멀티미디어시스템특강 6 강 강의자료 3 장 : 비디오신호에대한기본적인이해
수업목표및내용 q 비디오신호에대한기본적인내용을이해한다. q 비디오신호의종류 q 아날로그비디오와디지털비디오 q 색차신호의부표본화 q 디지털 TV 2/55
3.1 비디오신호의종류 n n n 콤포지트 (composite) 또는복합비디오신호 명도 (uminance)+ 색상 (Chrominance) 혼합후분리하는경우정보손실손실과간섭 (crosstak) 을방지하기위한조정작업필요 콤포넌트 (component) Y, Cr, Cb 의색상정보로분리 (RGB,YUV,YIQ 방식 ) S-Video Cr, Cb 콤포지트신호보다우수한화상 3/55
Types of Video Interfaces - Anaog n Component Video Higher-End Video System using three separate video signas for the R, G, B image panes. Use separate physica connection for each signa. Can use YIQ or YUV. Computer systems w/ RGB signas use component video. Need more bandwidth and good synchronization of the three components.
Types of Video Interfaces - Anaog n Composite Video Coor (chrominance) and Intensity (uminance) signas are mixed into a singe carrier wave. Chrominance as a composite of two coor components (I and Q / U and V) Used by broadcast coor TVs to keep compatibiity with back-and-white TVs. In NTSC, I and Q are combined into a chroma signa and a coor subcarrier puts the chroma signa at the higher end of the channe shared with the uminance signa. Usuay connected with BNC or RCA pug. Interference between the uminance and chrominance signas is inevitabe.
Types of Video Interfaces - Anaog S-video Stands for Separate Video or Super Video. Uses two separate connections, one for uminanace and one for composite chrominance signa. Enhances video quaity by avoiding crosstak/interference between coor and gray-scae information. Sends ess coor detai compared to the gray-scae information.
Types of Video Interfaces - Anaog VGA Video Graphics Array Introduced by IBM in 1987 Started from 640x480 using 15pin D-sub Extended to support up to 2048x1536 at 85Hz (388MHz Bandwidth) Based on RGBHV (red, green, bue, horizonta sync, vertica sync)
Types of Video Interfaces - Digita DVI Digita Visua Interface Deveoped to transfer digita video signas from video card to monitor Carries uncompressed video supporting DVI-D(digita ony), DVI- A(Anaog ony), DVI-I(digita and anaog) mode Based on PaneLink (high-speed seria ink) Video card can read the dispay s capabiity by reading monitor s EDID bock EDID: Extended dispay identification data Contains identification, coor characteristics (incuding gamma eve), supported video modes Singe ink supports Max 165 MHz pixe cock freq. 2.75 megapixes at 60Hz refresh 16:9 aspect ratio, 1920x1080 at 60Hz 2560x1600 at 60 Hz with dua ink
Types of Video Interfaces - Digita HDMI High-Definition Mutimedia Interface Backward compatibe with DVI Popuar in consumer eectronics Defines protocos, signas, eectrica interfaces, and mechanica req. Does not carry Anaog signa Support RGB, YCbCr at 4:4:4 or 4:2:2 Support Digita Audio HDMI 1.0 supports 165 MHz (1080p at 60Hz) HDMI 1.3 supports 340 MHz (WQXGA 2560x1600) HDMI 2.0 reeased in 2013 supports 4K resoution at 60fps
3.2 아날로그비디오 - 주사방식 (scan) (a) 순차주사방식 (b) 비월주사방식 [ 그림 3-4] 공간축에서바라본주사방식 : (a) 순차주사방식 ; (b) 비월주사방식 ( 점선 : 짝수필드, 직선 : 홀수필드 ) 10/55
주사방식 (scan) (a) 순차주사방식 (b) 비월주사방식 [ 그림 3-5] 시간축에서바라본주사방식 11/55
주사방식 (scan) - 비월주사 [ 그림 3-6] 비월주사에의하여각프레임당생성된두개의필드영상 ; (a) 비디오프레임, (b) 필드 1, (c) 필드 2, (d) 필드간차이영상 12/55
주사방식의장단점비교 주사방식장점단점응용분야 비월주사 시간영역에서의고해상 도로인한빠른움직임 표현에유리 에지 (edge) 영역에서의 깜빡임 TV 순차주사 에지 (edge) 영역에서의 깜빡임없음 시간영역에서의저해 상도로인한빠른움직 임표현에불리 컴퓨터모니터 13/55
아날로그 TV 표준 [ 표 3-2] 아날로그 TV 방식들의특징 방식 Fied/Line 종횡비사용국가 NTSC 60/525 4:3 미국, 한국, 일본, 케나다, 멕시코등 PAL 50/625 4:3 유럽, 호주, 중국, 북한등 SECAM 50/625 4:3 프랑스, 동유럽, 러시아, 아프리카등 14/55
아날로그 TV n 세가지대표적아날로그 TV 표준특성 NTSC PAL SECAM Tota ines/screen 525 625 625 Active ines/screen 480 575 575 Pixes/ine 640 580 580 Bandwidth/channe 6 MHz 8 MHz 8 MHz Picture rate/second 29.97 25 25 Bit Rate(uncompressed) 221.2 400.2 400.2 Countries S. Korea German France U.S.A. Japan UK, Rest of Russia Canada Europe French coonies China, N. Korea 15/55
아날로그 TV - NTSC [ 그림 3-7] NTSC 방식의수평주사선신호 16/55
아날로그 TV - NTSC [ 그림 3-8] NTSC 신호의스펙트럼 17/55
TV, 컴퓨터모니터기본원리 n CRT TV 와컴퓨터의 Dispay 에사용 전자빔 (eectron beam) 을스크린에주사 (project) 함으로써, 화 면을형성 n 전자빔에의하여표현된점 (dot or pixe) 들은매우짧은시간동안원형을밝게유지하다점차흐려짐 (fading) n Fickering 현상발생 ( 빔이스크린아래화면을주사할때, 윗라인들의이미지는흐려지기시작하는현상 ) 18/55
TV, 컴퓨터모니터기본원리 그림 3-9: CRT TV/ 컴퓨터모니터의화면주사원리 : (a) CRT 모니터, (b) 래스터 - 스캔원리, (c) 스캔라인의화소형식 19/55
주사방식 (scan) - 비월주사원리 525 ine system -60 fieds/sec refreshed -30 frames/sec refreshed 625 ine system -50 fieds/sec refreshed -25 frames/sec refreshed 20/55
TV, 컴퓨터모니터기본원리 [ 래스터 - 스캔디스플레이구조 ] 21/55
화면해상도 [ 그림 3-10] 화면해상도 : (a) 한프레임에서표시되는라인들 ; (b) 디지털화된공간해상도 22/55
디스플레이해상도표준 표준 (standard) 해상도 (resoution) 색의수 (number of coors) 한프레임저장용량 (bytes) VGA 640 x 480 x 8 256 307.2 KB XGA 640 x 480 x 16 1026 x 768 x 8 64 K 256 614.4 KB 786.432 KB 800 x 600 x 16 64 K 960 KB SVGA 1024 x 768 x 8 256 786.432 KB 1024 x 768 x 24 16 M 2359.296 KB 23/55
전송속도예제 3-1) [ 예제 3-1] 다음과같은디지털영상을 64 kbps와 1.5 Mbps 대역폭을가지는채널을통하여전송할때, 전송하는시간을계산해보자. 1) 640 x 480 x 8 VGA 영상 2) 1024 x 768 x 24 SVGA 영상 24/55
전송속도예제 3-1) 풀이 : VGA 영상의사이즈 = 640 x 480 x 8 = 2.457600 Mbits SVGA 영상의사이즈 = 1024 x 768 x 24 = 18.874368 Mbits 1) 64 kbps 채널 VGA의경우 = 2.4576x10^6/(64x10^3) = 38.4 sec SVGA의경우 = 18.874368 x 10^6 /(64x10^3) = 294.912 sec 2) 1.5 Mbps 채널 VGA의경우 = 2.4576x10^6/(1.5x10^6) = 1.6384 sec SVGA의경우 = 18.874368 x 10^6 /(1.5x10^6) = 12.5829 sec 25/55
디지털비디오 n 많은멀티미디어응용을위해, 아날로그비디오신호는 디지털형식으로변환된다. n 비디오를디지털로표현하는방식의장점 디지털기기메모리등에저장할수있고, 처리될수있으며,( 잡음 제거, 편집등 ) 다양한멀티미디어응용분야에적용가능 직접접근, 비선형적인비디오편집이쉽다. 영상화질의열화없이반복저장및복사가가능 부호화가용이하고, 채널잡음에강하다. 26/55
디지털비디오 [ 그림 3-11] 디지털영상처리시스템에서의영상의디지털화, 저장, 표시블록도 ] 27/55
디지털비디오 [NTSC 합성칼라신호는 RS-170 신호에칼라부반송파신호를추가한신호 ] 28/55
영상의디지털화 [ 그림 3-12] 비디오신호의디지털화과정블록도 29/55
비디오신호의디지털화 (a) 아날로그신호, (b) 아날로그신호에포함된다양한주파수의사인파신호 30/55
비디오신호의디지털화 (c) 아날로그신호의대역폭, (d) 한정된대역폭을전송채널을통하여신호를전송할경우주파수대역문제 31/55
비디오의디지털화 (A/D Converter) [ 그림 3-13] 디지털화과정 : (a) A/D 변환기에대한블록도 (b) 각부분에서의파형 32/55
비디오의디지털화 (A/D Converter) [ 그림 3-14] 양자화과정에서의양자화에러 33/55
비디오신호의디지털화 (A/D Converter) [ 예제 3-2] 입력아날로그신호의대역폭이 15 Hz ~ 10 KHz 일때, A/D 변환기의밴드통과필터의대역폭과샘플러의 Samping rate를다음과같은조건일경우어떻게되는지결정하라. i) 압축없이디지털신호가그냥컴퓨터의메모리에저장될경우 ii) 압축없이디지털신호가 200 Hz ~ 3.4 KHz 대역폭을가진임의의채널을통하여전달되어질경우 34/55
비디오신호의디지털화 (A/D Converter) [ 풀이 ] (i) 나이키스트샘플링이론 (nyquist samping rate) 에의하여 샘플링주파수는적어도 2x10KHz = 20 KHz 또는 20 ksps 이상이여 야하고, 밴드통과필터의주파수대역은 0~ 10 KHz 가되어야한다. (ii) 채널의대역폭이 3.4 khz 이므로, 샘플링주파수는 2x3.4 KHz = 6.8 KHz 또는 6.8 ksps 이상이여야하고, 밴드통과필터의주파수 대역은 0~3.4 khz 가되어야한다. 35/55
디지털 - 아날로그변환기 (digita-to-anaog converter) [ 그림 3-15] 디지털 - 아날로그변환기, (a) 디지털 - 아날로그변환기블록도, (b) 각단계에서의신호 36/55
컬러신호복호화 [ 그림 3-16] 컬러신호복호화 (decoding) 과정 37/55
색차신호의부표본화 (Subsamping) n TV 화면등의횡방향라인에포함되는휘도정보 Y와색차정보 Cb, Cr의세가지성분의비율을 0:0:0로나타내는방법 사람의시각구조는색차정보 (Chrominance 정보 ) 의감소에덜민감하게반응한다. 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0 38/55
색차신호의부표본화 (Subsamping) n 4:2:0, 4:2:2, 4:4:4 밝기 Y와두개의색차 Cb, Cr신호의 Samping 주파수의비인간의눈이색에민감하지않은것을이용하여색정보를삭감하는수단으로사용 4:4:4 색정보를삭감하지않음 4:2:2 횡방향으로색정보를반으로삭감한것 4:2:0 횡방향, 종방향으로모두반으로색정보를삭감한경우 ( 색정보는밝기정보의 ¼이됨 ) 39/55
4:4:4 디지털형식 X : Cb, Cr 색차신호값 Cb, Cr 이영향을미치는범위 : Y 밝기값 Y [ 그림 3-17] MPEG-2 의 4:4:4 의경우밝기신호와색차신호의위치 (X-Y 면 ) 40/55
4:2:2 디지털형식 X : Cb, Cr 색차신호값 Cb, Cr 이영향을미치는범위 : Y 밝기값 Y [ 그림 3-18] MPEG-2 의 4:2:2 의경우밝기신호와색차신호의위치 (X-Y 면 )] 41/55
4:2:2 디지털형식표본화 [ 그림 3-19] 525- 라인시스템 (60 Hz) 에서의 Y: 13.5 MHz, Cb, Cr: 6.75 MHz 로표본화할경우 42/55
4:2:2 디지털형식표본화 [ 그림 3-20] 625- 라인시스템 (50 Hz) 에서의 Y: 13.5 MHz, Cb, Cr: 6.75 MHz 로표본화할경우 43/55
4:2:2 디지털형식 n n n 디지털 TV 표준을위한 CCIR-601 권고디지털형식 Bandwidths, Y: 6 MHz, Cb, Cr: 3 MHz Y 에대한 6 Mhz 의 bandimiting fiter 가필요하고, Cb, Cr 에대한 3 Mhz bandimiting fiter 필요 Y 에대한최소 Nyquist samping rate: 12 Mhz (12 Msps) Cb, Cr에대하여각각 6 Mhz samping rate 표준 Samping rate (525 and 625-ine system) Y: 13.5 Mhz Cb, Cr: 6.75 Mhz 44/55
4:2:2 디지털형식 [ 예제 3-3] 4:2:2 형식으로디지털화하는경우 525-라인시스템과 625- 라인시스템각각에대한한프레임영상을저장하기위한메모리용량과 Bit rate를계산하시요. 또한 1.5 시간동안비디오영상을저장하기위한전체메모리용량을계산하시요. 단 ine samping rate는 Y의경우 13.5 MHz, Cb, Cr의경우 6.75 MHz이다. [ 풀이 ] 525-ine system: Y = 720 x 480, Cb = Cr = 360 x 480 Bit rate: 13.5 x 10^6 x 8 +2*(6.75 x 10^6 x 8) = 216 Mbps Memory per ine: 720 x 8 + 2*(360 x 8) = 11520 bits or 1440 bytes Memory per frame: 11520 x 480 = 5.5296 Mbits or 691.2 kbytes Memory for 1.5 hours assuming 60 frames per second: 691.2 x 60 x 1.5 x 3600 kbytes = 223.9488 Gbytes 45/55
2) 625-라인시스템한라인당 720 샘플이고, 전체라인은 576 라인이샘플된다. 즉, Y = 720x576, Cb=Cr=360x576 이다. n n Bit rate = 13.5 x 10^6x8+2(6.75x10^6x8)=216 Mbps 저장할메모리 - 한라인을저장하기위해서필요한메모리용량 = 720x8+2(320x8)=11520 bits or 1440 bytes - 한프레임을저장하기위해서필요한메모리용량 = 576x11520=6.63555 Mbits or 829.44 kbytes - 1.5시간동안비데오신호를저장할메모리용량 ( 25 frame/sec 가정 ) = 829.44 kbytes x 25 frame x 1.5 x 3600 sec = 111.974400 Gbytes 46/55
4:2:0 디지털형식 X : Cb, Cr 색차신호값 Cb, Cr 이영향을미치는범위 : Y 밝기값 Y [ 그림 3-21] MPEG-1 의 4:2:0 의경우밝기신호와색차신호의위치 (X-Y 면 ) 47/55
4:2:0 디지털형식 [ 그림 3-22] 525- 라인시스템 (60 Hz) 에서의 4:2:0 형식으로표본화할경우공간해상도 48/55
4:2:0 디지털형식 [ 그림 3-23] 625- 라인시스템 (50 Hz) 에서의 4:2:0 형식으로표본화할경우공간해상도 49/55
SIF 디지털화형식 n n SIF(Source Intermediate Format) 디지털표준은 VCR과같은영상화질을얻기위해서표준화된디지털화형식으로 4:2:0 디지털표본화영상해상도의반을사용 SIF 형식은저장용 (storage) 을목적으로표준화되었기때문에순차주사만사용 n - 525-라인시스템 : Y = 360 x 240, Cb = Cr = 180 x 120 n - 625-라인시스템 : Y = 360 x 288, Cb = Cr = 180 x 144 50/55
CIF 디지털화형식 n CIF(Common Intermediate Format) 디지털표준형식은 화상회의 (videoconferencing) 시스템에응용하기위해서 정의된표준형식 n 525- 라인시스템과 625- 라인시스템에공통으로적용되 는표준 n 4:1:1 디지털화형식이라고하기도한다. n QCIF: Y = 176 x 144, Cb = Cr = 88 x 72 n CIF: Y=352 x 288, Cb=Cr=176 x 144 51/55
아날로그 TV 와디지털 TV 의비교 [ 표 3-5] 아날로그 TV 와디지털 TV 의비교 구분 아날로그 TV SDTV 디지털 TV HDTV 주사선수 525 개 704x480 1920 x 1080 등 해상도약 330 선 700 선이상 음질 화면비 ( 가로 : 세로 ) 2 채널 FM 스테레오 5.1 멀티채널 4:3 4:3 또는 16:9 16:9 부가기능 문자다중방송, VBI 를이용한데이터방송 홈쇼핑, 인터넷접속, 홈뱅킹, 전자투표등양방향방송가능 52/55
디지털 TV [ 표 3-6] 디지털지상파 TV 방식비교 구분 ATSC DVB-T ISDB-T 영상부호화 MPEG-2 MPEG-2 MPEG-2 음성부호화 Doby AC-3 MPEG-2 MPEG-2 오류정정 Reed Soomon + Treis Coded Moduation Reed Soomon + Convoutiona Reed Soomon + Convoutiona 변조 8-VSB COFDM BST-COFDM 반송파단일반송파다중반송파다중반송파 대역폭 6 MHz 6, 7, 8 MHz 6 MHz 서비스국가미국, 캐나다, 한국유럽다수국가일본 53/55
HDTV 형식 n HDTV(High Definition Teevision) n 종횡비 (aspect ratio) 가 4:3 대신 16:9 이다. n n n Resoution: 1920x1152 pixes 까지가능디지털형식 Studio appications: 4:2:2 digitization format Broadcast appications: 4:2:0 format The frame refresh rate 4:2:2 format: 50/60 Hz 4:2:0 format: 25/30 Hz 54/55
디지털 TV [ 그림 3-24] 디지털지상파 TV 수신형태 55/55
참고문헌 [1] Mutimedia communication, Fred Hasa [2] 그림으로보는최신 MPEG, 정제창역, 교보문고 56/55
질의 / 응답 Thank You! 수고하셨습니다. 57/55