

1
0
0
0 cos  1 0

0
0
1
0
0

0

1
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Operações Conjugadas
vR  R  S  T   vE
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Perspectiva
y
xE, yE, zE
yR

Ponto de
Observação
z
xR
Plano de
Projeção
x
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Transformações de Perspectiva
xR
xE


zE
yR
yE


zE

xE
xR  
zE
yE
yR  
zE
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Interpolação e Decimação Espaciais
A
B
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Transcrição de Formatos de Varredura
Estrutura de
Amostragem
de Entrada
Estrutura de
Amostragem
de Saída
Interpolação
Bilinear
y
t
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“Chroma Key”
Decodificador
1o. Plano
Plano de Fundo
Referência
Comparador
Chave
Imagem Composta
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Multi-percurso e Equalização
SINAL
PROCESSADO
SINAL
RECEBIDO
SINAL
TRANSMITIDO
t1
k1
t1
-k1
t2
k2
t2
-k2
tn
kn
Modelo da Distorção
por Multi-percurso
tn
-kn
Equalizador
Adaptativo no Receptor
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Necessidade de Compressão de Dados
•Taxa de Bits para Codificação Rec. 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
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Necessidade de Compressão de Dados
• Taxa de Bits para Codificação D-2:
1 linha ativa = 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
•
•
•
•
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Necessidade de Compressão de Dados
• Taxa de Bits para HDTV (SMPTE-274M)
• 1920 pixels  1080 linhas  30 quadros/s
= 62.208.000 pixels/s
•  8 bits  (1 + 1/2 + 1/2) = 995 Mbit/s
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Capacidade de Alguns Canais de
Comunicação
• 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 por transponder
– Taxa Líquida: 18 MBits/s
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Critérios para Compressão de Imagens
• São necessárias taxas de compressão da
ordem de 50:1
• Compressão Com Perdas é inevitável
• Objetivo: reduzir a Visibilidade das
degradações conseqüentes
• Deve-se levar em conta as características da
Percepção Visual humana.
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