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M. Agustí, V. Atienza, J.V. Benlloch

Fundamentos de Sistemas Multimedia

TEMA 6

Animación y vídeo

Objetivos

Al finalizar esta unidad el alumno será capaz de:

• Explicar los fundamentos del vídeo analógico y digital

• Demostrar la necesidad de comprimir la información de vídeo

• Describir los principales estándares de compresión

• Reconocer las extensiones multimedia más habituales para vídeo

• Seleccionar una herramienta Sw adecuada para adquirir editar o reproducir vídeo

Índice1. Introducción2. Adquisición de vídeo. Vídeo Analógico3. Tarjetas digitalizadoras de vídeo4. Vídeo digital5. Compresión

5.1 Fundamentos5.2 Estándares

6. Extensiones: Video for Windows y QuickTime

7. Formatos de almacenamiento8. Herramientas Sw

Introducción• Vídeo = Secuencia de imágenes

• Sensación de imagen en movimiento (continuidad en la secuencia)

• Está basado en el fenómeno de la persistencia de la visión (POV):∗ el cerebro humano retiene una imagen una

fracción de segundo después de captarla mediante los ojos

∗ qué velocidad de refresco hace que las secuencias de imágenes se perciban como continuas?

Introducción (2). POV

• Primer “juguete” basado en la POV y el más simple

Introducción (3). POV

• 1877. California. Eadweard Muybridge.• Un conjunto de cámaras fotográficas situadas a

lo largo del recorrido, captan el movimiento real de un caballo en plena carrera

• Precursor del “Kinetograph” (cine)

Introducción (4)

• Animación vs Vídeo ∗ Naturaleza:

− Animación: secuencias de imágenes síntéticas (generadas por computador o manualmente).

− Vídeo: secuencias de imágenes reales que se utilizan en medios como la televisión o el cine (captadas mediante una cámara)

∗ Características: en animación se utilizan menos colores y un número de imágenes por unidad de tiempo menor que en vídeo

Introducción (5)

• Técnicas ∗ ¿Cómo se obtienen las secuencias?

− Animación de sprites, trayectorias y vectores: un objeto es dibujado en la pantalla y se traza un recorrido (path) para el mismo (trazado con el ratón o generado con alguna ecuación)

− Animación en celuloide: la que se realiza de forma manual en las producciones de dibujos animados

− Animación en cuadros: la que se suele emplear en el campo de la síntesis de imágenes por computador

Adquisición de vídeo. Vídeo Analógico

• Vídeo Analógico: la señal varía continuamente

∗ Características− Número de líneas− Velocidad de refresco

− Tipo de barrido (entrelazado o no entrelazado)

− Relación de aspecto (anchura : altura)

Amplitud

Tiempo

cátodo

Vídeo Analógico (2)• Tipos:

∗ Compuesto− PAL, NTSC, SECAM, HDTV...

∗ Componentes− RGB, YUV, YIQ, …

− YCRCB

∗ S-Vídeo (vídeo separado: luma / chroma)− VHS (Video Home System) → S-VHS (Super

VHS)

− 8mm o Vídeo-8 → Hi8

Vídeo Analógico (3)• Compuesto

∗ PAL (Phase Alternation Line, 1960)− 625/575 líneas (totales/activas) − 25 fps en modo entrelazado con 2 campos

(fields) de 312.5 líneas por cuadro (40 mseg/cuadro o 20mseg/campo)

− relación de aspecto 4:3− Australia y gran parte de Europa

∗ HDTV (High-definition TV) − hasta 1250/1000 líneas− relación de aspecto 16:9− 2 canales audio calidad CD

Tarjetas digitalizadoras de vídeo• Bt848/849 o

Bt878/879∗ WinTV, Pinacle PCTV (con

sintonizador TV)

Fuente: Hauppauge Computer Works, Inc

Vídeo Digital• La señal ha de ser muestreada y

cuantificada∗ Las imágenes (cuadros) son matrices de

puntos (pixels) que representan en formato digital regiones discretas de pequeño tamaño:

− Resolución (horizontal y vertical)− Profundidad en bits

• Estándares de Vídeo Digital:∗ SIF: 352x240∗ CCIR 601: 720x576 (PAL)∗ HD: 1280x720, 1920x1080∗ SHD (super-high definition): 2000 x 2000

(60Hz)

Vídeo Digital (2)

• Características imagen∗ Tamaño en píxeles

− 160x120 (QQVGA), 320x240 (QVGA), 640x480 (VGA), 720x485, 1280x720, 1920x1080, …)

∗ Profundidad − bits (1, 4, 8, 15, 16, 24, …)

• Velocidad de refrescoframes por segundo (5, 15, 20, 24, 30, …fps)

• Cálculo de la tasa de transferencia:anchura * altura * profundidad * fps =

bits / seg

Vídeo Digital (3)

1920x1080 1280x720 640x480 320x240 160x1201 seg. 148,32 65,92 21,97 5,49 1,371 min. 8.898,93 3.955,08 1.318,36 329,59 82,401 hora 533.935,55 237.304,69 79.101,56 19.775,39 4.943,853 horas 1.601.806,64 711.914,06 237.304,69 59.326,17 14.831,54

Espacio requerido en megabytes

(3 bytes por píxel y 25 frames por segundo)

Tamaño imagen

1280x720 (1.77) 640x480 (1.33) 320x240 160x120

Vídeo Digital (4). Submuestreo

• Concepto: se muestrea a frecuencias menores la información de chroma que la información de luma (relacionado con la menor sensibilidad del ojo a los cambios de tono).

• Métodos:∗ 4:2:2 para cada línea, se toman la mitad de muestras de

chroma que de luma (calidad de difusión “broadcast”)∗ 4:1:1 para cada línea, se toman la cuarta parte de muestras

de chroma que de luma (calidad BetacamSP)∗ 4:2:0 El submuestreo es idéntico en horizontal y en vertical

Vídeo Digital (5). Submuestreo

CR/CB

Y Y Y Y Y4:4:4

CR/CB CR/CB CR/CB CR/CB CR/CB

Y Y Y Y Y

4:2:2

CR/CB CR/CB CR/CB

Y Y Y Y Y

4:1:1

Compresión de Vídeo

• ¡¡Es necesario comprimir la información de vídeo!!

• Se introduce el concepto de factor de compresión (1, 6, 24, …)

• Tasa de transferencia de vídeo tras la compresión:

anchura * altura * profundidad * fps

factor compresión= bits / seg

Compresión de Vídeo (2)

• En la compresión de una secuencia de vídeo se utilizan básicamente dos estrategias:∗ Intraframe (dentro del propio cuadro: “I-frame”)

− Redundancia espacial: información susceptible de ser eliminada o reducida en el propio cuadro

∗ Interframe (entre cuadros consecutivos: “P-frame”, de codificación predictiva)

− Redundancia temporal : similitud entre cuadros vecinos (fondo aproximadamente constante)

Compresión de Vídeo (3)

• CODEC: COmpressor / DECompressor

∗ Esquema o algoritmo de compresión /decompresión para vídeo y audio

∗ Simétricos o asimétricos

∗ Características:

− Factor de compresión

− Velocidad del proceso

− Calidad de la información comprimida

Compresión de Vídeo. Estándares

• Microsoft Video 1 (Microsoft)

• Microsoft RLE

• Cinepak (Apple)

• Fractales

• IVI (Indeo Video Interactive, Intel (MMX))

Compresión de Vídeo. Estándares (2)

• DV (Digital Video):

∗ Estándar internacional creado en 1994 como formato de vídeo digital para electrónica de consumo (nueva generación de “camcorders” digitales)

∗ Llamado originalmente DVC (Digital Video Cassette)

∗ Características:− YCrCb (submuestreo en la componente de croma)

− DCT con factor de compresión 5:1 (optimización local)

− Compresión “intraframe” (+ compresión “interfield” adaptativa)

− Tasa de transferencia de vídeo 25Mbps (36 Mbps incluyendo audio, corrección de errores…)

− Necesidad de interfaces rápidas: USB, IEEE 1394 (FireWire, Apple)

Compresión de Vídeo. Estándares (3)

• M-JPEG (Motion JPEG)∗ Ventajas

• Preciso como editor de vídeo: detalle

• Permite reproducir en cualquier cuadro, puesto que la información está completa para todos

∗ Inconvenientes• Fichero relativamente largo (3 * MPEG)

• Es necesario disponer de hardware

Compresión de Vídeo. Estándares (4)

• H.261 (H.263)∗ CCITT (1988-1990)

∗ Videoconferencia, videoteléfono, …

∗ 2 tipos de cuadros (frame)− Intraframes (I-frames)

• Básicamente JPEG

• Sirven como punto de acceso

− Interframes (P-frames)

• "pseudo-diferencias”(variaciones respecto del cuadro anterior)

Compresión de Vídeo. Estándares (5)

• MPEG (Moving Picture Experts Group)∗ En las secuencias aparecen nuevos elementos:

B-frames que relacionan cuadros anteriores y futuros

Compresión de Vídeo. Estándares (6)

• MPEG es un grupo de trabajo de ISO/IEC, para desarrollo de IS de vídeo y audio:∗ MPEG-1 (Nov. 1992)∗ MPEG-2 (Nov. 1994) ∗ MPEG-4 (Oct. 1998); MPEG-4 version 2 (Diciembre 1999)∗ MPEG-7 (Julio 2001).

Extensiones• Sw (SO y/o plug-ins de aplicaciones)

que permite a un computador visualizar vídeo (sin Hw específico).

• Compuestas por:∗ Componentes Sw para creación,

almacenamiento y reproducción de medios → formato de fichero para almacenar los contenidos de los medios

∗ CODEC

Extensiones (2)• Modelo de QuickTime (Apple Computer)

∗ Software de sistema: − Movie Toolbox (create, edit and playback of movies),

Image Compression Manager y Component Manager

∗ Formato de fichero: PICT∗ CODECS: M-JPEG, JPEG, Video Compressor,

Compact Video Compressor, Animation Compressor, Graphic Compressor y Raw Compressor, Cinepak, Indeo, DV y MPEG-1

∗ Estándares de interfaz y utilidades multiplataforma

∗ Arquitectura Mm. que sincroniza texto, audio e imágenes

Extensiones (3)

• Modelo de Video for Windows (vfw, Microsoft)∗ CODECS: Microsoft Video1 y RLE, Cinepak, M-JPEG e

Indeo

∗ Active Movie → DirectX (DirectShow) soporte DVD (MPEG-2)

• Modelo de Video for Linux∗ API común para manejo de fuentes de vídeo,

sintonización de TV y radio, teletexto, ...

Formatos de Almacenamiento

• FLC/FLI (Animator, 8 bits con paleta)

• GIF89a (Unisys)

• Video for Windows → AVI (Audio Video Interleaved): información de audio sincronizada con la de vídeo

• QuickTime → mov

• Video4Linux

Herramientas Sw• VidCap32, VidEdit (vfw)• xawtv (vfl)• QuickTime• POVray• Media Studio (de Ulead) (www.ulead.com) • Adobe Premier (www.adobe.com)

∗ Operaciones de:− edición, conversión− filtros y efectos especiales− Color Key: luminancia o cromaticidad

Bibliografía

• K. Ramamohan Rao & J.J. Hwang. “Techniques and Standards for Image, Video and Audio Coding”(1996)

• Charles A. Poynton. "A Technical Introduction to Digital Video ”(1996)

• A. Murat Telkap. “Digital Video Processing”(1995) • J. Tranter. “Linux Multimedia Guide”(1996) • Tomi Engahl's Video Technology Page

<www.hut.fi/Misc/Electronics/epanorama/video.html#standard>

• Comparativa de resolución visual en sist. de Vídeo Doméstico <http://club.idecnet.com/~modegar/video/resolucion/ResolutionComparison.htm>

• The DV Formats (http://www.adamwilt.com/DV.html)• Royal Fraziers's GIF Animation on the WWW. The Home

Site <http://members.aol.com/royalef/royal.htm>