Conceptes Clau de Vídeo Digital: Color, Resolució i Compressió

Colors i Codificació RGB

Quins colors són els RGB?

Els colors RGB (Vermell, Verd i Blau) són els colors primaris additius. A partir d'aquests es formen tots els colors que veiem a les pantalles i monitors.

Codificació del color en vídeo (24 bits)

El color es codifica amb 24 bits per píxel (8 bits per al Vermell, 8 per al Verd i 8 per al Blau).

Valors RGB per a Blanc i Negre

• Blanc: R=G=B=255
• Negre: R=G=B=0

Què són els colors secundaris?

Són la suma de dos colors primaris, resultant en el Groc, el Magenta i el Cian.

Valors RGB per obtenir un nivell de gris

Per obtenir un gris, els valors de R, G i B han de ser iguals. Per exemple: Gris clar (R=G=B=200) o Gris fosc (R=G=B=50).

Chroma Subsampling i Qualitat de Color (4:2:0)

És real el color d’un canal de TDT?

No. La TDT utilitza el format 4:2:0. Això implica una reducció de la informació de color (submostreig de croma). La meitat de les línies de color no es graven, i cada línia només té la meitat dels píxels de color gravats. Quan es visualitza, el sistema reconstrueix el color basant-se en els píxels adjacents o superiors.

Significat del format 4:2:0

El format 4:2:0 indica que només es grava la meitat de les línies de color i la meitat dels píxels de color per línia. Aquest és el format utilitzat habitualment per:

• DVD
• TDT
• Pantalles d'ordinadors
• Pràcticament totes les càmeres de vídeo actuals.

Formats, Resolució i Bitrate

Format de digitalització de càmeres DV

Utilitzen el format DV, amb un bitrate d'aproximadament 25-30 Mbps.

Codificació de color del DVD

Cada píxel es codifica amb 24 bits (8 per R, 8 per G i 8 per B).

Formats de resolució estàndard

• El format 360 x 288 és un format estàndard, conegut com a SIF o CIF (la meitat de la resolució estàndard).
• El format QSIF és un quart de la resolució del DVD (180 x 144).

Resolució i format de la TV en HD

La resolució estàndard és 1920 x 1080, utilitzant còdecs MPEG4 o MPEG2. Aquesta resolució prové de multiplicar per tres la resolució de les antigues pantalles VGA de 640 píxels.

Còdecs i Compressió de Vídeo

Què és un còdec fotogràfic?

Un còdec fotogràfic (com MJPEG) comprimeix cada fotograma individualment, com si fos una fotografia (per exemple, en format JPEG). No aprofita la redundància temporal. Per contra, els còdecs temporals (com MPEG) sí que aprofiten aquesta similitud, gravant només les diferències respecte a una imatge de referència (imatge clau).

Comparativa: Compressió Fotogràfica vs. Temporal

La compressió fotogràfica comprimeix menys, però sovint ofereix més qualitat, ja que cada fotograma és independent i no es reconstrueix a partir d'altres imatges clau.

Còdec utilitzat pel DVD

Sí, el DVD utilitza MPEG2. Tots els còdecs MPEG són una combinació de compressió temporal i fotogràfica.

El format AVI i la dependència del còdec

No. El format AVI és només un contenidor. Pot ser creat amb diferents còdecs, i la qualitat, el bitrate i la compatibilitat de reproducció dependran exclusivament del còdec triat.

Group of Pictures (GOP) i Imatges Clau

Què és un GOP?

GOP significa Group of Pictures (Grup d'Imatges). És el conjunt d'imatges que s'analitzen conjuntament per aplicar la compressió temporal.

El GOP típicament conté 15 imatges (en DVD o TDT).

Estructura del GOP

Dins d'un GOP, les imatges es classifiquen en:

• I (Intraframe / Keyframe): Imatge clau de referència, comprimida fotogràficament.
• P (Predictive): Imatges comprimides basant-se en la diferència respecte a la imatge I o P anterior.
• B (Bidirectional): Imatges comprimides basant-se en la diferència respecte a la imatge anterior i la posterior (I o P).

L'objectiu és gravar només les diferències entre imatges properes per aconseguir una alta compressió.

Per què 15 imatges?

Es considera que 15 imatges (aproximadament mig segon) és un temps raonable on és poc probable que hi hagi un canvi d'escena complet, permetent així una compressió temporal efectiva.

Formats que utilitzen MPEG4

El còdec MPEG4 és utilitzat per:

• TDT HD
• Càmeres de vídeo modernes
• Mòbils
• Còdecs derivats com DivX i Xvid.

Estàndards de Resolució i Qualitat

Resolució i Bitrate del DVD i la TDT (SD)

Tant el DVD com la TDT (en definició estàndard) utilitzen una resolució de 720 x 576 píxels.

• DVD Bitrate: Entre 3 i 9,8 Mbps.
• TDT Bitrate: Entre 3 i 4 Mbps.

Velocitat de fotogrames de la TDT

La TDT funciona a 25 imatges per segon (fps).

Avaluació de qualitat de vídeo (180x144, 10 fps)

Aquesta és una qualitat molt baixa (QSIF o QCIF), ja que representa només una quarta part de la resolució estàndard del DVD. A més, amb només 10 imatges per segon, el moviment serà poc fluid (la qualitat mínima acceptable se situa al voltant de 12 fps).

Estratègies per reduir la mida d'un fitxer de vídeo

Per reduir l'espai que ocupa un vídeo, es poden aplicar les següents mesures:

1. Comprimir amb un còdec temporal d'alta compressió (p. ex., MPEG4, DivX, Xvid).
2. Baixar la resolució (p. ex., a SIF o QSIF).
3. Reduir el nombre d'imatges per segon (fps).
4. Convertir a formats optimitzats per a Internet (p. ex., WMV o Real Video).

Visualització de vídeo de baixa resolució (180x144)

Es veurà malament, especialment si es visualitza a pantalla completa. Només és acceptable en pantalles molt petites.

Bitrate de la TV per Internet

Les emissores utilitzen un bitrate baix (típicament entre 150 Kbps i 1 Mbps) per garantir que qualsevol usuari, fins i tot amb un ample de banda limitat, pugui veure el contingut en temps real. Per exemple, TV3 emet per Internet a uns 500 Kbps.

Càlculs de Mida i Aspect Ratio

Mida d'un vídeo DVD de 10 minuts (6 Mbps)

Si s'utilitza un bitrate de 6 Mbps, un vídeo de 10 minuts ocuparia aproximadament 429 MB.

Animació i velocitat de fotogrames

Tot i que es pot dibuixar a menys fotogrames (p. ex., 3 o 4 per segon), l'animació final s'ha de muntar a 25 imatges per segon per ser compatible amb l'estàndard de televisió.

Relació d'Aspecte 16:9 (HD)

La resolució HD (1920x1080) manté la relació d'aspecte 16:9 (1920/1080 = 16/9), que és l'estàndard panoràmic actual.

Diferència entre 16:9 i 4:3

El format 16:9 és el format de pantalla panoràmica utilitzat per les TV i monitors plans actuals. Les TV antigues i les pantalles d'ordinador velles utilitzaven la relació 4:3, un format més quadrat.

Per què no percebem els píxels?

Els píxels i les línies no es perceben a una distància normal de visualització perquè són molt petits. No obstant això, sí que es poden veure clarament en un projector o si ens acostem molt a la pantalla.

Càlculs d'imatges i durada

• Durada de cada imatge (a 5 fps): 1/5 segons = 0,2 segons.
• Total d'imatges en 5 minuts (a 5 fps): 5 minuts * 60 segons/minut * 5 imatges/segon = 1500 imatges.

Càlcul de bits per imatge (720x576, 4:2:0)

Si gravem amb 8 bits per color i treballem amb 720x576 en 4:2:0, el càlcul de bits (segons la lògica simplificada del document) és:

8 bits * 3 components * (720/2) * (576/2) = 2.488.320 bits per imatge.

Càlcul d'espai i capacitat (DVD vs. CD)

1. Mida d'una pel·lícula de 1h 30min (6 Mbps):

Ocuparia aproximadament 3,77 GB.

2. Capacitat del DVD (4,7 GB) a 6 Mbps:

Un DVD estàndard (4,7 GB) pot emmagatzemar:

4,7 GB * 1024 * 1024 * 1024 * 8 Bits = 40,37 Gbits

40,37 Gbits / 6 Mbps = 6728 segons = 112 minuts (1 hora i 52 minuts).

Conclusió: Una pel·lícula de 1h 30min (3,77 GB) no cabria en un CD (que té una capacitat molt inferior), raó per la qual es van introduir els DVD.