UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE Corso di Elaborazione Elettronica di Immagini CODIFICA ED ELABORAZIONE DI SEQUENZE VIDEO

2 Sommario Formati video Codifica di sequenze video 1 Formati video 2 3 Cenni su digital cinema e cinema 3D Elaborazione di sequenze video 4

3 Video analogico Interlacciamento Video digitale FORMATI VIDEO

4 Formati televisivi SD Video analogico Interlacciamento Video digitale NTSC SECAM PAL or PAL/SECAM no info

5 Formati televisivi SD Video analogico Interlacciamento Video digitale Formati PAL e SECAM: 25 fps Formato NTSC: 29,97 fps L active area ha un aspect ratio di 4:3 (i pixel sono rettangolari) Gli spazi vuoti ai bordi danno tempo al fascio di elettroni del tubo catodico di spostarsi alla riga o fotogramma successivo Line blanking Field blanking Usato per trasmettere il televideo

6 Interlacciamento Formati video Video analogico Interlacciamento Video digitale In un tubo catodico, i fosfori si illuminano quando vengono colpiti dal fascio di elettroni e si spengono in breve tempo Flicker Per ridurre il flicker si potrebbe aumentare la frequenza di fotogramma, ma questo aumenterebbe l occupazione di banda in radiofrequenza Soluzione, sviluppata nel : interlacciamento Raddoppiare la frequenza di fotogramma Ogni fotogramma (frame) viene diviso in 2 quadri (fields) In ogni quadro, trasmettere soltanto le righe pari o dispari alternatamente In questo modo, l occupazione di banda resta invariata ma il flicker è meno visibile.

7 Interlacciamento Formati video Video analogico Interlacciamento Video digitale L interlacciamento è motivato da due fattori: Riproduzione del video su tubi catodici Flicker Trasmissione in radiofrequenza Limitazioni di banda L interlacciamento complica notevolmente l elaborazione del video, perché i quadri sono campionati in istanti di tempo diversi. Se non è necessario, il video viene trasmesso in modo progressivo Monitor da PC Video digitale ad alta definizione...

8 Video digitale Formati video Video analogico Interlacciamento Video digitale

9 CODIFICA MEDIANTE STIMA DEL MOVIMENTO

10 Per comprimere una sequenza video digitale, si potrebbe semplicemente codificare ogni fotogramma separatamente (esempio: Motion JPEG) Vantaggi: Basso costo computazionale Buona resistenza agli errori Facilità di editing (il video può essere tagliato e montato in qualsiasi punto) Esempi di applicazioni: Videocamere digitali con cassette Mini DV Digital Cinema Svantaggio: non sfrutta la ridondanza temporale

11 Ridondanza temporale In una sequenza video tipica, i pixel di un fotogramma sono fortemente correlati con quelli del fotogramma precedente Tuttavia, la scena spesso contiene del movimento Movimento degli oggetti Movimento della macchina da presa Conseguenza: i pixel sono correlati con quelli del fotogramma precedente, ma in una diversa posizione

12 Block matching Formati video I codificatori video più comunemente utilizzati Dividono il fotogramma da codificare in blocchi Per ogni blocco, cercano il blocco più simile nel fotogramma precedente

13 Procedimento di codifica Motion estimation 1 Il fotogramma da codificare viene diviso in blocchi, di dimensione fissa o variabile 2 Per ogni blocco, si cerca il blocco più simile (secondo qualche metrica) al blocco in esame all interno di una search region del fotogramma precedente 3 In questo modo, per ogni blocco si ottiene un vettore di movimento Motion compensation 4 Si costruisce una stima del fotogramma da codificare traslando i blocchi del fotogramma precedente secondo i vettori di movimento

14 Procedimento di codifica Codifica 5 Si calcola la differenza tra il fotogramma da codificare e la stima costruita in precedenza 6 La differenza viene compressa, ad esempio mediante DCT o wavelet seguite da codifica entropica Esempio di predictive coding Un fotogramma codificato nel modo descritto è detto di tipo P ( predictive )

15 Tipi di fotogrammi È opportuno, per vari motivi, codificare alcuni fotogrammi in modo autonomo Fotogramma di tipo I ( intra ) o keyframe Primo fotogramma della sequenza Cambi di scena Per consentire spostamenti rapidi Per migliorare la resistenza agli errori Possibili criteri per il posizionamento dei fotogrammi I: Periodico (es. ogni 15 fotogrammi nei DVD PAL) Adattativo (es. ai cambi di scena), entro limiti fissati

16 Tipi di fotogrammi GOP In alcuni casi, è conveniente costruire la stima del fotogramma usando anche fotogrammi successivi Fotogramma di tipo B ( bidirectional ) Esempio tipico: oggetti in movimento che scoprono lo sfondo In questo caso, i fotogrammi vengono codificati e trasmessi fuori ordine L insieme dei fotogrammi tra un I-frame (compreso) e l I-frame successivo (escluso) è detto group of pictures (GOP)

17 GOP Formati video Tipicamente, nessun fotogramma dipende da un fotogramma B Possono essere saltati dal decodificatore se non ha risorse sufficienti

18 Schema a blocchi del codificatore e decodificatore

19 Stima del movimento La stima del movimento ha un costo computazionale molto elevato Esempio: full search su video PAL Risoluzione , blocchi di pixel 1620 blocchi Search region di ± 16 pixel in orizzontale e verticale 33 2 posizioni (trascurando i blocchi ai bordi) Numero di confronti al secondo: È indispensabile usare tecniche di fast search per ridurre il costo computazionale Semplificare l operazione di confronto Ridurre il numero di confronti

20 Stima del movimento Operazione di confronto Metodo ideale: ricerca del blocco che rende minimo il numero di bit necessario per codificare l errore Improponibile in pratica I metodi di codifica che abbiamo visto (predittori, trasformate,... ) tentano di produrre numeri vicini a zero, codificabili con pochi bit Possibile metodo: ricerca del blocco che minimizza l errore quadratico medio Più semplice, ma richiede moltiplicazioni Ulteriore semplificazione: minimizzare la sum of absolute differences (SAD)

21 Stima del movimento Numero di confronti In generale, la SAD varia piuttosto lentamente in funzione dello spostamento ( x, y) È possibile ridurre il numero di confronti. Esempio: log search Alternativa: metodi multirisoluzione, gradient-based,...

22 Stima del movimento Altri metodi Globale Ideale per descrivere i movimenti della macchina da presa Rappresentabile con pochi parametri Tipicamente combinato con altri metodi per descrivere il movimento degli oggetti Pixel-based Non utilizzato nella compressione video Problema indeterminato si impone qualche regolarità nei vettori di movimento Algoritmi di optical flow

23 Stima del movimento Altri metodi Mesh-based Buona qualità (evita gli artefatti di blocchettatura) Alto costo computazionale, sia in codifica sia in decodifica Region-based Richiede una segmentazione Difficile Utilizzato talvolta per la codifica di video sintetici

24 Il metodo descritto in precedenza è comune a buona parte degli standard di compressione video attualmente in uso. I diversi standard si differenziano per i dettagli nell implementazione H.261 Sviluppato nel 1988 per videoconferenza su linee ISDN Risoluzioni fisse: CIF ( ) o QCIF ( ), YCbCr 4:2:0 Introduce la tecnica di block-based motion estimation, con blocchi di pixel Blocchi di tipo I o P, con fotogrammi I inseriti periodicamente Vettori di spostamento interi Codifica del residuo simile al JPEG (DCT 8 8,... ) Codifica differenziale dei vettori di movimento

25 MPEG-1 Pubblicato nel 1993, codifica video e audio Applicazioni: Video CD, PC/Internet. Decodifica software Diverse risoluzioni e bit-rate, YCbCr 4:2:0 Vettori di movimento con risoluzione di 1 2 pixel Stima del movimento bidirezionale MPEG-2 Pubblicato nel 1994 Applicazioni: DVD, TV satellitare, digitale terrestre, HDTV Codifica di video interlacciato Diversi schemi di chroma subsampling Scalabilità (spaziale, temporale, quantizzazione)

26 MPEG-4 Introdotto nel 1998 e tuttora in sviluppo Applicazioni: PC/Internet (DivX, XviD) Vettori di movimento con risoluzione di 1 4 pixel Global motion compensation Supporto per grafica 3D, codifica a oggetti/regioni, texture Metodi di codifica entropica più complessi H.264 / MPEG-4 AVC Pubblicato nel 2003 Applicazioni: Blu-ray, PC/Internet Stima del movimento con blocchi di dimensione variabile, fino a 16 fotogrammi di riferimento, weighted prediction In-loop deblocking filter Metodi di codifica entropica più complessi (es. CABAC)

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28 Telecine Deinterlacciamento CONVERSIONE DI FORMATO

29 Telecine Formati video Telecine Deinterlacciamento Un film su pellicola cinematografica ha 24 fps. Per essere distribuito su DVD o trasmesso in televisione, deve essere convertito a 25 o 29,97 fps interlacciati. Il processo di conversione, e il macchinario utilizzato, prendono il nome di telecine Conversione da film a video PAL/SECAM 1 Il film viene accelerato da 24 a 25 fps 2 Un fotogramma di film viene trasferito su un fotogramma video Il video risultante è progressivo Tipicamente, l accelerazione del video non è visibile. È talvolta necessario elaborare l audio

30 Telecine Formati video Telecine Deinterlacciamento Conversione da film a video NTSC 1 Il film viene rallentato da 24 a 23,976 fps 2 2 fotogrammi di film vengono trasferiti su 5 quadri video con uno schema detto 2:3 pulldown Tipicamente, i quadri ripetuti non vengono codificati e vengono invece inseriti dal decodificatore MPEG-2 Schema analogo: 3:2 pulldown Il procedimento descritto è reversibile: inverse telecine

31 Deinterlacciamento Telecine Deinterlacciamento Operazione indispensabile, ad esempio, per riprodurre un video interlacciato su un PC. Può introdurre artefatti Weave Unione dei due quadri nello stesso fotogramma. Artefatti: combing, perdita di risoluzione temporale Blend Media spaziale e temporale delle righe. Artefatti: ghosting, perdita di risoluzione verticale e temporale Bob Interpolazione spaziale delle linee mancanti. Artefatto: oscillazione verticale dell immagine Selective blend Combinazione di weave e blend, in funzione del movimento. Perdita di risoluzione temporale Motion compensated temporal interpolation Metodo migliore ma con elevato costo computazionale