Segnali video

Lezione 8: Video (1)
Informatica e Produzione
Multimediale
Docente:
Umberto Castellani
Sommario
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Introduzione al video
Formati video
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Analogici
digitali
Il Moving picture Expert group (MPEG)
Editing video
Dall’immagine al segnale video
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Conversione di luce visibile in un segnale
elettrico
il segnale elettrico permette di raffigurare una
immagine
vogliamo dare l‟illusione di movimento e
riprodurre il più fedelmente possibile
l‟immagine
Cinema e illusione del movimento
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Il fenomeno della persistenza delle immagini sulla
retina permette di vedere il movimento.

Il cervello riesce ad “acquisire” una nuova immagine
ogni circa 1/10 di sec.

L‟illusione del movimento è data dalla visione di una
sequenza di immagini statiche (gioco delle carte, il
cilindro forato, disegni animati)

La sequenza di immagini deve presentarsi agli occhi
con sufficiente velocità. Si parla di fotogrammi al
secondo (frame per second – fps)
Percezione ottica (Persistence of vision)
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L‟occhio percepisce una sequenza veloce di
fotogrammi* fissi come un movimento continuo grazie
alla POV (Persistence of vision)
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*(termine derivato dal cinema)
Quanto veloce ?
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Teleconferenza: 10 fps
Film muto: 16 fps
Film sonoro: 24 fps
Televisione: 25-30 fps
HDTV 50-60 fps
movimento a scatti
al limite del movimento a scatti
L’immagine in movimento
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Se le immagini in sequenza differiscono di poco allora
viene percepito solo il cambiamento da una all‟altra
immagine
Si chiama frequenza di fusione la velocità di
successione delle immagini oltre alla quale la sequenza
viene percepita come un continuo (dipende
dall‟illuminazione dell‟ambiente comunque non è mai
oltre i 40fps)
Se la successione di immagini è riprodotta ad una
velocità inferiore alla frequenza di fusione si percepisce
l‟effetto di flickering (il video si percepisce a scatti)
Generazione di immagini in movimento

Ci sono due modo per generare immagini che
riproducono scene in movimento:
– Catturare sequenze di immagini reali con una
videocamera (video)
– Creare individualmente i singoli frame in modo da
creare il movimento in maniera sintetica
(animazione)
Video e calcolatore
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Il calcolatore viene usato per la gestione di dati
video:
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–
–
Processare dati video
Memorizzare dati video
Trasmettere dati video
Segnali video: analogico vs digitale
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Ai fini della produzione multimediale siamo
interessati a processare video digitali
Nella maggior parte dei casi i video derivano
da dispositivi analogici
Occorre conoscere i dispositivi analogici (e
gli standard video associati) per capire come
convertirli correttamente in digitale
Videotecnologia: il video analogico
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Il segnale video non è semplicemente una sequenza di
immagini 2D (bitmap), ma è un segnale che deve
„viaggiare‟ nel tempo
Argomenti:
 Modalità di scansione: interlacciata/progressiva
 Video composito
 Video per componenti
 S-video
 Formati di quadro video
Video interlacciate
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Le immagini sono
generate sullo schermo
con la modalità a
scansione interlacciata:
l‟immagine si genera
alternando le righe di
posto pari con righe di
posto dispari
Interlacciamento
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Le due sequenze di scansione dello schermo
generano ciascuna un field o semiquadro
Il numero di linee che compongono ogni semiquadro (e
quindi l‟intera schermata) dipendono dal tipo di
standard televisivo (NTSC, PAL/Secam)
Interlacciamento
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l‟occhio umano, per effetto della persistenza
dell‟immagine, non fa in tempo a cancellare
dalla retina l‟immagine del campo
precedente prima che arrivi il successivo
–
–
PRO: possono essere raggiunte alte frequenze di
scansione, come i 50 e i 60 Hz, utilizzando una
minor quantità di dati
CONTRO: L‟immagine ha una risoluzione reale
pari alla metà di quella effettiva. Inoltre si
introducono problemi di sincronizzazione
Video progressivo
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tutte le linee orizzontali che
formano un singolo fotogramma
vengono mostrate
contemporaneamente
Di solito i monitor sono a
scansione progressiva
Con la scansione progressiva si
ottengono dei fermi immagine
molto più nitidi e dettagliati
Alcuni dispositivi convertono il
video interlacciato in progressivo
Video composito
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L‟informazione necessaria a controllare il movimento del
pennello di elettroni nella scansione dello schermo viene
codificata in un unico segnale elettrico che contiene sia i
valori che controllano l‟intensità di emissione del fascio di
elettroni (luminosità e colori), sia i valori che permettono
un‟accurata sincronizzazione
Ogni linea di scansione è composta da 858 campioni dei
quali i primi 65 costituiscono il segnale di
sincronizzazione e i 720 successivi compongono
l‟immagine
Nella maggior parte dei casi usano il formato interlacciato
Esempio:
Tipi di video composito (standard
televisivi)
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PAL
NTSC
SECAM
Fondamentalmente questi standard differiscono
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–
dal numero di fotogrammi al secondo che compongono il video
La risoluzione verticale dei fotogrammi
N.B. è necessario che i dispositivi che ricevono il segnale video,
quali monitor, televisori, schede di acquisizione per P.C., etc.
utilizzino lo stesso formato dei dispositivi che lo generano
(telecamere).
Standard PAL(Phase Alteration Line)
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E' il formato video più diffuso in Europa
Si basa su una frequenza dell'alimentazione
di 50Hz e per questo prevede un numero di
fotogrammi al secondo pari a 25 (50
campi/sec.).
Il numero di linee orizzontali componenti ogni
fotogramma è stabilito in 625.
NTSC (National Television Systems Committee)
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E' il formato video utilizzato in America.
Si basa su una frequenza dell'alimentazione
di 60Hz e per questo prevede un numero di
fotogrammi al secondo pari a 30 (60 campi al
secondo).
Il numero di linee orizzontali componenti ogni
fotogramma è stabilito in 525.
SECAM (Systeme Electronique Couleur Avec Memoire )
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E' un formato video utilizzato in Francia ed in
numerosi paesi dell'Est Europeo.
Ha gli stessi parametri di fotogrammi al
secondo e risoluzione del sistema PAL
anche se differisce sia dal PAL che dal
NTSC nella gestione del colore.
In passato la risoluzione SECAM era di 819
linee orizzontali, oggi è la stessa del PAL
ossia 625 linee.
Standard televisivi nel mondo
Riassunto standard video
Formato video
PAL
Fps
Risoluzione
verticale
25 Fps
625
(50 campi/sec.)
NTSC
30 Fps
525
(60 campi/sec.)
SECAM
25 Fps
(50 campi/sec.)
625
Component video (video per componenti)
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I segnali di luminanza e di differenza colore
rimangono separati.
Posso trasportare direttamente i 3 segnali R, G e B o
una loro codifica (differenze colore) già pesata per
l‟uso video.
Mantengo piena banda su tutto il segnale.
Non ho intermodulazioni ne artefatti
Sfortunatamente per portare un segnale componenti
devo "tirare" 3 cavi RG 59.
S-Video
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Si usano due cavi:
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–
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Uno per la luminanza
Uno per la crominanza (composita)
Rappresenta un compromesso tra segnale
composito e segnale per componenti
Il segnale di luminanza viaggia da solo (per
cui viene meglio preservato), proprio perché
è il segnale più sensibile dal punto di vista
percettivo
Video composito codificato
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I segnali compositi codificati PAL, NTSC ed SVideo incorporano la combinazione delle
differenze colore U e V in un unico segnale di
crominanza usando la tecnica della modulazione
in quadratura:
C=Ucos(t)+Vsin(t)
dove t rappresenta la sottoportante colore (3.58 MHz
per l‟NTSC e 4.43 MHz per il PAL)
Video composito codificato (II)
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In teoria la modulazione in quadratura è
reversibile senza perdita di informazione se i
segnali U e V sono limitati in banda.
In pratica la modulazione in sè non introduce
perdite significative, anche se la limitazione
della banda delle differenze colore introduce
perdita di dettaglio nei colori.
Formati di quadro video
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esiste una grande varietà di dimensioni video,
ognuna predisposta ad una particolare funzione o
legata ad un particolare sistema di trasmissione.
Tutti questi quadri video sono legati da un valore,
chiamato Aspect ratio, che lega altezza e larghezza
del quadro stesso secondo la seguente regola:
Aspect ratio: larghezza / altezza
Esempi
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Video 4/3
Widescreen o 16/9
Widescreen EUR
pixelLetterBox
pixelPanavision
pixelCinemascope
1.33:1 (è il video TV)
1.78:1
1.66:1
Formati per il
1.85:1
cinema
2.40:1
2.35:1
Video anamorfico
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Per video anamorfico si intende un video distorto
nelle proporzioni, in modo da sfruttare il più possibile
i pixel disponibili in un quadro con proporzione 4:3
standard.
La realizzazione di un video anamorfico, crea reali
vantaggi soprattutto, quando la larghezza
dell'immagine (inquadratura) è superiore alla
larghezza del riquadro a disposizione.
Widescreen TV
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Il video anamorfico è utile solo per video di
tipo widescreen e non 4:3. Widescreen TV è
Il formato 16:9 pensato per poter essere
visualizzato su TV 16:9 a pieno schermo e su
TV 4:3 con due bande nere sopra e sotto.
Video digitale
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Come nel caso delle immagini statiche o del
suono anche il video viene digitalizzato
campionando un segnale analogico
Si può ottenere del video digitale
direttamente da una telecamera digitale
oppure attraverso una scheda di
acquisizione video (frame grabber)
Digitalizzazione: facciamo due conti…
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Digitalizzare un video NTSC:
– Ogni frame produce una bitmap di 640480
– Con 24-bit per pixel un frame occupa 6404803 byte
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Digitalizzare un video PAL o SECAM:
– Ogni frame produce una bitmap di 768576
– Con 24-bit per pixel un frame occupa 7685763 byte
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Un secondo è composto da 30 frames ovvero 26 Mb (1
minuto sono circa 1.6 Gb)
Un secondo è composto da 25 frames ovvero 31 Mb (1
minuto sono 1.85 Gb)
E‟ necessaria la compressione!!
Digitalizzazione: compressione
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Se il video non viene compresso non è possibile
usufruirne ne attraverso il computer dopo averlo
memorizzato su HD, CD o DVD ne tanto meno
scaricandolo da web (ci sono problemi sia per la
memorizzazine di interi filmati e sia per la riproduzione
fluida del video)
Solo in alcuni casi (rari) negli studi professionali si
preferisce memorizzare la versione non compressa del
video (quando si sceglie di lavorare con il digitale)
I dispositivi capaci di comprimere o decomprimere il
segnale video si chiamano codec (ne esistono versioni
sia Hardware e sia Software)
Digitalizzazione: dispositivi
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Per catturare il video in real-time occorrono
dispositivi hardware dedicati:
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–
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Telecamere digitali
Frame grabber
Le telecamere digitali o i videoregistratori digitali
producono un video digitale secondo i formati:
–
–
–
DV format (o Mini-DV) , DVCAM, DVCPRO
Sono più robuste al rumore ma danno meno possibilità
all‟utente di controllare il processo di digitalizzazione (es.
per la compressione)
Di solito si connettono al calcolatore tramite firewire
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Frame grabber: il segnale analogico viene convertito
in digitale
– È la scheda stessa che applica la compressione
video
– È meno robusta al rumore in quanto ci possono
essere delle perdite dovute alla trasmissione via
cavo dal dispositivo analogico al frame grabber
– C‟è più versatilità nel controllare i parametri di
digitalizzazione (es. parametri di compressione)
Formato digitale
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Lo standard ufficiale fa riferimento al Rec.ITU-R 601
(più conosciuto come CCIR 601)
Essenzialmente vengono definiti i criteri di
campionamento del segnale video
Viene stabilito che il campionamento orizzontale sia
di 720 campioni per codificare la componente di
luminanza e due insiemi di 360 campioni per
codificare il colore:
– lo spazio colore è Y‟CbCr
CCIR 601

La versione D1 stabilisce che:
– Luma (Y‟) : 8 (10) bit
– Chroma (Cb, Cr) : 8 (10) bit
– Le componenti Cb e Cr vengono
sottocampionate orizzontalmente
per ottenere un data-rate di 2/3
rispetto all‟RGB  Si parla di
codifica 4:2:2
– 720 campioni di luminanza per
scan-line attiva
4:2:2 vs. 4:4:4
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

Cosa vuol dire 4:2:2 ?
– Che la luminanza viene sovracampionata 4 volte,
mentre le due componenti di crominanza 2 volte
ciascuna. (Ovviamente 4:4:4 significa un
campionamento omogeneo delle 3 componenti)
Per ogni 4 campioni Y ci sono 2 campioni Cb e 2 Cr,
sfasati su linee successive per evitare sfasamenti
cromatici
Un linea di scansione è quindi composta così:
Y Cb Y Cr Y Cb Y Cr……...
Perché 4:x:x ?
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Analogamente si hanno codifiche del tipo 4:1:1
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Esiste anche la codifica 4:2:0 per la quale la
componente del colore viene sottocampionata di un
fattore 2 e le due componenti cromatiche vegono
interlacciate (per cui si riduce di un altro fattore 2)
–
N.b. La notazione 4:2:0 non è coerente con le
altre ovvero non significa che la componente Cr
non viene considerata
Video digitale e compressione
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
Oltre alla procedura di campionamento che aiuta ad
avere una riduzione della mole di dati video è
necessario anche applicare opportune procedure di
compressione video
Lo standard per la compressione video è l‟MPEG
(dall‟omonima organismo che lo definisce: Moving
pictures expert group)
–
–
MPEG 2: è lo standard più diffuso
MPEG 4: è lo standard emergente che permette un ulteriore
aumento della capacità di compressione, particolarmente
adatto allo streaming video
Streamed Video
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E‟ possibile visualizzare un video registrato
precedentemente su un certo supporto (HD, CDROM, DVD)
E‟ possibile visualizzare un video proveniente da una
rete (i.e., Internet) in modo da visualizzare i frame
appena arrivano senza la necessità di avere l‟intero
filmato
– Si parla di flusso video (stremed video)
Streamed video: client server
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Il flusso video (o data stream, o video stream) viene
inviato (distribuito) da un server ad un client che lo
visualizza nel momento stesso in cui lo riceve (frame
per frame)
Il video stream emula il comportamento della
televisione (broadcast) adottando il paradigma clientserver: il server mette a disposizione il video, il client
è in grado di scaricarlo e visualizzarlo
Streamed video e live video
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Lo streamed video permette la trasmissione
digitale di video in diretta o live video
Il vantaggio rispetto alla TV consiste nel fatto
che non c‟è un numero ristretto di emettitori
ma ogni sito web è un potenziale emettitore
Lo streamed video è molto usato per le video
conferenze
Tipi di streaming
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Progressive download (o HTTP streaming)
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ll video viene visualizzato nel momento in cui arriva al
destinatario e contemporaneamente viene memorizzato
sull‟HD del destinatario
 Non è adatto per il video live e non permette gli accessi
casuali
True streaming
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Il video viene visualizzato nel momento in cui arriva al
destinatario. Una volta visualizzato il frame viene cancellato
 È adatto per il video live e permette gli accessi casuali
Streamed video e banda
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L‟ostacolo principale dello streamed video consiste
nella capacità della rete (i.e. banda)
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Si richiede una banda di 1.86 Mbit per second
–
Le linee T1 o ADSL possono essere adatte, le linee basate
su modem (V90) invece non lo sono
Se la rete non è sufficientemente potente e costante
si manifesta il fenomeno dello jittering: quando si
perde il sincronismo dovuto ad un rallentamento dei
flussi di dati (sia video e sia audio)
Qualità del servizio (QoS)
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E‟ importante che la capacità di trasmissione garantisca
una certa „costanza‟
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(i.e., la variazione della banda disponibile non deve essere
eccessiva e comunque deve esserci una larghezza di banda
minima garantita) – problema del one-way packet delay
Si parla in questi casi di Quality of Service (QoS)
La QoS è fondamentale per il multimediali in real time:
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La video conferenza (descritta secondo lo standard H.263)
La telefonia su internet (Voice over IP – VoIP – standard G.729)
Lo streaming video (standard MPEG 4)