Videotekniikka Videosignaali Kamerasensorit Värioppi Väritelevisio Laitteisto Petri Vuorimaa 1
Videosignaali Videokamera skannaa kuvaa rasterikuvion mukaisesti Skannaus alkaa vasemmasta yläreunasta ja etenee vaakasuorien juovien mukaisesti Petri Vuorimaa 2
Kuvasuhde Kuvasuhteella tarkoitetaan vaakasuoran etäisyyden suhdetta pystysuoraan etäisyyteen Televisiossa kuvasuhde on 4:3 Laajakuva-televisiossa kuvasuhde on 16:9 Petri Vuorimaa 3
Synkronointi Rasterikuvion synkronointi varmistetaan erillisillä synkronointipulsseilla Tahdistusta varten tarvitaan sekä vaaka- että pystysuorat synkronointipulssit Synkronointipulssit voidaan liittää videosignaaliin tai siirtää erillisenä Petri Vuorimaa 4
Resoluutio Resoluutiolla tarkoitetaan television kykyä toistaa yksityiskohtia Vaakasuora resoluutio tarkoittaan yhden juovan toisistaan erottuvien pisteiden lukumäärää Pisteiden lukumäärä riippuu skannauspisteen koosta Resoluutio mitataan laskemalla vierekkäisten valkoisten ja mustien pystysuorien viivojen lukumäärä Petri Vuorimaa 5
Resoluutio (jatk.) Vierekkäisistä valkoisista ja mustista viivoista aiheutuu korkeataajuuksinen signaali Käytännössä 80 viivaa vastaa yhtä 1 MHz NTSC-standardissa kaistanleveys on 4,5 MHz, joten vaakasuora resoluutio on 360 viivaa Pystysuora resoluutio riippuu skannattavien juovien lukumäärästä USA:ssa juovia on 525 ja Euroopassa 625 n. 40 juovaa menee skannauspisteen siirtämiseen Petri Vuorimaa 6
Kuvataajuus Liikkuva kuva vaatii useita kuvia sekunnissa Yleinen kuvataajuus on 25 tai 30 kuvaa/sekunti Välkkymisen estäminen vaatii 50 kuvaa/sekunti Tämä ei ole mahdollistu, minkä takia käytetään kuvakenttien lomitusta Ensin lähetetään ja näytetään parittomat juovat ja sen jälkeen parilliset juovat Silmä ei erota pieni välkkyviä kohteita, joten välkkymistä ei näy Petri Vuorimaa 7
Kuvataajuus (jatk.) Lomittelusta aiheutuu kuitenkin myös häiriöitä Nopeasti liikkuvien kappaleiden reunassa näkyy sahanreunakuvio Vaakasuorissa terävissä reunoissa ja viivoissa näkyy välkkymistä Vaakasuoria reunoja näkyy erityisesti tietokonegrafiikassa Petri Vuorimaa 8
Kamerasensorit Kameraa ei yleensä toteuteta skannaavan kuvapisteen avulla Kontrasti on parempi, jos yksittäisten kuvapisteiden tilaa seurataan jatkuvasti (intergointi) Valo kasvattaa kaksiulotteisen valoherkän materiaalin pinnalla olevien pisteiden jännitettä Pisteiden jännitteet luetaan skannaus-periaatteella Käytössä on sekä tyhjiöputkiin että puolijohteisiin perustuvat kameroita Petri Vuorimaa 9
Värioppi Väritelevisio perustuu teoriaan, jonka mukaan mikä tahansa väri voi esittää kolmen perusvärin summana Vähennys: sinipuna, punavihreä ja keltainen Summaus: punainen, sininen ja vihreä Petri Vuorimaa 10
Summaus ja vähennys punainen vihreä keltainen valkoinen sininen sininen (-punainen) vihreä punainen (-vihreä) musta punainen keltainen (-sininen) Petri Vuorimaa 11
Väritelevisio Väritelevisio perustuu summaavaan väriteoriaan Valo heijastetaan kolme eri sensorille linssi punainen vihreä sininen vahvistin vahvistin vahvistin RGB -monitori Petri Vuorimaa 12
Yksi sensori Yhden sensorin rakenne on helpompi toteuttaa Valo jaetaan erivärisiin komponentteihin Eri värisignaalit erotetaan elektroniikan avulla Käytännössä resoluution on usein heikompi linssi sensori elektroniikka RGB -monitori Petri Vuorimaa 13
Komposiittisignaali Kolmen eri värisignaalin siirto on hankalaa, joten usein käytetään komposiitti-formaattia Kehitetty lähettämistä varten, mutta käytetään paljon laajemmin Signaali jakaantuu luminanssi (monokromi) ja krominanssiosiin (väri) Signaalit muodostetaan matriisimuunnoksella Petri Vuorimaa 14
Komposiittisignaali (jatk.) Luminanssi siirretään perustaajuudella ja krominannsisignaalit korkeammilla taajuuksilla Häiriöitä esiintyy vähän, koska + luminanssisignaali ei ole herkkä häiriöille varsinkin, jos krominanssisignaalin perustaajuus on pariton monikerta puolesta juovataajuudesta + silmä on paljon herkempi mustavalkoisille reunoille kuin värireunoille, joten krominannsisignaaleja varten varattu kaista voi olla 2-4 kertaa kapeampi Petri Vuorimaa 15
NTSC Pohjois-Ameriikka, Japani, ym. National Television Systems Committee, 50-luku Yhteensopiva vanhojen mustavalkoisten televisioiden kanssa (luminanssisignaali) Luminanssi Y (4.5 MHz) sekä krominanssi I (1.5 MHz) ja Q (0.5 MHz) Kaksi-vaihe-amplitudi-modulaatio + I in-phase ja Q quadrature (90 asteen vaihe-ero) Petri Vuorimaa 16
PAL & SECAM Phase Alternating Line (PAL): sama kaistanleveys molemmilla krominanssisignaaleilla (U ja V) Sequentel Couleur avec Memoire (SECAM): krominanssisignaalit vuorottelevat juovilla (FMmodulaatio) Eri järjestelmillä tuotettujen ohjelmien välillä tarvitaan konversiota Petri Vuorimaa 17
Laitteisto Videolaitteiden markkinat ovat suuret, joten laitteita löytyy joka lähtöön Laitteet voidaan luokitella kolmeen laatutasoon + Studio: isot televisioyhtiöt ym. + Ammattilais: pienemmät yhtiöt, opetus, teollisuus ym. + Kuluttaja: kotikäyttäjät Petri Vuorimaa 18
Värikamerat Studiotason kamerat käyttävät yleensä kolmen kamerasensorin ratkaisua Käytössä on useita linssejä (lähi, laaja, zoom ym.) Lisäksi pienempiä mukana kuljetettavia kameroita Myös ammattilaiskamerat käyttävät kolmea sensoria, mutta ovat yksinkertaisempia Kuluttajille suunnatuissa kameroissa on yksi sensori ja yleensä myös nauhuri Petri Vuorimaa 19
Filmikamerat Filmien näyttämistä varten on omat kameransa Filmeissä on yleensä 24 kuvaa/sekunti 25 Hz televisiojärjestelmissä filmiä näytetään nopeammin (nopeus kasvaa 4 %) 30 Hz televisiojärjestelmissä kuvia puolikuvina vuorotellen kolme ja kaksi kertaa + Suhteeksi tulee 2:2.5 = 24:30 + Tästä syntyy tiettyjä virheitä (esim. auton pyörät pyörivät taaksepäin) Petri Vuorimaa 20
Filmikamerat (jatk.) Toinen ongelma on värijärjestelmissä Televisio (summaava) ja Filmi (vähentävä) Televisiossa kirkkaat värit ovat parhaita Filmissä tummat värit ovat parhaita Tarvitaan gamma-korjausta, parempaa signaali/kohina-suhdetta ja värien käsittelyä Petri Vuorimaa 21
Nauhurit Magneettiset nauhat ovat epälineaarisia, joten yleensä käytetään FM-modulaatiota Yleensä kuvaukset tehdään yksittäisten otosten pätkissä ja nauhalle lisätään SMPTE-koodi Yksittäisistä otoksista editoidaan master-nauha, josta otetaan varsinaiset käytettävät kopiot Yleensä tallennetaan komposiittisignaalia, mutta komponentit voidaan tallettaa myös erikseen Digitaaliset tallennusmenetelmät parantavat laatua Petri Vuorimaa 22
Nauhurit (jatk.) C-tyyppi: 1 tuuman avokela (komposiitti; studio) + Euroopassa B-tyyppi Betacam ja MII-tyyppi: 1/2 tuuman kasetti (komponentti; studio) U-Matic: 3/4 tuuman kasetti (luminanssi ja krominanssi-signaalien järjestely; ammatt.) S-VHS ja Hi-8: kasetti (komponentti; ammatt.) VHS ja 8-mm: kasetti (kuten U-Matic; koti) Petri Vuorimaa 23
Monitorit Kuva- ja signaalimonitorit Studiotason monitorit on sovitettu keskenään Ammattilaistason monitorit ovat hieman halvempia Kotona käytetään televisiota (viritin + monitori) SCART-liitin mahdollistaa myös komposiitti- ja RGB-signaalien käytön Petri Vuorimaa 24
8. Videokompressio Kompressiojärjestelmän ominaisuudet Videokompression perusteet Menetelmät Algoritmit + H.261 +MPEG-1 +MPEG-2 +MPEG-4 +MPEG-7 Petri Vuorimaa 25
Kompressiosuhde Käsittelemättömän datan suhde kompressoituun + 512 x 480 x 24 = 737 280 B + 737 280 B / 15 000 B = 49 Resoluutio ja väritarkkuus voivat muuttua + 256 x 240 x 24 = 184 320 B + 184 320 B / 15 000 B = 12,29 Bittien lukumäärä pikseliä kohden parempi mitta + (15 000 x 8) / (256 x 240) = 1,95 bits per pixel (bpp) Petri Vuorimaa 26
Kuvanlaatu Hukkaamaton ja hukkaava kompressio Hukkaamattomassa koodauksessa käytetään tehokkaampia datan pakkausmenetelmiä Hukkaavassa kompressiossa kuva muuttuu Tuloksena saattaa syntyä häiriöitä Kuvanlaatu vaikea määrittää Petri Vuorimaa 27
Kompressionopeus Yleensä pakkaus ja purku tehdään eri aikoina Usein kuva tai video pakataan kerran ja puretaan useasti Tällöin pakkaus voi kestää kauan, mutta purku pitää tapahtua nopeasti Videoneuvottelussa tilanne on toinen Petri Vuorimaa 28
Laitteisto vai ohjelmisto Osa algoritmeista voidaan toteuttaa ohjelmistolla, mutta tietyt menetelmät vaativat laitteistoa Laitteisto voi olla yleiskäyttöinen tai yksinomaan tiettyä algoritmia varten suunniteltu Tietylle algoritmille suunniteltua laitteistoa ei voi muuttaa, mutta se on nopea Petri Vuorimaa 29
Videokompression perusteet Kuvissa esiintyy paljon redundanssia + vierekkäisissä pikseleissä esiintyy usein sama väri + vaakasuorissa kappaleissa yksittäiset juovat ovat usein samanlaisia + paikallaan pysyvät tai hitaasti liikkuvat kappaleet toistuvat samanlaisina peräkkäisissä kuvissa Katsoja ei erota kaikki yksityiskohtia + silmä ei ole esim. kovin herkkä väreille Petri Vuorimaa 30
Menetelmät Johdanto Yksinkertaiset menetelmät Interpolaatio Ennustus Muunnokset Tilastolliset menetelmät Liikkeenkorjaus Petri Vuorimaa 31
Johdanto Videokompressio on tarkkaan tutkittu alue Osa menetelmistä vaatii liikaa laskentaa Tyypillinen kompressiomenetelmä koostuu useasta eri tekniikasta Simple: Truncation CLUT Run-Length Interpolative: Subsample Predictive: DPCM Motion compensation Transform: DCT Statistical: Huffman Petri Vuorimaa 32
Yksinkertaiset menetelmät Tarkkuutta voidaan helposti tiputtaa 16 bpp Toinen vaihtoehto on käyttää väritaulua + Color Lookup Table (CLUT) + 8 bpp kohtuullinen laatu Lisäksi voidaan käyttää Run-Length -koodausta + toistuvat värit korvataan koodilla, jossa on väriarvo ja toistuvien pikselien lukumäärä + tietokonegrafiikassa, animaatiossa ja CLUTkoodatuissa kuvissa mahdollista päästä alle 1bpp Petri Vuorimaa 33
Interpolaatio Osa pikseleistä koodataan ja loput interpoloidaan Tarkoittaa käytännössä pienenpää resoluutiota Toimii kuitenkin hyvin värikomponenttien koodauksessa (alinäytteitys) + YUV-komponenteista U ja V voidaan ottaa vain joka neljäs näyte sekä vaaka- että pystysuunnassa (1/16) + 8 bpp + (8 bpp + 8 bpp) / 16 = 9 bpp + ei toimi synteettisissä kuvissa Petri Vuorimaa 34
Ennustus Voidaan käyttää seuraavan pikselin, juovan tai kuvan ennustamiseen DPCM: koodataan peräkkäisten näytteiden erotus + käytetään pienempää bittimäärää; ylivuodot ongelma ADPCM: askelkokoa voidaan kasvattaa + tarvitaan ylimääräisiä bittejä Ennustuksen ongelmana on virheiden toistuminen Harvoin käytetään pelkästään ennustusta Petri Vuorimaa 35
Muunnokset Datajoukko muunnetaan toiseen muotoon Tarvitaan myös käänteismuunnos +X 0 (8 bit) & muut 4 bit: 8 b + 3 x 4 b = 20 b (5 bpp) A B C D X 0 X 1 X 2 X 3 Muunnos: X 0 =A X 1 =B-A X 2 =C-A X 3 =D-A Käänteismuunnos: A=X 0 B=X 1 +X 0 C=X 2 +X 0 D=X 3 +X 0 Petri Vuorimaa 36
DCT-muunnos DCT-koodaus yleisin käytetty muunnos Pikseliryhmä muunnetaan perustaajuuksien kertoimiksi Ensimmäistä nollataajuutta kutsutaan DCkertoimeksi Suurin osa kertoimista on pieniä tai jopa nolla Kertoimet kvantisoidaan tiettyyn esitystarkkuuteen Petri Vuorimaa 37
Tilastolliset menetelmät Yleensä sekä alkuperäisessä että koodatussa kuvassa esiintyy tilastollinen jakauma Yleisimmät lukuarvot koodataan lyhyemmillä merkeillä ja harvemmin esiintyvät pidemmillä Tarvitaan koodikirja, joka pitää lähettää vastaanottajalle Koodikirjan lähettämistaajuutta voidaan vaihdella Petri Vuorimaa 38
Liikkeenkorjaus Videossa peräkkäisissä kuvissa on yleensä paljon redundanssia Ongelmana on löytää muuttuvat kohdat ja irrottaa ne kuvasta Ratkaisu on jakaa kuva lohkoihin ja koodata ainoastaan muuttuneet lohkot Lisäksi voidaan koodata lohkojen liikkuminen Petri Vuorimaa 39
Algoritmit Yleensä kompressointialgoritmi hyödyntää useampaa koodausmenetelmää Algoritmeista pyritään saamaan virallisia standardeja International Organisation for Standardization ISO International Electrotechnical Commission IEC + Joint Photographic Expert Group (JPEG) + Motion Picture Expert Group (MPEG) Petri Vuorimaa 41
H.261 Alkuperäinen videokuva (625 tai 525 juovaa) muutetaan CIF-formaattiin Bittivirta sisältää kaiken tarpeellisen ja se voidaan yhdistää audion kanssa Bittivirta on 40 kbps - 2 Mbps Sekä yksi- että kaksisuuntainen kommunikaatio Virheenkoodaus Monipisteneuvottelu Petri Vuorimaa 42
CIF-formaatti Luminanssi - Krominanssi (Y, CB, CR) 8 bittiä/näyte 30 kuvaa/sekuntti Luminanssi 352 x 288 resoluutio Krominanssi 172 x 144 resoluutio Quarter-CIF formaatti puolittaa resoluutiot Kaikki kooderit/dekooderit tukevat QCIFformaattia; QIF-formaatti valinnainen Petri Vuorimaa 43
Koodausalgoritmi H.261 käyttää kuvien välistä ennustusta ja DCTkoodausta INTRA-moodissa kuva koodataan yksin ja INTER-moodissa käytetään ennustusta Kuva jaetaan 16 x 16 makrolohkoihin, jotka koostuvat neljästä 8 x 8 luminanssilohkosta ja kahdesta 8 x 8 krominanssilohkosta Lisäksi käytössä on lohkoryhmät 0, 1, 2 tai 3 kuvaa mahdollista tiputtaa Petri Vuorimaa 44
MPEG Hyvä kuvanlaatu 1,0-1,5 Mbps Symmetrinen tai asymmetrinen koodaus/dekood. Toisto mistä tahansa kohtaa mahdollista Kelaus ja käänteinen toisto mahdollista Audio/video synkronointi Datavirheet eivät saa aiheuttaa ongelmia Kompressio/dekompressio -viiveen ohjaus Editointi mahdollista Eri formaatit (ikkunointi) Halpojen piirisarjojen kehittäminen mahdollista Petri Vuorimaa 45
Arkkitehtuuri Neljä erilaista kuvatyyppiä: + I-kuvat muista riippumattomia + P-kuvat ennustettuja (liike) muista I- tai P-kuvista + B-kuvat interpoloituja sekä edellisistä että tulevista I- tai P-kuvista + D-kuvat ovat nopeaa etsimistä varten I-kuvat vievät eniten tilaa; P-kuvat 3:1; B-kuvat edelleen 2-5:1 B-kuvien dekoodaus aiheuttaa viivettä Petri Vuorimaa 46
MPEG-kuvasarja Petri Vuorimaa 47
Bittivirran syntaksi Bittivirta koostuu useista eri tasoista: + videosekvenssi (täydellinen sekvenssi) + ryhmä kuvia (kaikki parametrit; haku) + kuva (yksittäinen kuva) + osakuva (sisältää synkronointi ym. tiedot) + makrolohko (16 x 16; liikkeenkorjaus) + lohko (8 x 8) Petri Vuorimaa 48
Tehokkuus Voidaan käyttää useita resoluutioita ja bittimääriä Esim. CD-ROM: 30 kuvaa/sekunti, 352 x 240 resoluutio (kuin VHS-nauhuri) Pakkaus ja purku voidaan tehdä ohjelmallisesti Reaaliaikainen pakkaus pitää kuitenkin tehdä laitteistolla Petri Vuorimaa 49
MPEG-2 MPEG-2: bittinopeus 2-15 Mbps Mahdollistaa myös teräväpiirtotelevision Käytössä digitaalisessa televisiossa Viisi audiokanavaa, bassot ja seitsemän selostus/kieli-kanavaa Video-, audio- ja datavirrat kootaan lähetysvirraksi (transport stream) Petri Vuorimaa 50
MPEG-4 MPEG-4: matalat bittinopeudet Kuva ja ääni voidaan jakaa osiin (tekijöihin) Eri osia varten voidaan käyttää eri koodausmenetelmiä Uusien koodausmenetelmien käyttöönotto mahdollista Petri Vuorimaa 51
Demultiplekseri Kompositio Luonnollinen audio Luonnollinen video Synteettinen audio Synteettinen video Omistusoikeudet Kompositio
MPEG-7 MPEG-7 ei ole kompressiostandardi, vaan se on tarkoitettu sisällön kuvaamiseen + multimediasisällön kuvaus + joustavuus sisällönhallinnassa + eri datalähteiden sovittaminen Kyseessä on siis metadata-standardi Voidaan käyttää sisällön hakuun ja suodatukseen Petri Vuorimaa 53
Kuvauksen generointi MPEG-7 kuvaus Kuvaukset Sisällönkuvauskieli Kuvausmenetelmät Multimediasisältö Hakukone Sovellus Suodatus agentti Enkooderi MPEG-7 koodi Dekooderi