Apresentando conceitos de digitalizao multimdia

Apresentando conceitos de digitalizao multimdia

Arlindo Pereira

Introduo ao conceito de digitalizao

Processo de capturar dados em formato analgico e
transform-los em um formato digital;

Quantidade de variaes infinita finita.

Imagem

Pixel

Resoluo

Profundidade de Cor

Pixel

Pixel (px) PICture ELement;

Menor elemento de uma imagem rasterizada (raster).

=

Resoluo

Tamanho em pixels no eixo xy (largura x altura);

Pode ser expressa diretamente (por ex. 640480 px)
ou indiretamente (3.1 Mpx 20481536 = 3.145.728 px).

Profundidade de Cor

Quantidade de variao de cor possvel para cada pixel;

Por exemplo, no sistema de cor RGB em 24 bits, temos
8 bits para cada cor primria (vermelho, verde, azul), ou
32 bits se considerarmos 8 bits para o canal alpha
(transparncia). Portanto para cada cor primria temos
28 = FF = 256 variaes possveis, gerando ento
2563 = 28 = FFFFFF = 16.777.216 de cores possveis.

Profundidade de Cor

1 bit 4 bits

8 bits 24 bits

Imagem como matriz de nmeros

Para o computador, uma imagem
uma matriz de nmeros;

Para armazenar essa imagem e apresent-la para o
usurio, existem diferentes processos matemticos
(algoritmos) de COdificao e DECodificao.
A esta dupla de processos, damos o nome de codec.

Com ou sem perdas?

Existem diferentes codecs, os que apresentam perda
(lossy) e os que no apresentam (lossless);

A perda, neste caso, significa literalmente jogar fora
algum dado que no seja relevante para a percepo
humana em troca de um menor tamanho de arquivo.
um processo irreversvel.

Alguns codecs de imagem

Com perda

Sem perda

JPEG (Joint Photographic Experts Group) (jpg)

Portable Network Graphics (png)

udio

Taxa de Amostragem

Resoluo

Canais

Taxa de Bits

udio Vibraes e Impulsos Eltricos

Os sons que ouvimos so vibraes dos objetos e do
meio (ar). Nossos ouvidos tem sensores que captam as
vibraes e enviam para o crebro na forma de impulsos
eltricos;

De forma semelhante, um microfone capta vibraes e
as transforma em impulsos eltricos.

Convertendo Impulsos Eltricos em Bits

Ao entrar no computador, o udio dever passar por
um processo de converso em que os sinais eltricos
analgicos devero ser convertidos em sinais digitais,
o ADC Conversor Analgico-Digital;

Analogamente, ao serem eproduzidos, os sinais
passaro por um conversor que funciona de maneira
inversa, o DAC Conversor Digital-Analgico.

Taxa de Amostragem (Sampling Rate)

a quantidade de vezes por segundo que o sinal eltrico
medido numa determinada resoluo;

Por ser uma frequncia tem a medida em hertz (Hz),
geralmente variando entre 8000 Hz (8 kHz) e 192 kHz.

Taxas de Amostragem padres

Usualmente as taxas de amostragem so 44100 Hz
(44.1KHz), utilizada nos CDs de udio e na maioria dos
arquivos de udio da internet, ou 48KHz no udio dos
DVDs de vdeo;

Taxas mais baixas em geral so utilizadas apenas em
equipamentos eletrnicos com propsitos especficos,
como um telefone, e taxas mais altas apenas para
gravao profissional em estdio ou em sistemas de
alta fidelidade sonora.

Resoluo

a quantidade de bits utilizada em cada amostragem;

Geralmente a resoluo varia de 8 bits a 32 bits,
sendo 16 bits um valor comum (CDs de udio).

Canais

a quantidade de diferentes udios reproduzidos
simultaneamente;

Valores comuns so: 1 (mono ou monoaural),
2 (estreo), 4 (quadrifnico), 6 (5.1), 8 (7.1).

Taxa de bits (Bit Rate ou Bitrate)

a multiplicao de todos os fatores anteriores,
sendo uma forma de se verificar indiretamente a
qualidade do processo de converso;

sempre expressado em bits por segundo (b/s ou bps).
Para ter-se uma ideia do espao ocupado em disco
ou da banda necessria para transmitir pela internet,
voc pode dividir o valor por 8 para obter bytes por
segundo (B/s ou Bps), mas a unidade padro o bit.

Taxa de bits de um CD de udio

Tomemos por exemplo um CD de udio. Nele,
as msicas so codificadas em 2 canais de 16 bits
amostrados (sampleados) a 44.1KHz.
2 16 44100 = 1.411.200 = 1.411,2 kbps = 176,4 kB/s

Dependendo do codec, o bitrate pode ser constante
(CBR) ou ser varivel (VBR). Neste caso, ele determina
que determinadas partes podem ter um bitrate menor que
outras mantendo uma mesma qualidade.

Codec versus Container

Vamos agora apresentar dois elementos tcnicos,
o codec e o container.

Essa clarificao necessria pois nos formatos de
imagem, o codec e o container so uma coisa s; o
mesmo no acontece sempre nos formatos audiovisuais.

Codec versus Container

Codec (de COdificador-DECodificador) um algoritmo
(frmula matemtica) que representa e converte
os dados. Dependendo do codec, pode ser utilizado
de forma independente ou atrelado a um container.

Container uma forma de se armazenar ou expressar
um dado codificado. Dependendo do container, ele pode
armazenar dados de codecs de udio, vdeo e outros,
como informaes sobre o artista, legendas etc.

Codecs de udio

Formas de representar os dados sonoros que, quando
convertidos de volta, representaro pulsos eltricos
na caixa de som.

Tambm se dividem entre lossy e lossless.

Codecs de udio sem perda (lossless)

Pulse-code modulation (PCM) - usado em sistemas
telefnicos digitais, teclados eletrnicos, CDs de udio.
uma forma de dados bruta, que poderia tambm ser
usada em vdeo se o resultado no fosse muito custoso.

Free Lossless Audio Codec (flac)

Codecs de udio com perda (lossy)

MPEG-1 Audio Layer 3 (mp3)

Advanced Audio Coding (aac)

Microsoft WMF Windows Media Audio (wma)

Ogg Vorbis (ogg, oga)

Containers de udio

Microsoft Wave PCM (wav)

Apple Audio Interchange File Format (aiff)

MPEG-4 Part 14 (mp4, m4a)

Ogg (ogg, oga)

Vdeo

Vdeo imagem
em movimento,
em geral com
um ou mais canais
de udio anexados.

Portanto, combina a as propriedades do udio
(taxa de amostragem, resoluo, canais, taxa de bits
de udio) com a das imagens (pixel, resoluo),
com um determinado nmero de quadros por segundo
e dando uma taxa de bits total.

Taxa de quadros

Quantidade de vezes que a figura atualizada por
segundo no vdeo, gerando a impresso de movimento.
expressa em quadros por segundo (fps).

Valores comuns so: 15 fps, 24 fps (cinema),
25 fps (PAL), 29.97 fps (NTSC).

Resoluo de vdeo

Resoluo das imagens que compem o vdeo,
expressa em pixels.

To importante quanto o tamanho em pixels a
proporo entre a largura e a altura, usualmente
4:3 (tele) e 16:9 (wide).

Frequentemente se utiliza siglas que representam
algumas resolues padro.

Resolues de vdeo digital 4:3 (tele)

Valores comuns em computadores e dispositivos mveis:

320x240 (QVGA)

352x288 (QCIF)

500x375

640x480 (VGA)

800x600 (SVGA)

1024x768 (XGA)

Resolues de vdeo digital 16:9 (widescreen)

Valores comuns em sistemas de vdeo digital 16:9:

720x480 (SD)

1280x720 (HD)

1920x1080 (Full HD)

Taxa de bits

Taxa de bits utilizada para se expressar os
dados de vdeo. Funciona de forma semelhante
taxa de bits de udio.

No se armazena vdeo sem compresso, pois isto
requeriria muito espao.

Compresso Sempre!

Mesmo nos ditos formatos de vdeos brutos (de cmeras
DV) usa-se um mnimo de compresso possvel,
para que se tenha um arquivo no muito grande sem
muita perda qualidade de imagem. Em outras palavras,
o vdeo descomprimido apenas durante a exibio.

Para entender o porqu, algumas contas simples:
Vamos supor 1h de vdeo em resoluo standard
(720480) a 30fps, profundidade de cor de 24 bits com
6 canais de udio em 16 bits a 48Khz (5.1), isto ,
o padro DVD Vdeo:

Exemplo de vdeo sem compresso

1h 60m 60s 30fps 720px 480px 24b +

6 1h 60m 60s 16b 48000Hz =

(tempo)

(quadros)

(resoluo)

(canais)

(tempo)

(resoluo)

895.795.200.000 + 16.588.800.000 = 912.384.000.000 =

(vdeo)

(udio)

912,384 Gb = 114,048 GB/h de vdeo!

Codecs de vdeo

Intel Real Time (Indeo), Cinepak, Motion JPEG,
codecs antigos que usam o container AVI

MPEG-1 Part 2 VCD

MPEG-2 Part 2 DVD, DVB (DTV europia) e
ATSC (DTV norte-americana)

H.263 - videoconferncias, vdeo de internet

Sorenson Spark, implentao do H.263 usado no Flash 6

On2 Technologies VP6, VP7 usados no Flash 8

Codecs de vdeo

Theora - codec livre de patentes baseado no
On2 Techonologies VP3

MPEG-4 Part 2 destinado a bitrates baixos

DivX, Xvid, 3ivx so diferentes implementaes do
MPEG-4 Part 2

Microsoft WMF - Windows Media Video

Codecs de vdeo

MPEG-4 Part 10 Advanced Video Coding (AVC),
tambm conhecido por H.264
Bluray, ISDB-Tb, YouTube HQ, iPhone etc.

Dirac em desenvolvimento (BBC)

Sorenson 3 antecessor do H.264, popularizado pelo
QuickTime da Apple

* MPEG Moving Picture Experts Group

Containers

Audio Video Interleave (avi)

Apple Quicktime Container Format (mov)

Ogg (ogg, oga, ogv)

Matroska (mkv)

MPEG-4 Part 14 (mp4)

Gerenciamento de Restries Digitais (DRM)

Certos codecs e containers implementam o chamado
Gerenciamento de Restries Digitais (DRM).
Tais sistemas supostamente deveriam proteger o
detentor dos direitos da obra impedindo os usurios de
trocarem os arquivos de forma ilegal, como via P2P.

Por outro lado, o DRM impede o usufruto completo e
legtimo do comprador da mdia, por exemplo,
usurios que comprem um filme e queiram fazer uma
cpia de segurana (o que a lei permite).

Gerenciamento de Restries Digitais (DRM)

Diversos hackers tem tentado (e conseguido) criar
algoritmos que quebrem tais restries, tais como o
DeCSS, que tira a restrio de cpia de DVDs de vdeo.

Embora a nova gerao de mdia de vdeo (BluRay)
ainda tenha DRM, pouco a pouco a indstria comea a
acordar para o fato de que DRM nocivo.
A Apple, por exemplo, agora vende msicas na
iTunes Store sem DRM.

Tocando e editando

Caso voc se interesse apenas em tocar os arquivos,
basta instalar um player que j venha com os codecs
embutidos. Um dos melhores, multiplataforma e
opensource o VLC - http://videolan.org/vlc

Caso voc queira criar vdeos no Windows ou tocar
vdeos com codecs novos em players antigos sem
suporte (como Win. Media Player), voc deve instalar
os codecs, separadamente ou - preferencialmente -
atravs de um pacote nico. Recomendo o CCCP -
Combined Community Codec Pack http://cccp-project.net/

Direcionamentos

AAC (udio), AVC/H.264 (vdeo) e MPEG-4 Part 14
(container mp4) - codecs "do momento", suportados em
praticamente todos os dispositivos novos;

Ogg Vorbis (udio) e Ogg Theora (vdeo) - codecs livres
que provavelmente ganharo mais visibilidade com o
lanamento do HTML 5 (que implementa tags e
) e seu suporte nativo no Firefox 3.5 e Opera 10;

Matroska - container que traz possibilidades muito
interessantes tais como embutir vdeo, diversos udios,
legendas e menu tal como um filme em DVD/BD
em um nico arquivo.

Bibliografia Wikipedia

http://en.wikipedia.org/wiki/Matrix_(mathematics)

http://en.wikipedia.org/wiki/JPEG

http://en.wikipedia.org/wiki/Portable_Network_Graphics

http://en.wikipedia.org/wiki/Sampling_rate

http://en.wikipedia.org/wiki/Codec

http://en.wikipedia.org/wiki/PCM

http://en.wikipedia.org/wiki/Mp3

http://en.wikipedia.org/wiki/Ogg

http://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Audio_Coding

http://en.wikipedia.org/wiki/Color_depth

http://en.wikipedia.org/wiki/Pixel

Bibliografia Wikipedia

http://en.wikipedia.org/wiki/AVI

http://en.wikipedia.org/wiki/H.264

http://en.wikipedia.org/wiki/MPEG-4

http://en.wikipedia.org/wiki/Video_codec

http://en.wikipedia.org/wiki/MPEG

http://en.wikipedia.org/wiki/MP4

http://en.wikipedia.org/wiki/Matroska

http://en.wikipedia.org/wiki/Dirac_(codec)

http://en.wikipedia.org/wiki/DeCSS

http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_rights_management

http://en.wikipedia.org/wiki/Frame_rate

Imagens

Wikimedia - http://wikimedia.org/

Tango Desktop Project - http://tango.freedesktop.org/

Defective by Design - http://defectivebydesign.org/

Licena

Esta apresentao est sob a licena
Creative Commons Atribuio-Compartilhamento pela
mesma licena CC-BY-SA

e est disponvel no meu blog:

nighto.net

Obrigado! Dvidas?

arlindopereira@uniriotec.com

www.uniriotec.com