Classes Básicas de Tráfego Mídias Discretas e Contínuas ... · Formato da imagem: taxa dada pelo número de linhas na imagem e o número de colunas. • TV tem formato de imagem

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Fundamentos de Sistemas MultimídiaFundamentos de Sistemas Multimídia

Mídias Discretas e Contínuas

Profa. Débora Christina Muchaluat [email protected]

Mídias Discretas Mídias Discretas e e ContínuasContínuas

Profa. Débora Christina Muchaluat [email protected]

Departamento de Engenharia de Telecomunicações Departamento de Engenharia de Telecomunicações -- UFFUFF

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Mídias Discretas e ContínuasMídias Discretas e Contínuas

� Classes básicas de tráfego• CBR, rajada, VBR

� Mídias Discretas• Texto• Gráficos e Imagens Estáticas

� Mídias Contínuas• Digitalização de Sinais• Áudio• Vídeo

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Classes Básicas de TráfegoClasses Básicas de Tráfego

� Natureza da Fonte de Tráfego� 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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� CBR – Tráfego Contínuo com Taxa Constante• Taxa média é igual a taxa de pico• Parâmetros para caracterizar o tráfego

– Taxa de transmissão� 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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� 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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Mídias Discretas e ContínuasMídias Discretas e Contínuas

� 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

� 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

pode ser alterado

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Mídias DiscretasMídias Discretas

� Mídias discretas (estáticas)• Texto• Gráficos e Imagens Estáticas

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Mídia TextoMídia Texto

� Caracteres são convertidos para uma representação com um número fixo de bits

� Captura de Texto• Digitação, OCR (Optical Character Recognition)

� Texto não-formatado• Texto limpo (plaintext)• Ex.: código ASCII 7 bits / 8 bits, EBCDIC, Unicode

� 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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Requisitos de Comunicação da Mídia TextoRequisitos de Comunicação da Mídia Texto

� Tráfego gerado em rajada� Vazão média depende da aplicação

• Poucos bps => correio eletrônico• Mbps => transferência de arquivos

� Normalmente, retardo máximo e variação do retardo não são críticos

� Erros não são tolerados

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Mídia ImagemMídia Imagem

� Bloco bidimensional de pixels ou pels (pictureelements), sendo cada pixel representado por um número fixo de bits • RGB, YUV

� Captura de Imagens• Câmera Fotográfica, Scanner, etc.

� Tipos• Gráficos• Imagens estáticas (fotografias, paisagens)

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VGAVideo Graphics Display

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� O olho humano vê uma única cor quando três cores primárias são apresentadas simultaneamente.

� 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

� Componentes Subtrativas partem do branco e caminham em direção ao preto à medida que as componentes são acrescentadas.• C (cyan), M (magenta), Y (yellow)• Impressão

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ComponentesAditivas

RGB

ComponentesSubtrativas

CMY

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� 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).

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Tecnologia Tecnologia RasterRaster--scanscan

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� 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

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� 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 Coresou CLUT – color lookup table).

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� 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.

� 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)

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CoresCores

� 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

freqüência/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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CoresCores

� 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

� Crominância• Matiz e saturação• Cb = B – Y• Cr = R – Y

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CoresCores

� 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

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Requisitos de Comunicação da Mídia ImagemRequisitos de Comunicação da Mídia Imagem

� Tráfego gerado em rajada� Vazão média depende da aplicação

• Kbps, Mbps� Normalmente, retardo máximo e variação do

retardo não são críticos� Tolerância à erros depende da aplicação

• Imagens estáticas sem compressão toleram• Imagens médicas ou cartográficas não toleram

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Mídias ContínuasMídias Contínuas

� Mídias Contínuas (dinâmicas ou dependentes do tempo)• Digitalização de Sinais• Áudio• Vídeo

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TiposTipos de de SinalSinal

� Sinal Analógico• Variação Contínua

� Sinal Digital• Variação Discreta• Intervalo de Sinalização

Qualquer informação pode ser transmitida através de sinal analógico ou digital

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Sinal AnalógicoSinal Analógico

� Amplitude do sinal varia continuamente com o tempo� 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.

+ + ....+

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ExemploExemplo

� Sinal de voz: 50Hz a 10KHz� Música de Orquestra: 15Hz a 20KHz

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Gráfico que mostra a “contribuição” de cada freqüência componente(harmônico) na construção do sinal resultante. Esta contribuição está intimamente relacionada à amplitude daquela componente.

Exemplo:espectro de umsinal de voz

dB

40

4000Hz

Espectro de um Sinal

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Banda PassanteBanda Passante

� Banda passante• intervalo de freqüências [fmin, fmax]

� Largura de banda• fmax – fmin

� Exemplo:• Música de Orquestra

– Banda passante: [15Hz, 20KHz]– Largura de banda: ~20KHz

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Digitalização de SinaisDigitalização de Sinais

Codificando cadanível 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

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Codificadores de SinaisCodificadores de Sinais

� A conversão de um sinal analógico em digital é realizadopor um circuito eletrônico chamado Codificador de Sinal.

� Composto de dois circuitos principais• Filtro Limitador de Banda• Conversor Analógico Digital

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ExemploExemplo

A - Sinal Original

B - Saída do Filtro

C - Relógio de Amostragem

D - Amplitude das Amostras

E - Valor binário da amostradepois da quantização

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Sinal original

Pulsos PAM

Pulsos PCM

Saída PCM 100110011010101010100001101111101

7.0

6.0

4.1 4.52.5

5.0

2.23.01.1

5.0 5.0

100 110 011 010 101 010 100 001 101 111 10101234567

PCM PCM -- Pulse Code ModulationPulse Code Modulation

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Taxa de AmostragemTaxa de Amostragem

� O teorema de Nyquist diz que, para se obter uma representaçãoprecisa de um sinal analógico, a amplitude do mesmo deve ser amostrada à uma taxa igual ou superior a duas vezes a frequênciada componente de mais alta frequência do sinal.

� A taxa de Nyquist é dada em Hz ou em amostras por segundo (sps)� Amostragens abaixo da taxa de Nyquist introduzem componentes

de frequência adicionais ao sinal, causando distorção definitiva no sinal original (alias signal).

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Taxa de AmostragemTaxa de Amostragem

� O filtro limitador de banda serve para descartarsinais com frequência maior que a taxa de Nyquist, por este motivo o filtro limitador de banda também é chamado filtro anti-aliasing.

� Para se evitar o problema de sinais alias, a taxade amostragem é usualmente escolhida de acordocom a banda passante do meio de transmissão aoinvés da frequência do sinal. • O meio de transmissão pode funcionar como um

filtro de sinal.

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QuantizaçãoQuantização

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Ruído de QuantizaçãoRuído de Quantização

� A diferença entre o valor real de uma amostra e seu representante binário é chamado erro de quantização. Como este erro varia de amostrapara amostra, a distorção causada por tal erro é chamada ruído de quantização.

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AcessoAcesso a a ProvedorProvedor

A/D D/A

CentralCentral

D/A A/D

A Conversão Analógico/Digital

Gera um Ruído chamado Ruído de Quantização

MODEM

Não Não é é possível mais possível mais do do que que 33.6 kbps !!33.6 kbps !!

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A/D

CentralCentral

D/A A/DMODEM

Linha Digital (T1 ou E1, p. ex.)

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A/D

CentralCentral

D/A A/DMODEM

33.6kbps

~56kbps

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Decodificadores DigitaisDecodificadores Digitais

� 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, precisausar um decodificador digital para emitir som através de um alto-falante.

• Composto por um Conversor Digital/Analógico (DAC) e um filtro passa baixa.

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� Normalmente o filtro passa baixa filtra as mesmas frequências do filtro de limitação de banda do codificador digital

� Como a maioria das aplicações multimídiaimplementa comunicação bidirecional, usualmente os codificadores digitais e decodificadores analógicos são construídos emum dispositivo único chamadocodificador/decodificador de áudio/vídeo, ousimplesmente codec de áudio/vídeo.

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Mídia ÁudioMídia Áudio

� Mídia Tipicamente Analógica• Representação Digital, quando necessário para integração

com mídias digitais, através de digitalização do Sinal Analógico por amostragem.

� Captura de Áudio• Microfone

� 2 tipos de sinais de áudio:• Sinal de voz:

– 50Hz a 10KHz• Música

– 15Hz a 20KHz– Estéreo: 2 canais

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Voz PCMVoz PCM

� Padrão G.711 usado nas redes telefônicas (PSTN – publicswitched telephone network)

� Banda passante limitada• 200Hz a 3.4KHz

� Taxa de amostragem mínima de 6.8KHz� Taxa de 8KHz é usada� 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

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Áudio Qualidade CDÁudio Qualidade CD

� Padrão CD-DA (CD-digital audio)� Banda passante

• 15Hz a 20KHz� Taxa de amostragem mínima de 40KHz� Taxa de 44.1KHz é usada� PCM com 16 bits por amostra� Estéreo: 2 canais

• Taxa por canal:– 44.1 x 103 x 16 = 705.6Kbps

• Taxa total:– 2 x 705.6kbps = 1.411Mbps

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Áudio sintetizadoÁudio sintetizado

� Espaço necessário para armazenar áudio sintetizado é 2 a 3 vezesmenor que a versão equivalente digitalizada.

� Sintetizador segue o padrão MIDI (Music Instrument Digital Interface)

� 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 seqüência de mensagens MIDI• Gerador de áudio usa amostras de sons produzidas por instrumentos

reais (wavelet synthesis)

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Requisitos de Comunicação da Mídia ÁudioRequisitos de Comunicação da Mídia Áudio

� 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� Vazão média depende da aplicação

• Voz (PCM) – 64Kbps• Qualidade de CD estéreo – 1.411 Mbps

� Tolerância a erros• Relativamente alta (perdas de 1 a 20% são toleráveis

dependendo de como a voz é codificada)55


Requisitos de Comunicação da Mídia ÁudioRequisitos de Comunicação da Mídia Áudio

� Variação estatística do retardo (em redes de pacotes) deve ser compensada

� Retardo de transferência máximo é crítico• Principalmente em conversações

– Retardo < 150 ms não é percebido pelo ouvido humano

– Retardo entre 150 e 400ms é aceitável– Retardo > 400ms => conversa ininteligível

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Mídia VídeoMídia Vídeo

� Mídia Tipicamente Analógica• Representação Digital, quando necessário para

integração com mídias digitais, através de digitalização do Sinal Analógico por amostragem.

� Captura de Vídeo• Câmeras de Vídeo

� Estrutura do Vídeo• Resolução espacial (resolução geométrica +

resolução de cor)• Resolução temporal (no. de quadros por seg.)

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Difusão de TVDifusão de TV

� 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)

� Formato da imagem• TV tem formato de imagem 4:3.• Cinema e TV de tela larga tem formato de imagem 16:9.

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Difusão de TVDifusão de TV

� 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

• linhas ímpares e pares

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Varredura entrelaçadaVarredura entrelaçada

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Varredura entrelaçadaVarredura entrelaçada

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Varredura EntrelaçadaVarredura Entrelaçada

� Sistema NTSC• 525 linhas

– 262.5 linhas por campo (240 visíveis)• 30 quadros/seg

� Sistema PAL/CCIR/SECAM• 625 linhas

– 312.5 linhas por campo (288 visíveis)• 25 quadros/seg

� Brasil – PAL-M• Padrão americano com sistema de cores Europeu (525 linhas, 30 q/s)

� Taxa de refresh• 60/50 campos/seg

� Taxa de refresh de quadros• 30/25 quadros/seg

� Sensação de 60/50 quadros/seg

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CoresCores

� Para manter compatibilidade com TV preto e branco• Luminância (preto e branco) e crominância são combinadas

em um sinal de vídeo composto� 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

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Tipos de Conectores de VídeoTipos de Conectores de Vídeo

� Composite Video (vídeo composto) ou RCA• 3 componentes (YCrCb) combinadas

� S-Video ou Super Video ou S-VHS• Separa as componentes de luminância e

crominância com resolução máxima de 480/576 linhas

� Component Video (vídeo componente)• Separa as componentes RGB ou YCrCb com

resolução de até 1080 linhas• 3 cabos RCA

� Conector RF• Usado em cabos coaxiais

Vídeo composto

S-Video

Vídeo componente

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Vídeo DigitalVídeo Digital

� Olho humano é mais sensível à luminância que a crominância

� Sinais de crominância podem ser transmitidos com resolução menor que o de luminância

� ITU-R (ITU Radiocommunications Branch) – antigoCCIR• 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

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• 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

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Formato 4:2:2Formato 4:2:2

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• Formatos de digitalização– Formato 4:2:0

• Uso para difusão de TV digital (YCrCb)

• Mesma resolução paraluminância e metadepara crominância

• Sistema de 525 linhas– Y=720x480– CrCb=360x240

• Sistema de 625 linhas– Y=720x576– CrCb=360x288

• Taxa de 162 Mbps

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� 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)

� Outros Formatos• SIF, Sistema de 525 linhas: Y=360x240; CrCb=180x120• Videoconferência: CIF, 4CIF, 16CIF• Videotelefonia: QCIF, Sub-QCIF/S-QCIF

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Requisitos de Comunicação da Mídia VídeoRequisitos de Comunicação da Mídia Vídeo

� Natureza do Tráfego• Sem compactação/compressão

– Contínuo com Taxa Constante – CBR• Vídeo comprimido

– Contínuo com Taxa Variável – VBR • Reprodução no destino à taxa constante

� Vazão média depende da aplicação� Tolerância a erros

• Erros podem se propagar quando técnicas de compressão são utilizadas

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Requisitos de Comunicação da Mídia VídeoRequisitos de Comunicação da Mídia Vídeo

� Variação estatística do retardo deve ser compensada

� Retardo de transferência máximo é crítico• Comunicação interativa de tempo real

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