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Sistemas Multimídia
Mídias Discretas e Contínuas
Profa. Débora Christina Muchaluat Saade
debora@midiacom.uff.br
Departamento de Engenharia de Telecomunicações - UFF
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Sistemas Multimídia
Mídias Discretas e Contínuas
ü
Classes básicas de tráfego
•CBR, rajada, VBR
üMídias Discretas
•
Texto
•
Gráficos e Imagens Estáticas
üMídias Contínuas
•Digitalização de Sinais
•Áudio
•Vídeo
3 Sistemas MultimídiaClasses Básicas de Tráfego
ü
Natureza da Fonte de Tráfego
ü
3 classes básicas:
•
Tráfego Contínuo com Taxa Constante
– Constant Bit Rate (CBR)
•
Tráfego em Rajadas
– Bursty
•
Tráfego Contínuo com Taxa Variável
– Variable Bit Rate (VBR)
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Sistemas Multimídia
Classes Básicas de Tráfego
ü CBR – Tráfego Contínuo com Taxa Constante
• Taxa média é igual a taxa de pico
• Parâmetros para caracterizar o tráfego
– Taxa de transmissão
ü Rajada
• Períodos ativos (há geração de informação) intercalados por
períodos de inatividade (fonte não produz tráfego)
• Taxa média não é importante
• Parâmetros para caracterizar o tráfego
– Distribuição das rajadas ao longo do tempo
– Duração das rajadas (duração média dos períodos de atividade) – Taxa de pico atingida durante as rajadas (explosividade da fonte
– burstiness: razão entre a taxa de pico e a taxa média)
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Sistemas Multimídia
Classes Básicas de Tráfego
ü
VBR – Tráfego Contínuo com Taxa Variável
•
Apresenta variações na taxa de transmissão ao
longo do tempo
•
Parâmetros para caracterizar o tráfego
– Taxa média
– Variância da taxa de transmissão
– Explosividade da fonte – burstiness
• razão entre a taxa de pico e a taxa média
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Sistemas Multimídia
Mídias Discretas e Contínuas
ü Mídias discretas (estáticas)
• Compostas por itens de informação independentes do tempo
• mídia com dimensões unicamente espaciais
– textos, imagens, gráficos
• tempo não faz parte da semântica da informação
ü Mídias contínuas (dinâmicas ou dependentes do tempo)
• O tempo ou a dependência temporal entre os itens de
informação fazem parte da própria informação
• mídia com dimensões temporais
– áudios, vídeos e animações
• tempo faz parte da semântica da informação
• Se a dependência temporal não for respeitada, o significado
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Sistemas Multimídia
Mídias Discretas
ü
Mídias discretas (estáticas)
•Texto
•
Gráficos e Imagens Estáticas
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Sistemas Multimídia
Mídia Texto
ü Caracteres são convertidos para uma representação com
um número fixo de bits
ü Captura de Texto
• Digitação, OCR (Optical Character Recognition)
ü Texto não-formatado
• Texto limpo (plaintext)
• Ex.: código ASCII 7 bits / 8 bits, EBCDIC, Unicode
ü Texto formatado
• Richtext
• Cadeia de caracteres de estilos diferentes (fontes, tamanho,
cor, negrito, itálico, ...)
• Ex.: formatos proprietários de editores de texto, linguagens
de marcação (PS, HTML, latex)
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Sistemas Multimídia
Requisitos de Comunicação da Mídia Texto
ü
Tráfego gerado em rajada
ü
Vazão média depende da aplicação
•Poucos bps => correio eletrônico
•Mbps => transferência de arquivos
ü
Normalmente, retardo máximo e variação do
retardo não são críticos
ü
Erros não são tolerados
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Sistemas Multimídia
Mídia Imagem
ü
Bloco bidimensional de pixels ou pels (picture
elements), sendo cada pixel representado por um
número fixo de bits
•
RGB, YUV
üCaptura de Imagens
•
Câmera Fotográfica, Scanner, etc.
üTipos
•
Gráficos
•
Imagens estáticas (fotografias, paisagens)
11
Sistemas Multimídia
Mídia Imagem
VGA Video Graphics Display
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Sistemas Multimídia
Mídia Imagem
ü O olho humano vê uma única cor quando três cores
primárias são apresentadas simultaneamente.
ü Componentes Aditivas partem do preto e vão
caminhando em direção ao branco à medida que as cores componentes são acrescentadas.
• R (red), G (green), B (blue)
• Display
ü Componentes Subtrativas partem do branco e
caminham em direção ao preto à medida que as componentes são acrescentadas.
• C (cyan), M (magenta), Y (yellow)
13 Sistemas Multimídia
Mídia Imagem
Componentes Aditivas RGB Componentes Subtrativas CMY 14 Sistemas MultimídiaMídia Imagem
ü Introdução à Tecnologia Raster-scan
• Canhão de elétrons de precisão, ou raster, varre a tela
inteira.
• A tela é composta de um número bem definido de linhas
horizontais. A primeira linha inicia no canto superior esquerdo da tela e a última termina no canto inferior direito. O canhão volta à primeira linha depois da última (Varredura Progressiva).
• O interior da tela é coberto com uma camada de fósforo
sensível à luz, que emite luz quando energizado pelo canhão de elétrons (de acordo com a intensidade do canhão num dado momento). 15 Sistemas Multimídia
Tecnologia Raster-scan
16 Sistemas MultimídiaTecnologia Raster-scan
ü
Monitores coloridos têm 3 tipos de fósforos
fluorescentes
•
emitem luzes vermelha, verde e azul quando tocadas
por 3 feixes de elétrons
– mistura das luzes emitidas produzem pontos de cor
17 Sistemas Multimídia
Tecnologia Raster-scan
18 Sistemas MultimídiaMídia Imagem
ü Estrutura da Imagem• Resolução geométrica (resolução espacial)
– Dimensão da matriz de pixels
• Resolução de cor – profundidade do pixel (pixel depth)
– Número de bits por pixel – determina o número de cores que
podem ser reproduzidas em cada pixel
• 12 bits (4 por componente de cor) resulta em 4096 possíveis cores. • 24 bits (8 por componente de cor) resulta em mais de 16 milhões
de cores possíveis (224), porém como o olho humano não consegue distinguir entre este número de cores tão alto, muitas vezes um subconjunto de tais possíveis cores é utilizado (Tabela de Cores ou CLUT – color lookup table).
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Sistemas Multimídia
Mídia Imagem
ü Formato da imagem: taxa dada pelo número de linhas na
imagem e o número de colunas.
• TV tem formato de imagem 4:3.
• Cinema e TV de tela larga tem formato de imagem 16:9.
ü Padrões de TV
• NTSC - National Television Standards Committee (525
linhas) mas somente 480 linhas são apresentadas.
• PAL (625 linhas) mas somente 576 linhas são apresentadas.
• CCIR (mesmo que PAL)
• SECAM (mesmo que PAL)
20 Sistemas Multimídia
Mídia Imagem
22 Sistemas MultimídiaCores
ü As três propriedades mais importantes, de uma fonte de
luz colorida, usadas pelo olho humano são:
• Brilho (brightness)
– quantidade de energia que estimula o olho e que varia em uma escala de cinza do preto (mais baixo) para o branco (mais alto). É independente da cor da fonte.
• Matiz (hue)
– Cor real da fonte de luz, cada cor tem uma frequência/ comprimento de onda diferente e o olho determina a cor a partir dela.
• Saturação (saturation)
– Representa a força ou vida da cor. Uma cor pastel tem um nível mais baixo de saturação que o vermelho, por exemplo.
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Sistemas Multimídia
Cores
ü
Luminância
•
Brilho = medida da quantidade de luz branca
•0.299R + 0.587G + 0.114B => cor branca
•Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
•
Imagem preto e branco
üCrominância
•Matiz e saturação
•C
b= B – Y
•C
r= R – Y
24 Sistemas MultimídiaCores
ü Sistema YUV (usado no PAL)
• Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
• U = 0.493 (B - Y)
• V = 0.877 (R - Y)
ü Sistema YIQ (usado no NTSC)
• Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
• I = 0.74 (R - Y) – 0.27 (B – Y) = 0.599R – 0.276G – 0.324B
• Q = 0.48 (R - Y) + 0.41 (B – Y) = 0.212R – 0.528G + 0.311B
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Sistemas Multimídia
Requisitos de Comunicação da Mídia Imagem
ü
Tráfego gerado em rajada
ü
Vazão média depende da aplicação
•Kbps, Mbps
ü
Normalmente, retardo máximo e variação do
retardo não são críticos
ü
Tolerância a erros depende da aplicação
•Imagens estáticas sem compressão toleram
•Imagens médicas ou cartográficas não toleram
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Sistemas Multimídia
Mídias Contínuas
ü
Mídias Contínuas (dinâmicas ou dependentes do
tempo)
•Digitalização de Sinais
•Áudio
•Vídeo
27 Sistemas MultimídiaTipos de Sinal
üSinal Analógico
•Variação Contínua
üSinal Digital
•Variação Discreta
•Intervalo de Sinalização
Qualquer informação pode ser transmitida através de sinal analógico ou digital Sinal digital Sinal analógico
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Sistemas Multimídia
Sinal Analógico
ü Amplitude do sinal varia continuamente com o tempo
ü Análise de Fourier é uma técnica matemática que pode
ser usada para mostrar que qualquer sinal analógico, com variação no tempo, é composto de uma soma, possivelmente infinita, de componentes de frequência.
+ + + .... 30 Sistemas Multimídia
Exemplo
üSinal de voz: 50Hz a 10KHz
üMúsica de Orquestra: 15Hz a 20KHz
31 Sistemas MultimídiaGráfico que mostra a “contribuição” de cada frequência componente (harmônico) na construção do sinal resultante. Esta contribuição está intimamente relacionada à amplitude daquela componente.
Exemplo: espectro de um sinal de voz dB 40 4000 Hz
Espectro de um Sinal
32 Sistemas MultimídiaBanda Passante
üBanda passante
•
intervalo de frequências [f
min, f
max]
ü
Largura de banda
•f
max– f
min üExemplo:
•Música de Orquestra
– Banda passante: [15Hz, 20KHz] – Largura de banda: ~20KHz33
Sistemas Multimídia
Digitalização de Sinais
Codificando cada nível com 4 bits: 1100 1110 1110 1110 1010 0011 0001 1001 1010 ... Na recepção... 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 34 Sistemas Multimídia
Codificadores de Sinais
ü A conversão de um sinal analógico em digital é realizado
por um circuito eletrônico chamado Codificador de Sinal.
ü Composto de dois circuitos principais
• Filtro Limitador de Banda
• Conversor Analógico Digital
35 Sistemas Multimídia
Exemplo
A - Sinal Original B - Saída do Filtro C - Relógio de Amostragem D - Amplitude das AmostrasE - Valor binário da amostra depois da quantização 36 Sistemas Multimídia Sinal original Pulsos PAM Pulsos PCM Saída PCM 100110011010101010100001101111101 7.0 6.0 4.1 4.5 2.5 5.0 2.2 3.0 1.1 5.0 5.0 100 110 011 010 101 010 100 001 101 111 101 0 1 2 3 4 5 6 7
PCM - Pulse Code Modulation
37
Sistemas Multimídia
Taxa de Amostragem
ü O teorema de Nyquist diz que, para se obter uma representação precisa de um sinal analógico, a amplitude do mesmo deve ser amostrada a uma taxa igual ou superior a duas vezes a frequência da componente de mais alta frequência do sinal.
ü A taxa de Nyquist é dada em Hz ou em amostras por segundo (sps)
ü Amostragens abaixo da taxa de Nyquist introduzem componentes de frequência adicionais ao sinal, causando distorção definitiva no sinal original (alias signal).
38
Sistemas Multimídia
Taxa de Amostragem
ü O filtro limitador de banda serve para descartar sinais
com frequência maior que a usada para cálculo da taxa de Nyquist, por este motivo o filtro limitador de banda também é chamado filtro anti-aliasing.
ü Para se evitar o problema de sinais alias, a taxa de
amostragem é usualmente escolhida de acordo com a banda passante do meio de transmissão ao invés da frequência do sinal.
• O meio de transmissão pode funcionar como um filtro de
40 Sistemas Multimídia
Quantização
41 Sistemas MultimídiaRuído de Quantização
ü
A diferença entre o valor real de uma amostra e
seu representante binário é chamado erro de
quantização. Como este erro varia de amostra
para amostra, a distorção causada por tal erro é
chamada ruído de quantização.
42 Sistemas Multimídia
Acesso a Provedor
A/D D/A Central Central D/A A/D A Conversão Analógico/Digital Gera um Ruído chamado Ruído de QuantizaçãoMODEM
Não é possível mais do que 33.6 kbps !!
43
Sistemas Multimídia
Taxa Máxima de Transmissão:
Lei de Shannon
ü O principal resultado de Shannon (conhecido como a Lei
de Shannon) afirma que a capacidade máxima C de um
canal (em bps) depende da largura de banda e da razão sinal-ruído
• Exemplo: Um canal de 3.000 Hz com uma razão sinal-ruído
de 30 dB (parâmetros típicos de uma linha telefônica) não poderá, em hipótese alguma, transmitir a uma taxa maior do que aproximadamente 30.000 bps.
C = W log2 (1 + S/N)
W: largura de banda; S/N: razão sinal-ruído 1 dB = 10 log10(S/N)
44 Sistemas Multimídia
Acesso a Provedor
A/D Central Central D/A A/D MODEM Linha Digital (T1 ou E1, p. ex.) 45 Sistemas MultimídiaAcesso a Provedor
A/D Central Central D/A A/D MODEM 33.6kbps ~56kbps46
Sistemas Multimídia
Decodificadores Digitais
ü É um circuito eletrônico que serve para converter um
sinal digital de volta para sua forma analógica.
• Um alto-falante, por exemplo, é um dispositivo analógico,
logo um computador, que é um dispositivo digital, precisa usar um decodificador digital para emitir som através de um alto-falante.
• Composto por um Conversor Digital/Analógico (DAC) e um
filtro passa baixa.
47 Sistemas Multimídia
Decodificadores Digitais
48 Sistemas MultimídiaDecodificadores Digitais
ü
Normalmente o filtro passa baixa filtra as
mesmas frequências do filtro de limitação de
banda do codificador digital
ü
Como a maioria das aplicações multimídia
implementa comunicação bidirecional,
usualmente os codificadores digitais e
decodificadores analógicos são construídos em
um dispositivo único chamado codificador/
decodificador de áudio/vídeo, ou simplesmente
codec
de áudio/vídeo.
49
Sistemas Multimídia
Mídia Áudio
ü Mídia Tipicamente Analógica
• Representação Digital, quando necessário para integração
com mídias digitais, através de digitalização do Sinal Analógico por amostragem.
ü Captura de Áudio
• Microfone
ü 2 tipos de sinais de áudio:
• Sinal de voz: – 50Hz a 10KHz • Música – 15Hz a 20KHz – Estéreo: 2 canais 51 Sistemas Multimídia
Voz PCM
ü Padrão G.711 usado nas redes telefônicas (PSTN – public
switched telephone network) ü Banda passante limitada
• 200Hz a 3.4KHz
ü Taxa de amostragem mínima de 6.8KHz
ü Taxa de 8KHz é usada
ü PCM com 8 bits por amostra => taxa de 64Kbps
• Para reduzir erro de quantização
– quantum não-linear
– Compansão do sinal (circuitos compressor e expansor) • Lei A (Europa)
• Lei µ (Estados Unidos e Japão)
• conversão necessária na comunicação entre os dois sistemas
52
Sistemas Multimídia
Áudio Qualidade CD
ü Padrão CD-DA (CD-digital audio)
ü Banda passante
• 15Hz a 20KHz
ü Taxa de amostragem mínima de 40KHz
ü Taxa de 44.1KHz é usada
ü PCM com 16 bits por amostra
ü Estéreo: 2 canais
• Taxa por canal:
– 44.1 x 103 x 16 = 705.6Kbps
• Taxa total:
54
Sistemas Multimídia
Áudio sintetizado
ü Espaço necessário para armazenar áudio sintetizado é 2 a 3 vezes
menor que a versão equivalente digitalizada.
ü Sintetizador segue o padrão MIDI (Music Instrument Digital
Interface)
ü Padrão MIDI define
• Hardware para conectar os equipamentos (portas e cabos)
• Formato de dados para codificar a informação a ser processada pelo hardware
– Linguagem de descrição de música em binário – 128 instrumentos
• 0 (piano), 40 (violino), 73 (flauta)...
– Sons para efeitos especiais (canhão, aplauso de audiência, ...) – Formato de dados específico para cada instrumento • Áudio gerado é uma sequência de mensagens MIDI
• Gerador de áudio usa amostras de sons produzidas por instrumentos reais (wavetable synthesis)
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Sistemas Multimídia
Requisitos de Comunicação da Mídia Áudio
ü Natureza do Tráfego
• Sem compactação/compressão
– Contínuo com Taxa Constante – CBR
• Áudio comprimido
– Contínuo com Taxa Variável – VBR
– Tráfego em rajada (voz com detecção de silêncio)
• Reprodução no destino à taxa constante ü Vazão média depende da aplicação
• Voz (PCM) – 64Kbps
• Qualidade de CD estéreo – 1.411 Mbps
ü Tolerância a erros
• Relativamente alta (perdas de 1 a 20% são toleráveis
dependendo de como a voz é codificada)
56
Sistemas Multimídia
Requisitos de Comunicação da Mídia Áudio
ü
Variação estatística do retardo (em redes de
pacotes) deve ser compensada
ü
Retardo de transferência máximo é crítico
•Principalmente em conversações
– Retardo < 150 ms não é percebido pelo ouvido humano
– Retardo entre 150 e 400 ms é aceitável
– Retardo > 400ms => conversa ininteligível
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Sistemas Multimídia
Mídia Vídeo
ü
Mídia Tipicamente Analógica
•
Representação Digital, quando necessário para
integração com mídias digitais, através de
digitalização do Sinal Analógico por amostragem.
üCaptura de Vídeo
•
Câmeras de Vídeo
üEstrutura do Vídeo
•
Resolução espacial (resolução geométrica +
resolução de cor)
•
Resolução temporal (n
o. de quadros por seg.)
58
Sistemas Multimídia
Difusão de TV
ü Padrões de TV
• NTSC - National Television Standards Committee (525
linhas) mas somente 480 linhas são apresentadas.
• PAL (625 linhas) mas somente 576 linhas são apresentadas.
• CCIR (mesmo que PAL)
• SECAM (mesmo que PAL)
ü Formato da imagem
• TV tem formato de imagem 4:3.
• Cinema e TV de tela larga tem formato de imagem 16:9.
59
Sistemas Multimídia
Difusão de TV
ü
Varredura da Tela
•
Taxa de refresh mínima deve ser de 50 vezes/seg
para evitar cintilação (flicker)
•
Sensação de movimento: 25 quadros/segundo
•Para minimizar o volume de dados transmitido,
cada imagem é transmitida em 2 metades (campo)
– 1o. Campo – linhas ímpares
– 2o. Campo – linhas pares
– Varredura entrelaçada
60 Sistemas Multimídia
Varredura entrelaçada
61 Sistemas MultimídiaVarredura entrelaçada
62 Sistemas MultimídiaVarredura Entrelaçada
ü Sistema NTSC • 525 linhas– 262.5 linhas por campo (240 visíveis) • 30 quadros/seg
ü Sistema PAL/CCIR/SECAM
• 625 linhas
– 312.5 linhas por campo (288 visíveis) • 25 quadros/seg
ü Brasil – PAL-M
• Padrão americano com sistema de cores Europeu (525 linhas, 30 q/s)
ü Taxa de refresh
• 60/50 campos/seg
ü Taxa de refresh de quadros
• 30/25 quadros/seg
ü Sensação de 60/50 quadros/seg
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Sistemas Multimídia
Cores
ü Para manter compatibilidade com TV preto e branco
• Luminância (preto e branco) e crominância são combinadas
em um sinal de vídeo composto
ü Sistemas de cores
• Sistema YUV (usado no PAL)
– Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B – U = 0.493 (B - Y)
– V = 0.877 (R - Y) • Sistema YIQ (usado no NTSC)
– Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
– I = 0.74 (R - Y) – 0.27 (B – Y) = 0.599R – 0.276G – 0.324B – Q = 0.48 (R - Y) + 0.41 (B – Y) = 0.212R – 0.528G + 0.311B
64
Sistemas Multimídia
Tipos de Conectores de Vídeo
ü Composite Video (vídeo composto) ou
RCA
• 3 componentes (YCrCb) combinadas
ü S-Video ou Super Video ou S-VHS
• Separa as componentes de luminância e
crominância com resolução máxima de 480/576 linhas
ü Component Video (vídeo componente)
• Separa as componentes RGB ou YCrCb com
resolução de até 1080 linhas
• 3 cabos RCA
ü Conector RF
• Usado em cabos coaxiais
Vídeo composto
S-Video
Vídeo componente
65
Sistemas Multimídia
Tipos de Conectores de Vídeo
ü DVI (Digital Visual Interface) • Somente vídeo
– DVI-A – analógico – DVI-D – digital
– DVI-I – pode funcionar como analógico ou digital • Single link – 1920x1080
• Dual link – 2048x1536
ü HDMI (High Definition Multimedia Interface) • Vídeo e áudio digital
• Resolução WQXGA (Wide Quad eXtended Graphics Array) – 2560x1600 – aspect ratio 16:10
66
Sistemas Multimídia
Vídeo Digital
ü Olho humano é mais sensível à luminância que a
crominância
ü Sinais de crominância podem ser transmitidos com
resolução menor que o de luminância
ü ITU-R (ITU Radiocommunications Branch) – antigo
CCIR
• Padrão para vídeo digital CCIR-601
• Variantes do padrão para uso em difusão de TV,
videotelefonia e videoconferência
• Formatos de digitalização
– Formato 4:4:4
• Baseado nos sinais RGB/YCrCb
67
Sistemas Multimídia
Vídeo Digital
•
Formatos de digitalização
–Formato 4:2:2
• Uso em estúdios de TV (YCrCb)
• banda de 6 MHz para luminância e 3 MHz para crominância
• Taxa de amostragem de 13.5 Mhz / 6.75 MHz
• 702 amostras por linha (52microsseg a 13.5MHz)
• Na prática são 720 amostras para luminância e 360 para cada crominância por linha
• 8 bits por amostra (256 níveis)
• Varredura não-entrelaçada (60/50Hz) • Taxa de 216 Mbps 68 Sistemas Multimídia
Formato 4:2:2
70 Sistemas MultimídiaVídeo Digital
• Formatos de digitalização – Formato 4:2:0• Uso para difusão de TV digital (YCrCb) • Mesma resolução para
luminância e metade para crominância • Sistema de 525 linhas – Y=720x480 – CrCb=360x240 • Sistema de 625 linhas – Y=720x576 – CrCb=360x288 • Taxa de 162 Mbps 71 Sistemas Multimídia
Vídeo Digital
ü
Formato HDTV – High Definition Television
•Formato 4:3 – resolução de 1440x1152 pixels
•Formato 16:9 – resolução de 1920x1152 pixels
•Em ambos os casos, 1080 linhas visíveis
•4:2:2 para estúdio (taxa de quadros 50/60Hz)
•4:2:0 para difusão (taxa de quadros 25/30Hz)
üOutros Formatos
•
SIF,
Sistema de 525 linhas: Y=360x240; CrCb=180x120•
Videoconferência: CIF, 4CIF, 16CIF
•Videotelefonia: QCIF, Sub-QCIF/S-QCIF
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Sistemas Multimídia
Requisitos de Comunicação da Mídia Vídeo
ü
Natureza do Tráfego
•
Sem compactação/compressão
–Contínuo com Taxa Constante – CBR
•Vídeo comprimido
–
Contínuo com Taxa Variável – VBR
• Reprodução no destino à taxa constante ü
Vazão média depende da aplicação
ü
Tolerância a erros
•
Erros podem se propagar quando técnicas de
compressão são utilizadas
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Sistemas Multimídia
Requisitos de Comunicação da Mídia Vídeo
ü
Variação estatística do retardo deve ser
compensada
ü