Dalla TV analogica alla TV digitale. Roma, 17 maggio 2016 Seminario : Dalla TV analogica alla TV digitale Corso : Fondamenti di Telecomunicazioni

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1 Dalla TV analogica alla TV digitale Roma, 17 maggio 2016 Corso : Fondamenti di Telecomunicazioni

2 Un segnale analogico può essere rappresentato mediante una funzione del tempo che gode delle seguenti caratteristiche: 1) definita per ogni valore del tempo 2) continua Segnali analogici Si potrebbe affermare che "è possibile disegnare l'andamento temporale di un segnale analogico senza mai staccare la penna dal foglio..." a = f ( t ) ; t appartiene all'insieme R a appartiene all'insieme R 1

3 Schermo a Tubo Catodico (CRT : Cathode Ray Tube) 2

4 Schermo a Tubo Catodico (CRT : Cathode Ray Tube) Cathode Ray Tube Picture tube Electron guns Electron beams Color signals Electron beams Shadow Mask Phosphor dots Screen 3

5 Rapporto di aspetto, Risoluzione e Frame Rate 4

6 Standard UE ed USA Standard Descrizione Risoluzione Rapporto d aspetto (formato) Velocità (FPS) 480i Video a risoluzione standard NTSC a 60 Hz interlacciato (337,5k) 3:2 (1,5:1) p Video a risoluzione standard NTSC a 30 Hz progressivo (337,5k) 3:2 (1,5:1) i Video a risoluzione standard PAL a 50 Hz interlacciato (405k) 4:3 (1,33:1) p Video a risoluzione standard PAL a 25 Hz progressivo (405k) 4:3 (1,33:1) 25 5

7 Segnali digitali A differenza del segnale analogico quello digitale è costituito da una funzione "tempo discreta" e "quantizzata". Tale funzione risulta pertanto: 1) definita solamente in un insieme numerabile di istanti "equispaziati" 2) dotata di un codominio costituito da un insieme discreto di valori. d = f ( nt c ) ; n appartiene all'insieme Z, d (a meno di un fattore di scala) appartiene all'insieme Z 6a

8 La conversione Analogico-Digitale (A/D) La conversione Analogico-Digitale La conversione A/D richiede tre fasi successive: campionamento - discretizzazione del tempo quantizzazione - discretizzazione della ampiezza codifica - uso di parole binarie per esprimere il valore del segnale 6b

9 Il Campionamento Campionare un segnale analogico significa prelevare da questo una successione temporale di valori costituita dalla successione dei valori istantanei assunti dal segnale in corrispondenza di particolari istanti, detti "istanti di campionamento". L'intervallo che separa due successivi istanti di campionamento viene chiamato "periodo di campionamento" T c ed il suo reciproco, indicato come f c, prende il nome di "frequenza di campionamento". y = f ( nt c ) ; n appartiene all'insieme Z, y appartiene all'insieme R 7

10 La Quantizzazione Per quantizzare il segnale si deve innanzitutto definire il campo di valori entro cui il segnale deve mantenersi per permettere una corretta quantizzazione. Per il campo sopra citato, chiamato "campo di misura", vengono usualmente considerate due alternative: campo unipolare con estremo inferiore nullo ed estremo superiore E c : campo di misura = [ 0, +E c ] campo bipolare con estremo inferiore -E c ed estremo superiore +E c : campo di misura = [ -E c, +E c ]. Definito il campo di misura lo si deve suddividere in un numero arbitrario (ma finito) di intervalli contigui; anche in questo caso si possono avere due alternative principali: suddivisione in intervalli di ampiezza costante: quantizzazione uniforme suddivisione in intervalli di ampiezze diverse: quantizzazione NON uniforme. Si individua poi il valore centrale di ciascun intervallo in cui è stato suddiviso il campo di misura. Si sostituisce infine al valore di ciascun campione del segnale campionato il valore centrale dell'intervallo in cui esso si trova. 8

11 La Codifica La fase di codifica consiste nell'associare ad ogni intervallo in cui è stato suddiviso il campo di misura una parola (di solito espressa in codice binario) che lo identifica in modo univoco. Il sistema di numerazione comunemente in uso é in base 10: dieci simboli (0,1,,9) che, raggruppati in opportune sequenze, rappresentano i numeri naturali; tale sistema e inoltre posizionale perché il significato di ogni cifra dipende dalla sua posizione nella sequenza che costituisce il numero da rappresentare. Per codifica binaria si intende un sistema di numerazione in base 2: un sistema, anch esso posizionale, che utilizzata solo due simboli (0 e 1), particolarmente efficace nella telecomunicazione per la capacità dei circuiti di un elaboratore di utilizzare o memorizzare solo cifre binarie (corrispondenti ai due possibili stati di un circuito elettrico: aperto o chiuso). A tali due simboli si associa, nel linguaggio corrente il termine di bit. 9

12 Standard Definition TV SDTV Un segnale televisivo digitale in definizione standard (SDTV) supporta i formati di visualizzazione coerenti con quelli della TV analogica. 10

13 Evoluzione Tecnologica dei Display 11

14 Hight Definition TV HDTV (1/2) Aumenta la Risoluzione spaziale (da 729 x 576 ad es. a 1920 x 1080) Il rapporto di aspetto: l immagine HDTV utilizza il formato panoramico 16:9 Il formato 16:9 è più vicino al naturale angolo di visione umana (130 in verticale - rispetto alla mediana -; 180 in orizzontale - comprensivo di visione periferica -) 12

15 Hight Definition TV HDTV (2/2) Perché passare all HDTV? Lo standard per l HDTV definisce molti differenti profili ; quelli che attualmente sono i più utilizzati nel mondo sono : 13

16 Schermi a Cristalli Liquidi LCD (1/3) 14

17 Schermi a Cristalli Liquidi LCD (2/3) Schermi LCD di tipo transitivo 15

18 Schermi a Cristalli Liquidi LCD (3/3) Schermi LCD di tipo riflettivo 16

19 Schermi a Cristalli Liquidi OLED (1/2) 17

20 Schermi a Cristalli Liquidi OLED (2/2 Quali sono i vantaggi rispetto all LCD? colori più brillanti e luminosi contrasto elevatissimo angolo di visuale illimitato tempi di risposta molto più rapidi consumi ultra bassi schermi di pochi mm di spessore 18

21 Campioni di Luminanza (Y) e Crominanza (C) In un display a colori ogni pixel è in realtà suddiviso in 3 subpixel dotati di filtro rosso verde o blu : variando la luminosità di ogni sezione si può ottenere una vasta gamma di colori. Ogni pixel è quindi costituito da campioni di luminanza e crominanza in numero variabile in funzione del livello qualitativo che si vuole ottenere (Raccomandazione ITU-R BT.601). 19

22 Raccomandazione ITU-R BT.601 In particolare, la specifica BT.601 prevede che il segnale video nativo in RGB venga convertito in digitale in tre componenti, che non sono i colori primari R,G e B ma sono la Luminanza (Y) e due differenze colore Cb (B-Y) e Cr (R-Y); il verde viene ricavato per differenza algebrica delle tre componenti. 20

23 Rapporto tra campioni di Luminanza e Crominanza Il rapporto tra i campioni di luminanza e crominanza all'interno dell'immagine viene normalmente indicato con : 21

24 Campionamento 4:4:4 22

27 Quantizzazione (1/3) Una sequenza di 8 bit consente di rappresentare 256 livelli quantizzati, che diventano 1024 nel caso si utilizzino 10 bit, con larghezza di banda praticamente uguale. Quanto maggiore é il numero dei livelli, tanto minore é l errore dovuto al processo di quantizzazione (SNQR). 25

28 Quantizzazione (2/3) Quantizzazione a10 bit Quantizzazione a 8 bit 26a

29 Quantizzazione (3/3) 26b

30 Correzione Colore Quantizzazione a10 bit Quantizzazione a 8 bit 27

31 Riassumendo Risoluzione spaziale Tipologia di scansione SDTV HDTV UHDTV (4K) 720x x x2160/3840x2160 Interlacciata Interlacciata Progressiva UHDTV (8K) Progressiva Frequenza dei fotogrammi 25/30 25/30 120, 60, 60/1.001, 50,30, 30/1.001, 25, 24,24/1.001fps Minimo 120 Grandezza tipica dei TV in Europa CRT Schermo piatto Schermo piatto > 84 Schermo piatto Rapporto d aspetto 4:3 16 : 9 16 : 9 16 : 9 28a

32 Schermi sempre più grandi 28b

33 Bit Rate di un segnale HDTV (1/2) Ipotesi : Schema di campionamento : 4:4:4 Risoluzione spaziale : 1920x1080 (n di pixel/fotogramma) Velocità di ripresa : 25 interlacciata (fotogrammi/sec.) Livelli di quantizzazione : 1024 bit (2 10 ) Formula: Bit rate = Coefficiente colore x Risoluzione(pixel/fotogramma) x Frame rate(fotogrammi/sec) x profondità colore(bit) 29

34 Bit Rate di un segnale HDTV (2/2) Bit rate = 1 x (1920x1080) + 1x (11920x1080) + 1x (1920x1080)] x 25 x10 Bit rate = [bit/sec. Bit rate = ca. 1,6 Gigabit/sec. Ricordando che Hz = 1/sec., per gestire il segnale occorrerebbe una Banda di Frequenze di ca. 1,6 GigaHz. 30

35 Higth Dinamic Range HDR 31

36 Higth Dinamic Range HDR Gamma (1/3) 32

37 Higth Dinamic Range HDR Gamma (2/3) 33

38 Higth Dinamic Range HDR Gamma (3/3) Gamma caratteristica del display Correzione del Gamma Linearizzazione del Gamma 34

39 Higth Dinamic Range HDR Dinamica E il rapporto tra il valore di massima intensità (punto più luminoso) ed il valore più basso (punto più scuro) della luminanza nell immagine. Questo rapporto si esprime M : 1 Con M pari al valore di luminanza espressa in derivati del NIT ( 1NIT = 1Cd/m 2 ) 35

40 Higth Dinamic Range HDR Gamma Dinamica Alta 36

41 Higth Dinamic Range HDR Gamma del Sistema Televisivo Gamma System Nella telecamera Nella telecamera Trasformazione Ottico/Elettrica (OETF) Trasformazione Ottico/Elettrica (OETF) Nel televisore Nel televisore Trasformazione Elettro/Ottica (EOTF) Trasformazione Elettro/Ottica (EOTF) 37

42 Higth Dinamic Range HDR Acquisizione (1/2 ) 2 n stop = Dinamica (Contrasto) ; ad esempio : 14 stop = ca : 1 38

43 Higth Dinamic Range HDR Acquisizione (2/2 ) Dynamic Range 16 14,5 stops 14,1 stops 11,8 stops 11,7 stops 11,4 stops 10,9 stops 1 Arri Amira (Log C) Sony A7S (Log 2C) Canon 50 mk III (Technicolor) Canon 10 C (Canon Log) Canon C300 (Canon Log) Panasonic GH4 (Cine-Like) 39