Digital Videotechnology 1.Basics a.Analog Video b.Composite, S-Video, Component 2.Digital Video 1.Sampling 2.Compression 3.Digital Camera 4.DV Format 5.Digital TV

Videotechnology: Actual Situation Studio Digital Video compressed MPEG 2 Modulated QPSK Cable Digital 64 QAM Set Top Box Cable analog Direct Satellite receiver Analog Video Terrestrical Distribution Digital Video Terrestrical OFDM

Introduction to Videotechnology TV Systems (analog) Germany, Austria, Poland... PAL: Phase Alternate Line 625 (576 active) Lines, 50 Hz Interlace aspect ratio 4:3 USA, Japan, latin America NTSC: 525 Lines (480 active) 60 Hz Interlace aspect ratio 4:3

1.Field2.FieldFrame Introduction to Videotechnology = + Interlace

Introduction to Videotechnology Interlace progressive interlaced

CameraCRT or Display Principle of Videotransmission (analog)

0.7 Luminance Distribution in one line

Different Screen Format Introduction to Videotechnology

The Composite Signal How to transmit Color ?

The Colorcompositing Additive ColorcompositingSubtractive Colorcompositing Displays, CRT Print (Paper) RGB CMYK

Y Luminance Cr = R-Y Cb = B-Y In the Videotechnology people are working with Component Signals Y=0.299R+0,587G+0.114B

Matrix R G B Y Cr Cb QAM Chrominace Videosignal (Composite) Luminance C Component signal Different Video Signals S-Videosignal Y/C -Signal Introduction to Videotechnology

The Component Signal Y=0.299R+0,587G+0.114B Generation of Luminance signal from RGB 100 % intensity Red kamera100 % Intensity 100 % Intensität Rot B/W Kamera 30% Intensity

The Component Signal Y=0.299R+0,587G+0.114B Generation of Luminance signal from RGB 100 % Intensity Green kamera100 % Intensity Green B/W Kamera 59% Intensity

The Component Signal Y=0.299R+0,587G+0.114B Generation of Luminance signal from RGB 100 % Intensity Blue kamera100 % Intensity Blue B/W Kamera 11% Intensity

WeißGelbCyanGrünMagendaRotBlauSchwarz The Colorbar How we can explain color bar with RGB ? Task

WeißGelbCyanGrünMagendaRotBlauSchwarz

WeißGelbCyanGrünMagendaRotBlauSchwarz 0,89 1 0,7 0,59 0,41 0,3 0,11

WeißGelbCyanGrünMag.RotBlauSchwarz

Die Chrominanz QAM:Quadratur Amplitude Modulation Principle of QAM: (R-Y,B-Y) is a vector with angle and lenght : V=0,877(R-Y) und U=0,493(B-Y) (U,V) (C,Φ) mit

QAM: Quadrature Amplitude Modulation

Composite Signal Saturation Hue

Farbkreis

Introduction to Videotechnology TV Systems (digital) SDTVHDTVDigitale Filmkamera Pixel720 x x x 3072 Size for Luminance 0,4 MegaPixel2,0 MegaPixel12 MegaPixel Quantisierung8 Bit10 Bit14 Bit Sampling4:2:2 /Y,Cr,Cb 4:4:4/RGB Datarate 25fps125 MBit/s1,485 GBit/s17,3 Gbit/s

Digital Component Signal Y, Cr,Cb Die Components are digitized Quantisation with 10 Bit Die Norm CCIR 601 4:2:2 Y: Digitalization with 13,5 MHz Cr:Digitalization with 6,75 MHz Cb:Digitalization with 6,75 MHz

Digital Component Signal 3,375 MHz 4 13,5 MHz Basic frequency 2 6,75 MHz

Digital Component Signal Sampling and Quantisation of Component CCIR 601 Sampling 4:2:2 and Quantisation with 10 Bit Datarate 270 Mbit/s 1 hour Video material ca. 122 Gbyte

Sampling 4:2:2 Zeile 1 Zeile 2 Zeile 3 Zeile 4 Zeile 5 Zeile 6

4:1:1 Zeile 1 Zeile 2 Zeile 3 Zeile 4 Zeile 5 Zeile 6 Digital Component Signal

DV - Format

Digital Videoformat Digitalization of Videosignals

1 Frame 1 Sekunde 2 Frames3 Frames 25 Frames How big is the data rate ? What is the memory amount for storing 1 hour Video ? Digitalization of Videosignals

DV Format MPEG 2 Standard DVD DVB Digital Video Broadcasting Camcorder Digitalization of Videosignals

DV- Format was establish by Consortium of the leading Broadcast Companies (Sony, Thomson, Panasonic, Philips) Standard since 1994 Applications: Recording Video im consumer field Compression algoritm is optimized of constant Byte/Frame Intraframe Codierung /DV Format

Resolution: 720*576 /25Hz (Luminanz) Sampling 4:2:0 und Quantization 8 Bit Input data rate : ca 125 Mbit/s Compression 5:1 ; Discrete Cosinus Transformation DCT Constant Outputdata rate: 25 Mbit/s Intraframe Codierung /DV Format

Matrix R G B Y Cr Cb Sampling (4:2:0) & Quantization 125 Mbit/s YCrCb Intraframe Coding /DV Format Preprocessing

Zeile 1 Zeile 2 Zeile 3 Zeile 4 Zeile 5 Zeile 6 Intraframe Codierung /DV Format Digitalization of Videosignals 4:2:0 Grid

Huffman- Codierer DCT Transformation Huffman- Decodierer Inverse- Transformation Treshold Coeffizients with small Energy are omitted Intraframe Codierung /DV Format DV Compression: DCT Transformation

A 00 A ,6111,812,11,6 94,174,2-3,81,2 -1,40,40,3-0,6 0,50,70,20, DCT Treshold weighting & Quantization DV (JPEG) : Codierung Muster der 2 dimensionalen DCT Intraframe Codierung /DV Format

, 112, 94, 0, 74, 0, 0, 0, 0, 0,0,0,0,0,0,0 274, 112, 94, 0, 74, 0, !,11 RLE Coding Coeffizienten Matrix Intraframe Coding/DV Standard Zig Zag Process

Block 1Block 2Block N Huffman Codierung DPCM RLE DC Intraframe Codierung/DV Standard

Exsample of DV Compressions Intraframe Codierung/DV Standard Rekonstruktion 26,6 KBOriginal 133,5 KB Compression 1:5

Examples of DV Compression Intraframe Coding/DV Standard Reconstruktion 26,6 KBOriginal 133,5 KB Compression 1:5

Examples of DV Compression Intraframe Coding/DV Standard Rekonstruktion 3,8 KBOriginal 133,5 KB Kompression 1:35

Examples of DV Compression Intraframe Coding/DV Standard Rekonstruktion 2,26 KBOriginal 133,5 KB Compression 1:60

DV Format Intraframe Verarbeitung, Block shuffling 5 Makroblöcke aus unterschiedlichen Bereichen des Bildes werden zu einem Videosegment zusammengefasst 1 Videosegment =5*384Bytes=1920 Bytes 1 Frame 324 Videosegmente Block Shuffling bewirkt gleichmäßige Verteilung der Kompressionseffekte M1 M2 M5 M3 M4 Intraframe Macroblock- Shuffling M1M2M3M4M5 1 Videosegment 1920 Bytes

Intraframe Processing, Block shuffling Bilding Makroblocks 1 Makroblock contain 6 DCT Blocks (8*8 or 2*4*8 Blocks) The Size of Makroblocks is 6*8*8 Byte=384 Bytes 1 Makroblock contain 4 Luminance and 2 Crominanzblocks Intraframe Codierung/DV Standard

Makroblocks 1 Makroblock contains 6 DCT Blöcke (8*8 Blöcke) 1 Makroblock : 4 Luminance and 2 Crominance The Size of the Makroblocks ist6*8*8 Byte=384 Bytes Intraframe Codierung/DV Standard YCrCb

4:2:0 Y Cr Cb Intraframe- Block Shuffling DCT Buffer Quanti- sierung VCL Analyse feste Videodatenrate 25 Mbit/s Feed Forward Steuerung Intraframe Codierung/DV Standard Videoblock

DV Format Verschiedene Herstellerformate DVDVCAMDVCProDVCPro50 Y-Bandbreite5,75 MHz C-Bandbreite2,75 MHz 1,37 MHz2,75 MHz Pegelauflösung8 bit Abtastraster4:2:0 4:1:14:2:2 Signal/Rausch- abstand >56dB Datenreduktionsfaktor5:1 3,3:1 Aufzeichnungsrate42 Mbit/s 84 Mbit/s Videodatenrate25 Mbit/s 50 Mbit/s Anzahl der Zeilen/Halbbild 288 Anzahl der Audio Kanäle 2/4 24

Artefakte bei DV Durch Farbreduktion 3 Probleme: 1.Mosquito Noise 2.Quilting (Diskontinuität benachbarter DCT-Blöcke) 3.Motion Blocking

Artefakte bei DV Mosquito Noise

Artefakte bei DV Quilting bei horizontalen Linien

Artefakte bei DV Motion Blocking

Artefakte bei DV Dropout

Artefakte bei DV Dropout

MPEG Moving Pictures Expert Group 1988 gegründet Ziel: Normierung von Kodiervorgängen für Bewegtbilder und dazugehörigen Tonsignalen Offener Standard Zur Zeit bereits standardisiert: MPEG1, MPEG2, MPEG4 In der Planung MPEG7, MPEG21

MPEG Moving Pictures Expert Group MPEG Algorithmus basiert auf Hybride DCT eine Kombination von DPCM und DCT Bei der DPCM wird die closed loop DPCM verwendet

+ P Huffman coder Huffman decoder – + p + Open-Loop DPCM Schätzwert Diiferenzwert Rekonstruktionswert MPEG Moving Pictures Expert Group

Huffman coder Huffman decoder Methoden der Bildcodierung Close-Loop DPCM + p + + P – Q + + Q

aktuelles Bild vorhergehendes Bild Differenz Methoden der Bildcodierung Interframe DPCM

aktuelles Bild vorhergehendes Bild Bewegungsschätzung und kompensation BK Bild Bewegungsvektor vorhergehendes Bild BK Bild Bewegungsschätzung und kompensation Diff. Bild Methoden der Bildcodierung Interframe DPCM Encoder Decoder

MPEG Moving Pictures Expert Group DCT Q Q Q Q PPPP

MPEG Moving Pictures Expert Group DCT Q B

GOP Group of Picture

B- Frames

Profiles & Levels MPEG 2