O documento discute a evolução da televisão, desde as primeiras transmissões experimentais até o desenvolvimento da televisão digital e de alta definição. Apresenta os principais conceitos por trás da compressão de vídeo digital, como a transformada discreta de cossenos e os padrões MPEG, que permitiram transmitir múltiplos canais de TV em uma única faixa de frequência. Também aborda as tecnologias de visualização e suas características para reproduzir conteúdo televisivo e de computador.

1. Televisão Digital e HDTV - TV de Alta Definição Guido Stolfi Departamento de Telecomunicações Escola Politécnica - USP  G.S 2003

2. Evolução Tecnológica e Motivações Características da TV convencional e Hi-Vision Compatibilidade PC x TV Considerações sobre meios de visualização Televisão Digital: SDTV e HDTV Compressão de Vídeo e Áudio Transmissão Digital ATSC, COFDM, ISDB-T Apêndice: TV no mundo

3. 1- Evolução Justificativas Tecnológicas Motivação  G.S 2003

4. Evolução Tecnológica: Cinema  TV 1954 – TV a Cores NTSC 1986 – TV Estéreo 1941 – Padrão “M” 1925 – Primeiras Transmissões Experimentais “ Wide Screen” - 1952 Cinema falado - 1926 Cinema a Cores - 1939 Cinematógrafo - 1895 1930 – TV Comercial “IMAX” - 1970  G.S 2003

5. Critérios para Dimensionamento dos Parâmetros de Imagem da TV Aplicação (O que deve ser mostrado na imagem) Acuidade Visual (O que o olho consegue discernir) Limitações Tecnológicas (O que é viável transmitir)

6. A Aplicação da Televisão Como Entretenimento

7. Condições de Visualização da TV 640 pontos A = 480 linhas 7 x A 1 minuto de grau Elemento de Imagem (pixel)

8. Padrão “M”: um Sistema Viável 60 Imagens por segundo Determinado por critérios de cintilação e interferências c/ rede elétrica Entrelaçamento 2:1 Ângulo de visualização: 10 graus (hor.) Relação de Aspecto: 4:3 480 linhas ativas 640 elementos de imagem por linha Baseado no limite de acuidade visual de 1’

9. Estagnação do Mercado de TV na Década de 80 Patentes Expiradas Margens de Lucro Reduzidas Concorrência Acirrada Saturação do Espectro de Radiodifusão Incompatibilidade com Cinema “Wide Screen”

10. Ocupação da Banda de UHF Devido à susceptibilidade de interferências nos receptores, a ocupação dos canais de UHF é muito rarefeita. Em 1981, a FCC realoca os canais 70 a 83 de UHF para a telefonia celular. N-1, N+1, N+7, N+8, N+14, N+15 N Canais com Interferência Canal transmitindo

11. Ameaça à Expansão da TV Comercial Restrições de alocação de freqüências comprometem a expansão das emissoras de TV. FCC pretende realocar mais canais de TV para serviços de comunicação móvel. TV contra-ataca pedindo alocação de banda para um novo serviço: a TV de Alta Definição.

12. “ Hi-Vision” (NHK- 1964-1985) 1035 Linhas Ativas Relação de Aspecto 16:9 60 Imagens por segundo Entrelaçamento 2:1 Ângulo de Visualização: 30 graus (hor.) Banda Passante: >20 MHz

13. Hi-Vision (NHK, 1985) NHK

14. Dimensionamento do Ângulo de Visualização para HDTV

15. Ocupação do Campo Visual

16. Relação de Aspecto da HDTV Compatibilidade com imagens 4:3 4  3 (12  9) 4  3 4  3 4  3 16 9

17. Relação de Aspecto da HDTV Compatibilidade com formatos de Cinema

18. Comparação do Campo Visual TV  HDTV NHK

19. Alternativas para “Simulcasting” em TV Centralizada (Ação) “ Close” (Expressão) “ Letterbox” (Ação total)

20. “ Simulcasting”em HDTV Enquadramento típico de TV (640 x 480) Interpolação para HDTV (1440 x 1080)

21. “ Simulcasting” em Condições Reais de Visualização (Perspectiva deformada)

22. Dimensões Ideais da Tela 75 x 130 cm (60”) 30 x 40 cm (20”) 2,5 m 100 x 190 cm (85”) 45 x 60 cm (29”) 3,5 m 150 x 260 cm (120”) 61 x 82 cm (40”) 5 m 48 x 85 cm (38”) 21 x 28 cm (14”) 1,6 m 23 x 45 cm (20”) 10 x 13 cm (6”) 80 cm HDTV TV Convencional Distância de Observação

23. TV de “Mesma Definição” 1920 640 480 1080 1’

24. Requisitos de Implantação da HDTV Equipamentos de produção (câmeras, VT’s, efeitos, etc.) Cenografia, iluminação Direção, interpretação Programação adequada ao meio

25. Implantação da HDTV nos EUA: Concessões da FCC 1 canal adicional, não contíguo, para transmissão de HDTV Transmissão em “Simulcast” Canal adicional sujeito a interferências de TV convencional Canal adicional não pode interferir na TV convencional.

26. Propostas Analógicas de HDTV Ex.: Philips HDS-NA (1989)

27. Philips HDS-NA

28. Testes Preliminares nos EUA Propostas Analógicas de HDTV com canal adicional não tem desempenho satisfatório. O uso de processamento digital é a única saída viável para comprimir a informação de HDTV em um canal de comunicação de 6 MHz (ex.: proposta General Instruments). Enquanto a HDTV aguardava definições, a tecnologia desenvolvida encontrou aplicação imediata na Televisão Convencional, com atrativos como multiplicar a capacidade do canal de comunicação e permitir serviços adicionais.

29. Transmissão Analógica x Digital 1 Programa de TV Convencional 1 Canal analógico de 6 MHz (AM-VSB) 1 Programa de TV Convencional 1 Canal digital de 25 MHz (ex.: QAM)  

30. Transmissão Digital com Compressão 6 Programas de TV ou 1 Programa de HDTV 1 Canal digital de 6 MHz 

31. Decisão da HDTV nos EUA Quatro propostas digitais são testadas; FCC não se decide por nenhuma Prevendo fracasso comercial, os 4 proponentes apresentam uma proposta única, a “Grande Aliança” FCC homologa proposta, que inclui compressão e transporte MPEG, áudio AC-3 e transmissão 8-VSB, e estabelece prazo (2006) para fim das transmissões analógicas.

32. 2- Compatibilidade PC x TV Convergência Condições de Uso Condições de Visualização

33. Previsão do Futuro... “ Dentro de 3 anos não teremos mais aparelhos de TV, apenas computadores com telas de alta qualidade e programação digital, recebendo ABC, NBC, HBO, BBC e qualquer coisa que pudermos imaginar.” (Andrew Lippman – Diretor, MIT Media Lab - 1989)

34. PC x TV Digital: Elementos Comuns “ Display” (Cinescópio, LCD etc.) Processamento Digital Som Controle (“data entry”)

35. Objetivo do PC: Manipulação de Documentos Interatividade, análise e criação de informação textual e visual Metáfora: Mesa de Trabalho

36. Objetivo da Televisão: Entretenimento Áudio-visual Percepção de realidade virtual obtida através da ilusão dos sentidos (visão e audição), especialmente através de imagens em movimento.

37. Processos Visuais para Determinação de Distância Foco Ocular Visão Binocular / Disparidade Paralaxe de Movimento Fator de Escala de Objetos Conhecidos Texturas e Saturação

38. Foco Ocular Informação intensa para curtas distâncias (< 1m)

39. Visão Binocular Informação fortíssima para curtas distâncias (dentro do alcance físico); decresce até distâncias médias (< 100 m)

40. Paralaxe de Movimento Depende da amplitude do movimento; em condições de visualização normal é intensa para distâncias curtas (< 10 m)

41. Fator de Escala Forte para qualquer distância (centímetros a quilômetros); depende de aprendizado 1m 500m

42. Texturas / Saturação Estimativa razoável para distâncias longas (até vários km) Perto Longe Muito longe

43. Diferenças na Percepção de Distâncias 2,5 metros 80 cm

44. PC  TV Televisão: Janela para o mundo Imagens reais Entretenimento Ilusão de realidade Receptividade Coletividade Escuro PC: Mesa de Trabalho Imagens artificiais Leitura / escrita Criação / desenho Interação Interpretação Individualidade Claro

45. Tecnologias de Visualização Visão direta: Cinescópio (TRC) Tela de Plasma Cristal Líquido (LCD) retro-iluminado Projeção (frontal ou retro) : Com TRC’s Micro-espelhos Cristal Líquido transmissivo

46. Caracterização das Tecnologias de Dispositivos de Visualização Colorimetria Peso, volume Custo Durabilidade Ângulo de visualização Persistência luminosa

47. Persistência Luminosa da Imagem

48. Efeito Visual da Persistência

49. Telecinagem (Pull-down 3:2)

50. Requisitos do Sistema de Visualização Reprodução de Movimento: Persistência baixa Mesma taxa de varredura que a captura da imagem (ex.: 60 Hz, 2:1) Reprodução de textos: Persistência alta Taxa de varredura determinada pela cintilação (ex.:  75 Hz, p)

51. 3- Televisão Digital Conceitos Compressão de Dados

52. Previsão do Futuro... “ Nós teremos Televisão Digital no mesmo dia que tivermos a máquina de anti-gravidade”. Joe Flaherty, vice-presidente de Tecnologia da CBS, 1989

53. Do Que é Feita a TV Digital Amostragem + Quantização Compressão de Dados Formatação de Dados Transmissão Digital

54. Elementos de um Sistema de Comunicação Digital

55. Necessidade de Compressão de Dados Padrão D-1 (CCIR 601): 1 linha = 720 amostras de Luminância + 2× 360 amostras de crominância 720 pixels/linha × 482 linhas × 30 frames = 10.411.200 pixels/s × 8 bits × ( 1 + 1/2 + 1/2) = 166,58 Mbit/s Padrão D-2 (Digital Composto): 1 linha = 51  s ; Taxa de Amostragem = 14,31818 MHz 14,31818 MHz × 51  s = 730 amostras / linha × 482 linhas × 30 frames = 10.555.800 amostras/s × 8 bits = 84,45 Mbit/s Padrão D-6 (HDTV Digital): 1920 pixels × 1080 linhas × 30 frames = 62.208.000 pixels/s × 8 bits (1 + 1/2 + 1/2) = 995 Mbit/s

56. Capacidade de Canais para Comunicação Digital Cabo Coaxial (Modulação 64-QAM) Relação Sinal/Ruído Maior que 30 dB Taxa Bruta: 43 MBits/s Taxa Líquida: 38 MBits/s Radiodifusão / UHF (Modulação 8-VSB) Relação Sinal/Ruído Maior que 15 dB Taxa Bruta: 38 MBits/s Taxa Líquida: 19 MBits/s Satélite DTH ( Direct to Home ) (Modulação QPSK) Taxa Bruta: 40 MBits/s Taxa Líquida: 18 MBits/s

57. Codificador com Preditor

58. Compensação de Movimento

59. Codificador “Com Perdas” Sinal reconstruído não é exatamente igual ao sinal transmitido; Objetivo: eliminar informação a ser transmitida, desde que o erro de reconstrução seja imperceptível em condições normais de visualização .

60. MPEG: Moving Pictures Experts Group Participantes: ISO IEC ITU EBU SMPTE ATSC

61. Padrões MPEG ISO/IEC 11172a (MPEG-1) Imagens não entrelaçadas Compensação de Movimento DCT + Quantização + RLE / Huffman Objetivo: taxas de até 1,5 Mbit/s Videoconferência, multimídia Áudio Estereofônico

62. Padrões MPEG ISO 13818-1 (Sistema / Transporte) Pacotes de comprimento fixo Fluxo de Dados Multi-programa ISO 13818-2 (Codificação MPEG-2 Vídeo) Imagens entrelaçadas Taxas até 20 a 100 Mb/s ISO 13818-3 (Codificação MPEG-2 Áudio) 5.1 canais Quantização adaptativa / sub-bandas

63. Codificador MPEG

64. Transformada Discreta de Cossenos (DCT)

65. Primitivas da Transformada Discreta de Cossenos (DCT)

66. Quantização dos Coeficientes Q(u,v) = (Imagens tipo I ) 83 69 56 46 38 35 29 27 69 56 46 38 34 29 27 26 58 48 40 35 32 29 27 26 48 40 35 32 29 27 26 22 40 37 34 29 27 26 22 22 38 34 34 39 27 26 22 19 37 34 29 27 24 22 16 16 34 29 27 26 22 19 16 8

67. Exemplo de Codificação DCT Bloco 8 x 8 94 78 76 65 68 69 79 87 83 65 61 55 59 64 71 85 75 58 68 77 70 60 65 79 70 68 88 126 104 68 61 67 69 70 106 154 122 71 58 63 73 66 104 144 113 68 59 62 72 69 85 109 90 66 59 63 73 64 61 70 66 61 55 52

68. Coeficientes DCT -1 0 -1 -1 -2 -1 -1 -1 -2 1 -3 2 -1 2 -1 -4 -1 2 0 -1 -3 3 1 -10 1 -4 1 -1 -2 -13 -8 11 3 0 6 -9 -15 35 13 -50 -5 7 10 -30 -25 77 8 -46 6 -6 -7 11 9 -62 -21 7 3 -1 -20 55 25 -62 -29 -415

69. Coeficientes DCT Quantizados 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 -1 2 0 -2 0 0 0 0 0 5 0 -2 0 0 0 0 0 -4 -1 0 0 0 0 1 1 -3 -3 -26

70. Reordenação em Zig-zag [ -26 -3 0 -2 -1 -3 1 -4 0 -2 1 0 5 0 1 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 -1 EOB ]

71. Codificação RLE (Run-Length Encoding ) [ -26 0/-3 1/-2 0/-1 0/-3 0/1 0/-4 1/-2 0/1 1/5 1/1 3/2 6/-1 EOB ] 1o. coeficiente Número de zeros anteriores Valor do coeficiente Símbolo

72. Codificação Huffman por Tabela de Códigos 111001010 001011 0001101 111 001011 110 00001101 0001101 110 0000000110110 0110 001001000 0001011 10 Total: 87 bits (Compressão: 5,9 :1) EOB -26 0/ ± 3 Sinal(-)

73. Efeitos da Compressão (DCT+Quantização) Imagem Original (40x40) Imagem Comprimida ~20:1

74. Efeitos em Blocos Típicos

75. Compensação de Movimento

76. Predição de Movimento Bidirecional

77. Grupos de Imagens em MPEG

78. Perfis MPEG-2 Todos os recursos e codificação 4:2:2 (Dobro de amostras de Crominância) Alto (HP) Codificação Hierárquica com níveis diferentes de prioridade para imagem 4x3 e 16x9 Escalável Espacial (SSP) Codificação Hierárquica com níveis diferentes de prioridade para imagem básica e detalhes Escalável em SNR (SNRP) Predição bidirecional ( Quadros tipo B) Principal (MP) Nenhum (Sistema Mínimo) Simples (SP) Recursos Adicionais Perfil

79. Níveis de Desempenho MPEG-2 20 ~ 100 Mb/s 1080 Linhas x 1920 Pontos (Formato HDTV - Qualidade Estúdio) Alto (HL) 20 ~ 60 Mb/s 1080 Linhas x 1440 Pontos (Formato HDTV) Alto-1440 (H14L) 4 ~ 6 Mb/s 480 Linhas x 720 Pontos ( CCIR-601 - Qualidade Estúdio p/ TV Convencional) Principal (ML) ~1,5 Mb/s 240 Linhas x 360 Pontos ( qualidade VHS) Baixo (LL) Taxa de Bits Formato de Vídeo Nível

80. Exemplos de Formatos MPEG-2 [email_address] = Multimídia, Vídeo-Conferências (~ MPEG-1) [email_address] = SDTV ( Ex.: DirecTV, DigiSat, DVB ) [email_address] = Radiodifusão Terrestre HDTV

81. Transporte de Dados: Estrutura do Pacote MPEG-2 Vídeo 1 Áudio 1 Áudio 2 Vídeo 1 Vídeo 1 Vídeo 1

82. Estrutura do “Header”

83. Descrição do PID (Packet Identifier) Tipo de Pacote: 0h = Mapa de Programa 1h = Vídeo 4h = Áudio Principal 5h = Áudio Secundário Ah = Dados tttt Número do Programa (1 - 255) pppppppp Programa TV / Outros x

84. Multiplexação de Programas

85. 4 - Compressão de Áudio Codificação Perceptual MPEG / AC-3

86. Sensibilidade do Ouvido Humano

87. Mascaramento Nível do Estímulo (dB) Limiar de Mascaramento

88. Codificação por Sub-bandas

89. Codificador MPEG-Áudio

90. Modelo Psico-Acústico

91. Cálculo do Limiar de Mascaramento

92. Padrões MPEG-1 de Codificação MPEG-1 Nível I: Quadros de 12 amostras por sub-banda (384 amostras e 32 sub-bandas); Taxas de amostragem de 32kHz, 44.1 kHz ou 48 kHz mono ou estéreo; MPEG-1 Nível II (MUSICAM): Quadros de 1152 amostras por sub-banda (menor &quot;overhead&quot; ); Análise de espectro para o modelo psico-acústico com FFT de 1024 pontos; Codificação estatística agrupando 3 amostras consecutivas em um único código; MPEG-1 Nível III (MP3): Modelo psico-acústico mais elaborado; Transformada de cossenos (DCT) para subdividir as Sub-bandas Aplicação de janelas temporais curtas ou longas antes da DCT; Pode usar Quantizador não-linear : Y=Q(X0.75]); Codificação de Huffman nas amostras quantizadas; Memória Elástica (&quot;Buffer&quot;) para regularizar a taxa média de bits;

93. Padrão MPEG-2 de Codificação MPEG-2 (Níveis I, II, III): Suporte para 5.1 canais (HDTV), com predição adaptativa dos canais adicionais baseada nos canais L e R; Prevê suporte para até 7 canais adicionais de voz (multilingual); Codificação e decodificação compatível com MPEG-1 (sintaxe inclui um fluxo de dados compatível com MPEG-1 carregando os canais L e R); Aceita outras taxas de amostragem (16, 22.05 e 24 kHz).

94. Codificador Dolby AC-3

95. Desempenho dos Codificadores 45 ms 290 kb/s 3,53 Mb/s 12:1 5.1 DOLBY AC-3 384 kb/s 3,53 Mb/s 10:1 5.1 MPEG-2 / III >80 ms 128 kb/s 1,41 Mb/s 8:1 2 MPEG-1 / III >40 ms 256 kb/s 1,54 Mb/s 6:1 2 MPEG-1 / II (MUSICAM) 292 kb/s 1,41 Mb/s 5:1 2 ATRAC 19 ms 384 kb/s 1,41 Mb/s 4:1 2 MPEG-1 / I Atraso A/D/A Taxa Comprimida Taxa Original Taxa Média de Compressão Canais Padrão de Compressão

96. 5 – Transmissão Digital Benefícios Sistemas Propagação

97. Limitações da Transmissão Analógica Degradações causadas pelo Canal de Comunicação: -Distorção (Não-linearidade) -Ruído (Aditivo; aleatório e impulsivo) -Perdas (Atenuação, Limitação de Banda Passante, &quot;Fading&quot;) -Interferências (Aditivas, de origem humana)

98. Taxa de Erros x Relação Sinal/Ruído QPSK:

99. Qualidade de Imagem x Relação S/R S/N (dB) Qualidade Aparente

100. Benefícios da Correção de Erros S/R (dB) Qualidade Aparente

101. Transmissão Digital: Benefícios Compatibilidade de Meios de Transmissão

102. Compatibilidade de Serviços Transmissão Digital: Benefícios

103. Transmissão Digital: Benefícios Melhor aproveitamento do espectro Canais Analógicos Canais Analógicos + Digitais

104. Transmissão Digital: Benefícios Melhor aproveitamento geográfico Área de Cobertura Área de Interferência Potencial Transmissão Analógica Transmissão Digital

105. Sistema ATSC – Codificação de Fonte e Transporte

106. Sistema ATSC – Codificação de Canal e Modulação

107. Codificador Convolucional e Mapeador 8-VSB

108. Segmento Multinível com Piloto e Sincronismo

109. Desempenho do Sistema ATSC

110. Envoltória e Espectro do 8-VSB

111. Multi-percurso e Equalização Equalizador Adaptativo no Receptor  t1 -k1 -k2 -kn  t2  tn SINAL PROCESSADO SINAL RECEBIDO Modelo da Distorção por Multi-percurso  t1 k1 k2 kn  t2  tn SINAL TRANSMITIDO

112. Cancelamento de Eco pelo Equalizador SINAL TRANSMITIDO SINAL PROCESSADO SINAL RECEBIDO COM ECOS RUÍDO IMPULSIVO RECEBIDO RUÍDO PROCESSADO

113. Modulação COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex)

114. Efeito de Multi-percurso no COFDM

115. Diagrama Tempo/Freqüência

116. Sistema ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting – Terrestrial) EXEMPLO 1 EXEMPLO 2 EXEMPLO 3 HDTV SDTV 1 móvel ou estacionária SDTV 2 móvel ou estacionária Áudio estéreo Áudio estéreo INTERCALAMENTO INTERCALAMENTO 432 kHz 432 kHz 5,6 MHz 5,6 MHz RECEPTOR INTEGRADO RECEPTOR MÓVEL RECEPTOR ÁUDIO PORTÁTIL

117. Parâmetros do ISDB-T (6 MHz)

118. Comparação entre 8-VSB e COFDM Communications Lab

119. De Onde Vem o Eco de 0 dB P1 P2 h1 h2 d

120. Tendência Futura: Receptor Multi-padrão Processamento Digital de Sinais pode implementar qualquer sistema Tuner A/D Processador Digital Memória Vídeo Áudio

121. Apêndice Sistemas de Radiodifusão de TV no Mundo

122. O Brasil No Mundo da TV - 2.0 31.000.000 149 Indonésia - 2.4 37.000.000 628 França - 2.5 39.000.000 653 Inglaterra - 3.0 48.000.000 586 Alemanha 12 3.8 59.000.000 343 Brasil - 3.9 61.000.000 421 Rússia - 5.1 81.000.000 78 Índia 18 5.8 92.000.000 725 Japão 48 15.4 242.000.000 854 Estados Unidos - 23.7 373.000.000 293 China % total 60 Hz % total mundial Aparelhos de TV Aparelhos de TV / 1000 hab País

123. Sistemas de TV no Mundo 50 Hz 1064 mi 68% 60 Hz 506 mi 32%

124. Sistemas de TV no Mundo – 60 Hz NTSC PAL-M NTSC/Jp

125. Sistemas de TV no Mundo – 50 Hz

126. Sistemas de TV Digital