Programa Oficial de Postgrado:
Master en Comunicaciones, Redes y Gestión de Contenidos
TECNOLOGÍA DE LOS CONTENIDOS MULTIMEDIA
Optativa de 2º cuatrimestre
TEMA 9
La señal de Vídeo
La señal de Video
9.1 EL SISTEMA VISUAL
El primer aspecto a considerar para comprender los sistemas audiovisuales es el funcionamiento del sistema visual humano, por razones obvias. Asimismo, en la compresión digital es también necesario entender el sistema visual humano. Comprender las características y las limitaciones del sistema ojo-cerebro puede ayudar a maximizar la efectividad de las operaciones de la com- presión digital de imágenes.
El sistema visual humano está compuesto por el ojo y una parte del cerebro que procesa las seña- les neurológicas que provienen de este. El ojo convierte la información visual en impulsos ner- viosos usados por el cerebro.
El ojo en su conjunto, llamado globo ocular, es una estructura casi esférica de aproximadamente 22mm de diámetro. Está rodeado por tres membranas: la córnea y la esclerótica, que constituyen la cubierta exterior, la coroides y la retina. Los rayos de luz generados o reflejados por un objeto primero inciden en la córnea. La córnea actúa como una lente convexa, refractando los rayos.
Esta refracción forma el enfoque inicial de la luz que entra al ojo. La córnea forma una protec- ción transparente que cubre la superficie anterior del ojo. Después de la córnea, los rayos pasan a través de un líquido claro y húmedo llamado el humor acuoso, y después pasan a través del iris y el cristalino. El iris actúa como una apertura variable que controla la cantidad de luz que puede pasar a través del cristalino. Es controlado por músculos que lo abren y lo cierran basados en la intensidad promedio del objeto que es observado. Por la noche el iris se abre ampliamente, mien- tras que en un día luminoso se cierra significativamente. Este efecto lo reproducen las cámaras fotográficas y las de vídeo mediante el diafragma.
El cristalino lleva a cabo el segundo enfoque de la luz, proyectando a esta en la retina. El crista- lino es controlado por músculos que permiten variar la distancia focal del sistema óptico total
dependiendo de la distancia del objeto observado. Del mismo modo que en una cámara, el ojo debe ser enfocado según lo lejos que esté del objeto. Los rayos de luz salen del cristalino pasando a través de una sustancia transparente y gelatinosa, llamada humor vítreo, y son finalmente enfo- cados en la retina. El humor vítreo mantiene la estructura del ojo mientras que ópticamente une el cristalino a la retina. Véase la figura 9.1
Figura 9.1 Diagrama de una sección transversal del ojo humano
La membrana más interna del ojo es la retina, que cubre la totalidad de la pared posterior.
Cuando el ojo está correctamente enfocado, la luz de un objeto exterior al ojo forma su imagen en la retina. La retina está compuesta por fotorreceptores que convierten la intensidad y el color de la luz en señales nerviosas. Existen dos tipos de fotorreceptores, bastones y conos. Los basto- nes son los más abundantes: entre 75 y 150 millones están distribuidos sobre la superficie reti- niana y son los que más responden a la luz. Su gran área de distribución, junto con el hecho de que grupos de varios bastones comparten una misma terminación nerviosa, reduce la cantidad de detalle discernible por estos receptores. Los bastones sirven para dar una visión general del campo de visión, no están implicados en la visión del color y son sensibles a niveles de ilumina- ción bajos, por ejemplo por la noche.
Los conos son mucho menos abundantes que los bastones (alrededor de 6 a 7 millones) y están localizados principalmente en la región central de la retina, denominada fóvea. Los conos son muy sensibles al color y son algo menos sensitivos a la luz. Se usan para la visión de luz bri- llante, por ejemplo en un día soleado. Los seres humanos pueden apreciar detalles relativamente finos gracias a esos conos porque cada uno está conectado a su propia terminación nerviosa. Los músculos que controlan el ojo giran el globo ocular hasta que la imagen del objeto visto queda en la fóvea. Existen tres tipos diferentes de conos; cada uno responde a una banda distinta del espec- tro de la luz. Básicamente, cada cono responde de forma diferente a un color arbitrario, así genera un conjunto único de respuestas para cada color de la luz. Con estas señales de los tres tipos de conos, el cerebro tiene la información con la que forma una percepción distinta de un gran número de colores diferentes.
Las diferencias entre bastones y conos, y sus distribuciones a través de la retina, son responsables de diversos aspectos de la visión. Ya que los conos que sensan el color están concentrados en la fóvea, la percepción del color es mejor para los objetos que se ven directamente de frente. Recí- procamente, se tiene una mínima percepción del color para objetos en la visión periférica.
Debido a que los bastones, altamente sensitivos, son abundantes por todas partes menos en la fóvea, la percepción de luz de bajo nivel es mejor en la visión periférica. Así, durante la noche, los objetos confusos se pueden ver por la parte periférica de la retina mientras que son invisibles para la fóvea. La relativa insensibilidad de los conos cuenta además para la incapacidad de perci- bir el color bajo condiciones de poca luz, tal como por la noche.
Cuando la luz golpea los bastones y los conos, causa una reacción electroquímica que genera impulsos nerviosos. Estos impulsos se pasan al cerebro por el nervio óptico, que es una extensión de la retina que lo conecta al cerebro. En la retina se crea un pequeño punto ciego donde el nervio óptico se une. Los impulsos neuronales son recibidos por el cerebro y procesados por la corteza visual. La percepción de la visión es creada dentro del proceso de la corteza visual.
Debido a que las imágenes digitales se presentan como un conjunto de puntos brillantes, la capa- cidad del ojo de discriminar entre diferentes niveles de iluminación es una consideración impor- tante para presentar los resultados del procesamiento de la imagen.
Figura 9.2 Respuesta logarítmica del ojo, Ley de Weber
La relación entre la intensidad de la luz que entra al ojo y su brillo percibido no es una función lineal. Esto significa que a medida que la intensidad de una fuente luminosa cambia, el observa- dor no percibirá un cambio igual en el brillo. La respuesta de la intensidad real del ojo es más logarítmica, similar a la curva de la figura 9.2. De hecho, se ha mostrado experimentalmente que la intensidad de una fuente luminosa debe ser cercana al doble antes de que el ojo pueda detectar que ha cambiado. Por lo tanto, los cambios ligeros en la intensidad en regiones oscuras de una imagen tienden a ser más perceptibles que los cambios iguales en regiones brillantes. Esta rela-
ción que hay entre la intensidad de la iluminación y el brillo percibido, es conocida como Ley de Weber.
La capacidad del ojo para discriminar entre cambios de iluminación para cada nivel específico de adaptación también es de considerable interés. Un experimento utilizado para determinar la capa- cidad del sistema visual humano de discriminar la iluminación consiste en colocar a un sujeto observando un área plana, uniformemente iluminada, lo suficientemente grande para que ocupe todo el campo visual. Esta área es habitualmente un simple difusor, tal como un vidrio esmeri- lado, que se ilumina desde atrás con una fuente de luz cuya intensidad, I , puede variarse. A este campo se añade un incremento de iluminación, ∆I, en forma de un destello de corta duración que aparece como un círculo en el centro del campo uniformemente iluminado, como se muestra en la figura 9.3.
Figura 9.3 Montaje experimental empleado para caracterizar la discriminación de iluminación
Si el ∆I no es lo suficientemente brillante, el sujeto debe decir "No", indicando que no percibe el cambio. Conforme ∆I aumenta, el sujeto puede dar una respuesta positiva "Si", indicando que ha percibido un cambio. Finalmente cuando ∆I sea suficientemente intenso acabará diciendo "Si"
todas las veces. La cantidad ∆Ic/I , donde ∆Ic es el incremento de iluminación discernible el 50%
de las veces con la iluminación de fondo I, se conoce como el cociente de Weber. Un pequeño valor de ∆Ic/I significa que se puede discriminar un pequeño cambio de intensidad. Esto repre- senta una pobre discriminación de iluminación.
Una representación log ∆Ic/I como función del logI tiene la forma típica mostrada en la figura 9.4. Esta figura muestra que la discriminación de iluminación es pobre (el cociente de Weber es grande) para niveles de iluminación bajos, y mejora significativamente (el cociente de Weber decrece) conforme crece la iluminación del fondo. Las dos ramas de la curva reflejan el hecho de que para niveles de iluminación bajos la visión se realiza a través de los bastones, mientras que a niveles elevados (mostrando mejor discriminación) la visión es función de los conos.
Figura 9.4 Cociente de Weber típico en función de la intensidad
Son dos los fenómenos que demuestran claramente que la percepción de la intensidad no es una función simple lineal de la intensidad. El primero se basa en el hecho de que el sistema visual tiende a sub o sobreestimar la intensidad. El primero se basa en el hecho de que el sistema visual tiende a hacerlo alrededor de las fronteras de regiones de diferentes intensidades. La figura 9.5 muestra un ejemplo de este fenómeno. Aunque la intensidad de las franjas sea constante, real- mente se percibe un patrón de brillos fuertemente escalonado, especialmente cerca de las fronte- ras. En la figura 9.5.b se presenta la intensidad real en las franjas de la escala de grises, y la gráfica del brillo percibido por el ojo. Esta es la forma en que el ojo añade realce al contorno para las transiciones de intensidad. El sistema visual realmente intensifica todo lo que ve, dando una agudeza visual mejorada. Estas bandas que se perciben como escalonadas se denominan bandas Mach, y el efecto se denomina efecto de bandas (Mach), en honor a Ernst Mach que fue el pri- mero es describir este fenómeno en 1865.
Figura 9.5 Escala de grises con franjas de igual intensidad
a) b)
El segundo fenómeno se denomina contraste simultáneo y está relacionado con el hecho de que el brillo percibido de una región no depende únicamente de su intensidad, sino que también depende de la intensidad del área circundante. Este efecto se muestra en la figura 9.6. Los cuatro cuadrados pequeños tienen intensidades idénticas, no obstante el de la parte superior izquierda aparece más brillante que el de la inferior derecha. Esto es porque el área alrededor del cuadrado de la parte superior izquierda es más oscura que el área alrededor del cuadrado de la parte inferior derecha. El sistema visual ajusta su respuesta a la intensidad, basándose en la intensidad prome- dio alrededor de la vista resaltada. Como la parte superior izquierda de la imagen tiene una inten- sidad promedio más oscura (ya que el fondo es más oscuro), su cuadrado parece más brillante. La intensidad promedio más brillante de la parte inferior derecha hace que su cuadrado parezca más oscuro. Por consiguiente, hay una diferencia en el brillo aparente de los cuatro cuadrados peque- ños, y parecen como progresivamente más oscuros, conforme el fondo se hace más claro.
Figura 9.6 Contraste simultáneo
El sistema visual tiene limitaciones fundamentales en la respuesta en frecuencia. Como en cual- quier sistema óptico, el ojo tiene limites sobre cómo puede resolver detalles finos, o transiciones de intensidad. Los factores limitantes son el número y organización de los fotorreceptores en la retina, la calidad de la parte óptica del ojo (córnea, humor acuoso, cristalino, y humor vítreo), y la transmisión y procesamiento de la información visual al cerebro. Generalmente, la respuesta en frecuencia del ojo disminuye a medida que se ven transiciones de intensidad, que se vuelven cada vez más finas, como se ve en la figura 9.7. Es también un factor el contraste, o diferencia entre niveles de gris, de la transición de intensidad. Cuanto más alto es el contraste, más fino es el deta- lle que el ojo puede resolver. Finalmente, cuando las transiciones están demasiado finas o el con- traste es demasiado bajo, el ojo ya no puede resolverlos. En este punto, el ojo puede percibir sólo un promedio del nivel de gris del área detallada.
El fenómeno discutido ilustra el complejo proceso que ocurre en el sistema visual humano. Com- binando los conceptos de respuesta de intensidad no lineal, interacción del fotorreceptor y res- puesta en frecuencia del ojo, se pueden realizar las siguientes observaciones:
• La intensidad del objeto visto está relacionada con la intensidad promedio alrededor del objeto.
El objeto aparece más oscuro si el área circundante es brillante, o más brillante si el área circun- dante es oscura.
• Los cambios sutiles de intensidad son mas aparentes en las regiones oscuras que en las regiones brillantes de la imagen.
• Las transiciones marcadas de intensidad se acentúan en una imagen. La respuesta a los detalles de la imagen decae cuando los detalles a resolver son demasiado finos. Los detalles con contraste alto se pueden resolver mas fácilmente que aquellos con contraste bajo.
Figura 9.7 Patrón que incrementa la frecuencia de izquierda a derecha y decrementa el contraste de arriba abajo
La visión de color presenta algunas características particulares. El ojo no es uniformemente sen- sible a todo el espectro visible. La figura 9.8 muestra la respuesta relativa del "ojo medio" a la luz de luminancia constante proyectada en varias longitudes de onda comprendidas en el espectro. El pico (máximo) de la curva está en la región verde-amarillo y es interesante observar que una curva que represente la distribución de energía de luz solar o natural tiene su máximo en esta área. La curva de línea gruesa representa la impresión subjetiva de brillo del observador medio en condiciones de luz natural. Como muestra la segunda curva, en condiciones cercanas a la oscuridad la curva de respuesta se desplaza hacia la izquierda.
Figura 9.8 Sensibilidad relativa del ojo humano a diferentes longitudes de onda
Se dice que la luz de una sola longitud de onda es monocromática. Por nuestra aptitud para dis- tinguir una variedad de diferentes colores se puede suponer que existen diferentes tipos de conos en la retina, y que cada tipo está "sintonizado" a una pequeña banda de frecuencia. Si los conos fuesen monocromáticos de esta manera, entonces la impresión de un color dado podría ser produ- cido únicamente por la energía electromagnética que tuviese la longitud de onda apropiada. Sin embargo, esto no es cierto. La luz monocromática brillante que impresiona a la retina no es la única manera de crear una impresión de color dada. Por ejemplo, algunos amarillos monocromá- ticos pueden ser adaptados por la llegada simultanea a la retina de luz roja y verde. Casi todos los colores pueden ser obtenidos mezclando sólo tres luces de color. A estos colores se les llama
"primarios" y los que se usan son el rojo, el verde, y el azul.
El comportamiento del ojo es consistente con los tres tipos de conos únicamente, teniendo cada uno una curva diferente de respuesta. Las tres curvas de respuesta se solapan de manera que todos los colores están debajo de cualquier curva de ellas, o bien parcialmente debajo de dos, o de las tres curvas. La figura 9.9 ilustra este hecho. Se observa que el amarillo activa los conos verde y rojo. Lo lógico es deducir que cuando la luz verde y la luz roja llegan a la retina al mismo tiempo, la excitación simultánea de los conos correspondiente al verde y al rojo produce en el centro sensorial del cerebro una impresión que es indistinguible de la del amarillo monocromá- tico.
Figura 9.9 Sensibilidades de los tres tipos de conos en la retina
Para que se pueda ver el color, tiene que llegar al ojo la energía electromagnética. Se ve un objeto por la luz reflejada desde él. Si parece verde a la luz del día, entonces esto debe implicar que aun- que está bañado de luz natural "blanca", es solamente la reflexión de la parte verde de la luz la que llega a los ojos. El resto del espectro es "absorbido". Por consiguiente un objeto parece colo-
reado a causa de que sólo refleja parte del espectro visible y absorbe el resto. El color procede de la luz incidente. La hierba no parece verde bajo iluminación de sodio a causa de que en ella no hay luz verde que pueda ser reflejada.
Los colores se pueden obtener haciendo una mezcla de los tres colores primarios, rojo, verde y azul, esta mezcla se denomina aditiva. Un ejemplo de la mezcla aditiva de estos tres colores es el siguiente:
Rojo + Verde = Amarillo
Rojo + Azul = Magenta
Azul + Verde = Cian
Rojo + Azul + Verde = Blanco
Al mezclar los colores primarios en diferentes proporciones, se puede obtener casi cualquier otro color. Los colores amarillo, magenta y cian se conocen como colores complementarios. Si se añade un complementario en proporciones adecuadas a uno primario no contenido en él (por ejemplo amarillo+azul), se produce blanco. En la figura 9.10 se puede observar la mezcla aditiva de colores.
Figura 9.10 Mezcla aditiva de colores
El sistema visual humano puede adaptarse a un gran margen de niveles de luz mediante dos pro- cedimientos: bioquímico en las reacciones que tienen lugar en la retina y por la pupila. El tamaño de la pupila puede variar entre un mínimo de 1.5 mm de diámetro y un máximo de 8 mm, lo que significa unas 30 veces en el nivel de luz. El procedimiento bioquimico es más lento que el de la pupila pero puede cambiar la sensibilidad en un factor entre 500000 y 1000000.
Considerando el conjunto de las células sensibles del ojo, la sensibilidad total varía con la fre- cuencia (color) de la luz. Por ejemplo, dos radiaciones lumínicas una de color amarillo-verdoso, otra de color rojo y las dos de la misma potencia, se percibe más brillante (más clara) la amarillo verdosa que la roja. La figura 9.11 ilustra la respuesta en frecuencia del ojo. La respuesta es dis-
tinta si la visión es fotópica (niveles medios o altos de luz) o escotópica (niveles muy bajos de luz)
Figura 9.11 Respuesta en frecuencia del ojo
Figura 9.12 Espectro electromagnético.
9.2 CONCEPTOS BÁSICOS DE LA RADIACIÓN LUMINOSA. TEORÍA DEL COLOR
La luz es una onda electromagnética, y por tanto uno de sus parámetros fundamentales es la fre- cuencia. La frecuencia de una radiación o su longitud de onda determina por ejemplo el compor- tamiento en la propagación, las dimensiones de las antenas a utilizar, etc.
Así, podemos tener una emisión de radio, por ejemplo, a una frecuencia de 500 KHz o de 800 MHz captada por las antenas correspondientes, pero, si subimos en frecuencia hasta una frecuen- cia suficiente, la onda electromagnética será captada por el ojo como una radiación lumínica de color rojo, amarillo... hasta el violeta para la frecuencia más alta. Si sigue aumentando la frecuen- cia la radiación dejará de ser visible pasando a la banda de los rayos X, gamma, etc. Es decir, la luz visible es una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio pero perteneciente a la banda de longitudes de onda comprendidas entre 380 nm (violeta) a 780 nm (rojo). La figura 9.12 muestra el espectro electromagnético completo y un detalle del visible.
La luz es monocroma si contiene una radiación de una determinada longitud de onda y es poli- croma si está compuesta por varias radiaciones de longitudes de onda distintas. En el caso de la luz monocroma el color depende de la frecuencia de la radiación.
La luz solar, percibido como luz de color blanco es un ejemplo de luz policroma. Contiene una mezcla de todos los colores, es decir, tiene radiaciones de todas las longitudes de onda del espec- tro visible.
La colorimetría trata de cuantificar el color. El color en una luz monocromática está directamente relacionado con la longitud de onda, desde el violeta para la menor longitud de onda visible (380 nm) hasta el rojo para la mayor (780 nm).
Pero en la mayor parte de las situaciones, las radiaciones luminosas que percibe el sistema visual humano no son monocromáticas, sino que contienen una distribución espectral más o menos ancha, policromática, como por ejemplo la del sol, o bien debida al resultado de reflejarse o transmitiese esa luz en un cuerpo.
Los objetos tienen un determinado color porque producen una reflexión de la luz que depende de la frecuencia. Así, un objeto iluminado con una luz blanca tiene color verde porque refleja la radiación correspondiente a las longitudes de onda de la zona de los
verdes, y no refleja (absorbe o transmite) el resto.
Ante la presencia de una radiación policromática, el ojo, percibe una sensación de color única. La sensación de luz tiene tres partes: en primer lugar, la cantidad de luz o lo brillante que es la radia- ción, la luminancia; en segundo lugar el tono o matiz que indica el color, si es rojo, verde, azul, etc; y por último la pureza o saturación que indica si es un color claro o intenso. Por ejemplo, el rosa es un color rojo poco saturado, rojo mezclado con luz blanca.
Hay dos tipos de mezclas de color, la aditiva y la sustractiva. La sustractiva es por ejemplo la mezcla de pinturas, y la aditiva es la que se usa para la reproducción de colores en televisión y se consigue con mezcla de luces de colores.
La mezcla aditiva es la que se produce cuando la radiación resultante contiene la radiación de dos o más fuentes, el resultado en el ojo es una sensación equivalente a un nuevo color. Es un fenó- meno subjetivo.
Hay diferentes métodos para mezclar aditivamente varios colores. Las más relevantes son las siguientes.
Simultánea en el mismo punto. Es una mezcla en la que varias fuentes están presentes en todo momento sobre la misma superficie.
Alterna en el mismo punto. Es una mezcla por alternancia de las fuentes en el tiempo proyectadas sobre la misma superficie a una frecuencia suficientemente elevada para que la integración tem- poral del ojo produzca una única sensación. Es la técnica empleada por los modernos proyectores de vídeo con tecnología DLP.
Yuxtapuesta por puntos (composición de puntos). Es una mezcla por alternancia en el espacio de manera que puntos pequeños de diferentes colores y próximos entre sí vistos a suficiente distan- cia para que el ojo realice la integración espacial. Esta mezcla es la que se utiliza en televisión y las impresoras de color. Este efecto se puede ver claramente si se observa de cerca un gran cartel publicitario. A una cierta distancia, lo normal para la observación de este tipo de carteles, se per- cibe un color uniforme. Pero al acercarnos los suficiente se pueden ver las partes constituyentes, que son normalmente de cuatro colores distintos (
La colorimetría se basa en las experiencias que realizaron Grassmann y Maxwell sobre el com- portamiento subjetivo ante mezclas de colores.
Las leyes de Grassmann son las siguientes:
1.- Toda sensación de color se puede obtener por suma de tres fuentes de colores seleccionados que llamaremos primarios y que son rojo, verde y azul.
2.- Cuando se ha establecido la igualdad de la primera ley, la luminancia del color igualado es la suma de las luminancias de los primarios utilizados en la igualación.
3.- Dos radiaciones cromáticamente equivalentes lo siguen siendo para un amplio margen de luminancias.
4.- Dos radiaciones cromáticamente equivalentes a una tercera son equivalentes entre sí (pro- piedad transitiva). Esto se denomina metamerismo cromático.
La medida del color se realiza con el colorímetro, que es un dispositivo sencillo. Consta de dos paneles, en cada uno de ellos se proyecta una luz distinta y pueden ser observadas simultánea- mente. En una parte se proyecta una combinación de los tres primarios referidos por la primera ley de Grassmann y en la otra el color bajo análisis. La figura 9.13 muestra un colirímetro.
Figura 9.13 Colorímetro
El procedimiento consiste en ir variando la cantidad de cada primario hasta que el observador tenga la misma sensación en cada uno de los paneles. En esta situación ambas radiaciones son cromáticamente equivalentes y por tanto el color C queda caracterizado por la cantidad de cada primario utilizado (al,a2,a3).
Con este procedimiento se realiza una medida subjetiva evitando utilizar la poca capacidad del sistema visual para establecer una escala absoluta de colores y aprovechando su gran capacidad para la comparación.
Al analizar una gran cantidad de colores se observa que para algunos colores no se puede obtener una radiación equivalente con los tres primarios tal que
a1Pl + a2P2 + a3P3 ≠ C
En estos casos se llega a la equivalencia cuando uno de los primarios es negativo:
a1Pl + a2P2 - a3P3 ≠ C
La triada que identifica a este color es entonces (al,a2,-a3).
La figura 9.14 muestra las cantidades de los tres colores primarios RGB que son necesarios para obtener las longitudes de onda del espectro visible.
Los valores negativos indican que algunos colores no pueden obtenerse con coeficientes positi- vos.
La Comisión Internacional de la Iluminación (CIE o ICI, Commission Internationale de L'Eclai- rage, or International Commission on Illumination) eligió tres colores primarios para normalizar la medida del color. Dichos primarios se eligieron de forma que pudieran obtenerse una gran parte de colores con coeficientes positivos.
Rojo de 700 nm (R) Verde de 546.1 nm (G) Azul de 435.8 nm (B)
Figura 9.14 Cantidades de los tres colores primarios RGB que son necesarios para obtener las longitudes de onda del espectro visible.
Estos primarios igualan el blanco (W) equienergético que es aquel con la misma potencia en cada longitud de onda desde el violeta al rojo (ver figura 9.15), con las proporciones:
LR=1.891 LG=8.681 LB=0.1136
Figura 9.15 Blanco equienergético.
Otra representación del color, también muy utilizada, es la compuesta por la triada luminancia o brillo, tono o matiz y saturación o pureza (HSI: Huge, Saturation and Intensity).
Ambas representaciones caracterizan a un color y se puede pasar de una a otra mediante una matriz de transformación:
Donde los valores γ dependen de los primarios elegidos.
11 12 13
21 22 23
31 32 33
I R
H G
S B
γ γ γ
γ γ γ
γ γ γ
=
El que cada color esté caracterizado por tres coeficientes permite representar los colores mediante un espacio vectorial donde cada eje corresponde a un primario y cada punto del espacio a un color, definiendo así el espacio de color.
Dada la gran distancia entre los valores, el blanco no queda en el centro del sistema de referencia, lo cual hace que en un eje haya que tratar los números con mucha precisión, mientras que en los otros esa precisión es menos importante.
Para evitar esto el CIE propuso otro sistema con los mismos primarios pero ponderados por unos coeficientes tal que el blanco estuviese en las coordenadas (1, 1, l), de manera que
La figura 9.16 muestra este espacio de color.
Figura 9.16 Espacio colorimétrico con W en (1,1,1).
Para estudiar sólo el color no hacen falta los tres valores R,G,B puesto que la luminancia no aporta información sobre el color, así pues, se puede normalizar respecto a la suma de R,G,B definiendo un nuevo sistema de referencia rgb tal que:
1.891 8.681 0.1136
R
G
B
R K L
G K L
B K L
=
=
=
; ;
R G B
r g b
R G B R G B R G B
= = =
+ + + + + +
Este sistema determina un espacio vectorial de dos dimensiones, puesto que hay una relación lineal entre ellas r+g+b= l, tal y como ilustra la figura 9.17.
Figura 9.17 Espacio rgb.
Todos los colores están ahora sobre el plano r+g+b=l. Si se toma la parte del plano que está en el primer cuadrante se obtiene el Triángulo de Maxwell, que se muestra en la figura 9.18.
Figura 9.18 Triángulo de Maxwell
La mezcla de los colores C1 y C2 produce el color C3.
Se puede definir también una medida del tono y la saturación sobre el triángulo definiendo un eje de referencia para los ángulos, como se muestra en la figura 9.19, en el que el módulo está rela- cionado con la saturación y el ángulo con el tono.
Figura 9.19 Tono y saturación sobre el triángulo de Maxwell.
Con cualquiera de los sistemas hasta ahora analizados, algunos colores y sobre todo los mono- cromáticos tienen coeficientes negativos. Por ejemplo:
Verde de 560 nm: r=0.3164; g=0.6881; b=-0.0045 Azul de 480 nm: r=-0.3667; g=0.2906; b= 1.0761
Además otro inconveniente es que la luminancia no queda reflejada directamente en ninguno de los ejes del sistema de referencia.
Para evitar estos dos inconvenientes el CIE recomendó en 1931 usar un nuevo espacio
colorimétrico, el XYZ. El Y fue elegido intencionadamente de forma que sea idéntico a la fun- ción de eficiencia luminosa del ojo humano. Los primarios deben estar referidos de modo que ningún
color tenga componentes negativos. No existe ningún trío de colores en la naturaleza que cumpla esta condición. Así pues, el nuevo sistema XYZ consta de primarios que no tienen corresponden- cia con colores reales.
Los nuevos primarios escogidos tienen los siguientes coeficientes rgb:
X: r = 1.2750;g = -0.2778;b = 0.0028 Y: r = -1.7394;g = 2.7674;b = -0.0280 Z: r = - 0.7429;g = 0. 1409;b = 1.6020 y normalizados son:
; ;
X Y Z
x y z
X Y Z X Y Z X Y Z
= = =
+ + + + + +
De esta forma los colores del anterior ejemplo serán:
Verde de 560 nm:x=0.3731;y=0.6245; z=0.0240 Azul de 480 nm:x=0.0913y=0.1327;z=0.7760
Al igual que con RGB al pasar a los coeficientes normalizados, conocidos dos coeficientes se puede determinar el tercero mediante la ecuación: x+y+z = 1. Así todos los colores pueden repre- sentarse en un plano. Si por ejemplo se toman los coeficientes x e y, todos los colores quedan representados en el triángulo de vértices (0,0), (1,0), (0,1), puesto que los coeficientes x, y, z, son menores que 1. Este es conocido como el triangulo de cromaticidad y se ilustra en la figura 9.20.
Figura 9.20 Triángulo de cromaticidad
Si se ubican los puntos del espectro dentro del triángulo se obtiene el diagrama de cromaticidad.
El espectro comienza en 380 nm, continúa en el sentido de las agujas del reloj y termina en 780 nm. Esta línea se denomina espectrum locus por ser el lugar de los colores monocromáticos del espectro y se ilustra en la figura 9.21.
La recta que une el punto de 380 nm con el de 780 nm no corresponde a ningún color monocro- mático. Se llama recta de los púrpuras y el color percibido es una sensación subjetiva.
9.2.1 LUMINÓFOROS UTILIZADOS EN TVC.
Los primarios utilizados para TV de color no son los mismos primarios que los del CIE, porque la luz que producen los materiales luminiscentes al ser golpeados por un haz de electrones no tie- nen un espectro monocromático. Los primarios de TV ubicados dentro del diagrama de cromati- cidad se presentan en la figura 9.22. Los colores reproducibles por el receptor de TV son los que contiene el triángulo.
Figura 9.21 Diagrama de cromaticidad
Figura 9.22 Luminóforos utilizados en T. V.
Se puede observar que los colores del espectro quedan fuera de él. Este hecho no es importante porque los colores que se presentan en la naturaleza raramente son saturados al 100%.
En 1976 CIE redefinió el modelo, presentando el denominado CIE L*a*b, que se muestra en la figura 9.23. Se trata de una diagrama de luminancia desde el valor cero (negro) al 100 (blanco) y de crominancia de manera que en un eje está en el rango del verde al rojo y en el otro en el rango
del azul al amarillo. Este es el sistema utilizado por Photoshop. Recuérdese que el CMYK es el sistema utilizado para la impresión, por lo que es razonable que Photoshop lo utiliza ya que esta es su finalidad última. En cualquier caso también incorpora herramientas de conversión a otros espacios de color, como por ejemplo a RGB.
Figura 9.23 CIE L*a*b
Los modelos de color para imágenes suelen basarse en el modelo (R,G,B). Estas tripletas codifi- can cuánto tienen que excitarse los elementos de dispositivos tales como monitores. En concreto las pantallas CRT tienen tres luminóforos que producen una combinación de longitudes de onda cuando se excitan mediante los electrones.
Otro modelo alternativo estrechamente relacionado es el modelo CMY, Cyan, Magenta, y Yellow, que son los colores complementarios de RGB. Pueden utilizarse como primarios sustrac- tivos. Este modelo suele utilizarse en dispositivos de impresión en los que los pigmentos del color sobre el papel absorben ciertos colores, por ejemplo, no se refleja luz roja de la tinta cyan.
La figura 9.24 muestra la comparación entre los espacios RGB y CMY. La conversión entre ambos espacios de color convierte el blanco en RGB, (1, 1, 1), a (0, 0, 0) in CMY.
1 1 1
C R
M G
Y B
= −
1
1 1
R C
G M
B Y
= −
En algunas ocasiones en los dispositivos de color se utiliza un modelo alternativo, CMYK, donde K representa al negro (black). Con este modelo se dispone del negro directamente sin recurrir a la mezcla de CMYK y permite alcanzar negros saturados. De la misma forma, los proyectores DLP también incorporan luz blanca para obtener blancos luminosos y brillantes sobre la pantalla.
Figura 9.24 Comparación entre los espacios RGB y CMY.
La figura 9.25 ilustra los rangos de los diferentes modelos de color. Como puede observarse el modelo Lab cubre todos los colores del espectro visible, el de RGB es menor, por lo que algunos colores visibles no pueden presentarse en los monitores, como por ejemplo el amarillo puro, o el cyan puro. Por último el modelo CMYK es el menor, pero obsérvese que no es un subconjunto del RGB.
Para las aplicaciones de vídeo se utilizan normalmente dos modelos, YIQ y YUV.
Figura 9.25 Rangos de los diferentes modelos de color.
El espacio de color YUV fue utilizado inicialmente en el vídeo analógico PAL, y en la actualidad es utilizado en el estándar de video digital CCIR 601. En este modelo se utilizan los siguientes parámetros:
• Y (luminancia) es el primario Y de CIE.
La figura 9.26 reproduce la curva de visibilidad relativa. En la curva se indican los tres colores primarios utilizados en TV y en el eje de ordenadas se muestran los valores de la sensibilidad relativa del ojo para las longitudes de onda de RGB.
Figura 9.26 Curva de visibilidad relativa.
Con ello:
Azul: Longitud onda = 470 nm,Sensibilidad = 0,17 Verde: Longitud onda = 535 nm,Sensibilidad = 0'92 Rojo: Longitud onda =:610 nm,Sensibilidad = 0'47 Es decir, Y = 0.47R + 0.92G + 0.17B
Si las componentes RGB están normalizadas R, G, B , la luminancia puede normalizarse divi- diendo por la suma de los coeficientes (0.47+0.92+0.17=1.56) resultando:
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
En la práctica, se utiliza una expresión simplificada de la ecuación anterior:
Y =0.3R + 0.59G + 0.11 B
• "La crominancia se define como la diferencia entre un color y un blanco de referencia con la misma luminancia. Se representa mediante las diferencias de color, U y V.
U = B - Y V = R - Y
Si la imagen es blanco y negro entonces U = V = 0, es decir, no hay crominancia. En las imple- mentaciones del formato PAL (más adelante en el estudio de la señal de color compuesta se jus- tifican estas expresiones):
U = 0.493 (B - Y) V = 0.877 (R - Y)
Un modelo estrechamente relacionado con el YUV es el modelo YCbCr, que es un YUV esca- lado y desplazado. Las diferencias de color vienen dadas por:
Cb = (B - Y) / 1.772 + 0.5 Cr = (R - Y) / 1.402 + 0.5
De esta forma los valores de la crominancia están siempre en el rango de 0 a 1. El modelo YCbCr se utiliza en JPEG y MPEG. Por este motivo, estas siglas se pueden ver también en los conecto- res de algunos reproductores domésticos de DVD. Cuando un reproductor tiene este tipo de salida se dice que tiene salida por componentes y es la que proporciona mayor calidad de imagen.
Obviamente se requiere que la televisión o pantalla tenga también este tipo de entrada y esto sólo está disponible en los visualizadores de alta gama.
Por último, el modelo de color YIQ se utiliza en el formato de televisión NTSC, y es compatible con las televisiones blanco y negro en las que sólo se utiliza Y. Aunque U y V definen perfecta- mente las diferencias de color, no se corresponden con la sensitividad del color de la percepción humana. Por ello se utilizan I y Q en su lugar en NTSC.
I es el eje naranja-azul, y Q es el eje violeta-verde. Estos dos ejes son los ejes R - Y y B - Y escalados y rotados 33 grados en el sentido de las agujas de reloj. Así:
I = 0.877(R - Y) cos 33 - 0.492(B - Y) sin 33 Q = 0.877(R - Y) sin 33 + 0.492(B - Y) cos 33 es decir:
I = 0.736(R - Y) - 0.268(B - Y) = 0.596R - 0.275G - 0.321B Q = 0.478(R - Y) + 0.413(B - Y) = 0.212R - 0.523G + 0.311B Por tanto la relación entre el espacio YIQ y el RGB viene dada por:
0.299 0.587 0.114 0.596 0.275 0.321 0.212 0.523 0.311
Y R
I G
Q B
= − −
−
9.3 SEÑALES ELÉCTRICAS PARA LA CONVERSIÓN DE IMÁGENES
El sistema básico de televisión captura una escena y la reproduce con el objetivo de que un espectador vea la escena lo más parecida posible a la real. Una escena real es un espacio tridi- mensional en el que se encuentran objetos, también de 3 dimensiones, que emiten o reflejan luz, produciendo una distribución de luz a lo largo de los tres ejes del espacio.
Además, puede haber movimiento, introduciendo variaciones de la distribución de luz en función del tiempo. Por tanto una escena va a tener 4 dimensiones a considerar: tres espaciales y una tem- poral, además del sonido que se considera aparte.
Para formar una imagen de dos dimensiones a partir de la escena de tres dimensiones, lo que se hace es adquirir la imagen mediante una cámara, fotográfica o de T.V, en la que la escena 3D se proyecta sobre una superficie 2D. Con ello se elimina una cantidad importante de información de la escena.
Para la dimensión temporal se realiza una discretización tomando proyecciones instantáneas en determinados momentos. El movimiento se reproducirá visualizando las proyecciones de instan- tes sucesivos a velocidad suficiente para que el sistema visual humano tenga la sensación de un movimiento continuo y no a saltos. Así, el problema se reduce a convertir la distribución de luz que se produce sobre la superficie de proyección en un determinado instante a una señal eléc- trica.
Para convertir variaciones de luz en variaciones de señal eléctrica se utiliza una fotocélula. Pero esto no es suficiente para captar una imagen completa. La escena está compuesta por una intensi- dad de luz en cada punto, y por tanto, el sensor debe convertir independientemente la luz proce- dente de cada punto. Por ello hay que dividir la imagen en partes suficientemente pequeñas y realizar una fotoconversión para cada una de ellas, a continuación transmitir la información, y en el otro extremo reproducir la luz de cada porción de la imagen.
La dimensión de los elementos de la imagen debe ser tal que el sistema visual humano no perciba cada elemento, sino que el conjunto de los elementos de la sensación de una imagen natural. En ello influye, entre otros factores, la distancia a la que se observa la imagen reproducida, la dife- rencia entre la luz del objeto y del fondo, y la resolución visual del espectador. La resolución visual se define como la inversa del ángulo formado por las rectas que unen los elementos con el ojo del observador, donde la distancia que separa a los elementos es la mínima para que el obser- vador sea capaz de distinguirlos.
Cada individuo tiene una resolución diferente y tampoco los textos bibliográficos dan un valor estándar; pueden encontrarse desde 2 minutos de arco hasta 0.5 minutos de arco. Un valor de 1.3 minutos de arco indica una capacidad del ojo de discernir entre dos puntos separados una distan- cia de 0,4 mm a 1 metro.
Para descomponer una imagen puede pensarse en disponer de un sensor formado por un conjunto de fotocélulas colocadas en una matriz rectangular, y para reproducirla la misma disposición de matriz de elementos fotoemisores.
Esta disposición permite no discretizar la dimensión temporal. Sin embargo, el número de ele- mentos en los que hay que descomponer la imagen es muy elevado por lo que esta solución era inviable en los años en los que se desarrolló la primera TV monocroma.
El método que realmente se utiliza en televisión es realizar una lectura de la imagen mediante la exploración secuencial de la imagen proyectada sobre una superficie fotosensible, siguiendo un patrón determinado. En el receptor, se realiza una exploración con un procedimiento fotoemisivo puntual, es decir, que emita luz en un único punto, cuya intensidad luminosa sea función de la señal eléctrica recibida.
En este contexto aparece el concepto de barrido o exploración, que es el método utilizado en tele- visión para obtener una señal eléctrica que represente una imagen.
La mayoría de cámaras de TV utilizan el barrido con un haz de electrones de una superficie foto- sensible, en la que se produce una acumulación de carga en cada punto, función de la intensidad de luz incidente.
El barrido se efectúa describiendo líneas horizontales de izquierda a derecha en la superficie fotosensible. Una vez alcanzado el borde izquierdo, se retrocede al borde derecho y se explora la línea horizontal siguiente, tal y como ilustra la figura 9.27.a.
Simultáneamente al movimiento horizontal, también es necesario un movimiento vertical de arriba a abajo, para ir avanzando de una línea a otra. Al llegar a la última línea se retrocede en el movimiento vertical para volver de nuevo a la línea superior de la pantalla.
En un sistema real de TV, el retorno vertical es mucho más lento que el movimiento horizontal y además el movimiento horizontal no cesa durante el retorno vertical. Así la trayectoria descrita por el haz durante el retroceso vertical () es la que se describe en la figura 9.27.b.
Figura 9.27 (a) Barrido. (b) Trayectoria del haz durante el retorno vertical.
Durante los tiempos de retorno, el haz debe estar inactivo para que no se visualice en la pantalla.
La figura 9.28 muestra la señal para dos líneas, N y N+1, que se producirá para las imágenes mostradas.
(a)
(b)
Figura 9.28 Señales para las líneas N y N+1 de dos imágenes.
En el receptor se reproduce la imagen mediante una pantalla sobre la que hay película de material que al ser bombardeada por un haz de electrones produce luz El haz puede variar su intensidad para reproducir en cada punto de la imagen la luz del punto correspondiente de la proyección.
Para representar la imagen completa el haz de electrones debe barrer la superficie fotoemisiva con la misma trayectoria con la que el haz de electrones de la cámara exploró la superficie foto- sensible para generar la señal eléctrica.
Con este sistema de exploración mediante líneas aparecen intrínsecamente dos aspectos básicos a considerar. En primer lugar debe determinarse en cuántas líneas hay que dividir la imagen, y en segundo lugar cuál es la velocidad a la que tiene que moverse el haz.
El número de líneas debe ser tal que un espectador situado a la distancia habitual de observación no las distinga y vea una imagen continua.
El ancho de una línea, d, está relacionado con el número de líneas, N, tal que d h
= N
donde h es la altura de la pantalla.
Si se considera una distancia media de observación, D, seis veces h, D=6h, entonces el ángulo umbral promedio θn es muy pequeño (θn es el inverso de la resolución del ojo). La figura 9.29 muestra estas magnitudes. Por tanto
Figura 9.29 Magnitudes para el cálculo del número de líneas.
Para que el observador no aprecie las líneas debe satisfacerse que . Por tanto y el número de líneas debe satisfacer
Para una resolución del ojo de 1.3 minutos de arco, se obtiene:
Este valor debe entenderse como una primera aproximación. Debe tenerse en cuenta que el gro- sor del haz de exploración es de dimensiones similares al grosor de una línea. Cuando el barrido es alineado, es decir, cuando la imagen tiene el máximo de detalle alineado con el haz, 425 son suficientes para obtener una señal correcta. La figura 9.30 muestra una imagen con N barras hori- zontales, N/2 blancas y N/2 negras, alineadas con el haz. La señal reproducida es correcta.
( )
1n n 6
tg d
D N
θ =θ = =
θ θ< n
1 6 n N > θ
4
1 425 lineas
6 3.92 10 N > − =
×
Figura 9.30 Barrido alineado.
Evidentemente en general el haz no estará alineado con la escena. La figura 9.31 muestra el caso extremo contrario, un barrido no alineado en el que el número máximo de detalle no está ali- neado con el haz.
(a) (b)
Figura 9.31 Barrido no alineado. (a) Imagen con el detalle máximo no alineado con el haz. (b) Señal resultante
La señal eléctrica obtenida es la integración de la fotoconversión. Como en la zona que abarca el haz hay parte blanca y parte negra, la señal resultante es un nivel de señal de gris medio, y por tanto, la imagen estará mal capturada. Evidentemente esta situación tampoco es habitual
Por tanto debe aumentar el número de líneas. Para determinar el factor de incremento se realiza- ron análisis estadísticos, tal que el número de líneas es:
donde K es el factor de Kell, K=0.7. Por tanto:
El sistema de TV europeo consta de 625 líneas, de las cuales sólo 575 contienen imagen.
N N 1
′ = K
425 1 607lineas N′= 0.7=
La velocidad del haz viene caracterizada por la frecuencia de barrido. Para elegir la frecuencia de barrido debe tenerse en cuenta que la imagen se reproduce mediante un haz de electrones que produce luz sólo en un punto en cada instante. La imagen está compuesta por muchos puntos y transcurre un tiempo, T, mayor que cero, denominado tiempo de barrido, desde que se ilumina un punto hasta que vuelve a iluminarse.
Si el tiempo de barrido es grande el ojo percibirá la luz de un punto de la pantalla de forma inter- mitente. Si el tiempo T se va haciendo más pequeño el ojo no es capaz de seguir las variaciones rápidas y llega un momento en que el punto se percibe como constantemente iluminado.
El haz, al ir barriendo la pantalla a suficiente velocidad produce en el sistema visual humano la sensación de una imagen, cuando en realidad en cada instante el haz sólo está bombardeando un punto de la pantalla. Para determinar el umbral, es decir, el valor para el que el ojo ve la imagen y no a un punto iluminado moviéndose a lo largo de la pantalla se realizó un análisis estadístico de la respuesta del ojo al parpadeo.
La figura 9.32 ilustra la frecuencia umbral. Se puede observar que depende del brillo de la ima- gen. Cuánto más brillante es un punto mayor debe ser la frecuencia para que parezca constante- mente iluminado.
Figura 9.32 Umbral de parpadeo en función del brillo.
Para que el parpadeo no se aprecie la frecuencia debe ser mayor que 65 Hz. Una frecuencia de imagen de 65 Hz provoca que la TV tenga un ancho de banda muy grande. Por ello es necesario arbitrar algún método para reducirla. Este método es el barrido entrelazado.
El barrido entrelazado consiste en efectuar el barrido de la pantalla en dos fases, cada una de ellas al doble de frecuencia que los 65 Hz, Se realiza primero el barrido de las líneas impares y luego el de las pares. La figura 9.33 ilustra este procedimiento.
Figura 9.33 Barrido entrelazado
Cada fase se llama semi-imagen o campo. Con ello se consigue disminuir el parpadeo que per- cibe el ojo, con respecto al barrido no entrelazado de igual frecuencia, porque aunque el tiempo que transcurre entre dos iluminaciones sucesivas de un punto es el mismo que en un barrido no entrelazado, los puntos vecinos han sido iluminados en la mitad de tiempo.
Además, con un barrido entrelazado disminuye el efecto que consiste en que debido a la persis- tencia del ojo se vería una franja más iluminada que el resto, correspondiente a la estela del punto de exploración que avanza hacia abajo y cuando desaparece por abajo vuelve a aparecer por arriba avanzando de nuevo hacia abajo.
Este efecto 'ola' disminuye gracias al barrido entrelazado porque el tiempo que transcurre entre dos pasadas por una zona de la pantalla es la mitad y porque en un mismo intervalo de tiempo se iluminan doble cantidad de líneas y por tanto la 'ola' es más ancha, diluyéndose más en el resto de la imagen.
Por razones de interferencias con la fuente de alimentación se elige la frecuencia de campo (semi-imagen) igual a la frecuencia de la red. Así en Europa son 50 campos/segundo, 25 imáge- nes/segundo y 625 líneas; y en USA, Canadá, Japón y otros países son 60 campos/segundo, 30 imágenes/segundo y 525 líneas.
La frecuencia de línea y el periodo de línea en el sistema europeo son:
El hecho de que el número de líneas sea impar requiere un análisis adicional. Si es así, durante ambas semi-imágenes los recorridos del barrido vertical son iguales, simplificando la circuitería, mientras que si es par entonces deben ser diferentes. La figura 9.34.a muestra el barrido entrela- zado con un número impar de líneas horizontales y la figura 9.34.b con un número par.
25 625 15655
L imagen
f = f × =N × = Hz
1 64
L L
T s
f µ
= =
Figura 9.34 (a) Número impar de líneas horizontales. (b) Número par de líneas horizontales
Figura 9.35 Corrección gamma.
La señal de TV transmitida desde la cámara se reproduce en el receptor de TV. La pantalla es un tubo de rayos catódicos y tiene una respuesta de luz no lineal en función de la señal eléctrica.
Para que el comportamiento del conjunto cámara-receptor sea lineal hay que hacer una correc- ción, la corrección gamma. Si B es el brillo producido, E la señal aplicada y γ es la gamma del tubo en el receptor, entonces . En la cámara Bs es el brillo de la escena y Es la señal de salida de la cámara y , la gamma del sensor, con
Si la señal de la cámara se aplica directamente al receptor entonces el brillo reproducido satisface que
(a)
(b)
B∝Eγ γs
s
s s
E ∝Bγ
donde no es uno, es no lineal. Para que el sistema sea lineal debe corregirse la gamma a la salida de la cámara , tal y como ilustra la figura 9.35.
Así la señal transmitida será tal que El brillo reproducido en el
receptor será entonces , y el sistema será lineal si . Sin embargo experimentalmente se ha encontrado que se obtiene una mayor calidad si la gamma del conjunto es de 1.2.
Un valor de estándar para la gamma de los tubos de rayos catódicos es 2.8, por tanto la señal transmitida debe tener una gamma 0.43.
El barrido de la imagen se realiza mediante líneas que son transmitidas en serie, es decir, secuen- cialmente. Cuando la señal llega al receptor, este debe tener algún medio para reconocer cuando comienza una línea y cuál es. Es decir, se debe sincronizar la exploración de la imagen hecha por la cámara con el barrido en el receptor. Si la imagen no está sincronizada el brillo de cada punto de la escena se reproduce en unas coordenadas distintas.
La frecuencia de línea es fija por lo que los circuitos del receptor pueden mantener la misma velocidad de barrido que la cámara a lo largo de la línea. Para conseguir la sincronización basta transmitir al receptor una señal que indique cuando debe comenzar la línea. Además hay que transmitir una señal para indicar cuando comienza una nueva imagen. La señal de sincronismos son pulsos, y hay dos tipos: de línea y de campo. Se diferencian porque los pulsos de línea son más cortos y los de campo más anchos.
Para transmitirlos se utiliza el mismo canal que para transmitir la imagen. Para insertar el sincro- nismo de línea se aprovecha el intervalo de tiempo que usa la cámara para retroceder desde el borde derecho, final de línea, hasta el izquierdo, principio de la línea siguiente, y el de campo se inserta durante el retroceso desde el borde inferior al borde superior de la pantalla. Para que el receptor detecte con facilidad los pulsos de sincronismo, éstos se insertan con un nivel de señal distinto al de la imagen. La amplitud pico a pico del pulso de sincronismo puede variar de un sis- tema a otro.
Con todo ello se dispone de los elementos fundamentales de la señal de vídeo compuesta (SVC).
La SVC está formada por la imagen, los sincronismos y algunas líneas vacías. En general depende de cada sistema de televisión.
Para el sistema monocromo de 625 líneas y 25 imágenes por segundo utilizado en Europa distin- guen tres niveles: blanco, negro, y nivel de sincronismo. La figura 9.36 muestra la SVC.
s
B∝Bsγ γ×
γs×γ
Et =Esγc s c
Et ∝Bsγ γ×
B∝Bsγ γ γs c× × γs× × =γc γ 1
Figura 9.36 Señal de vídeo compuesta
E1 margen dinámico está normalizado a 1 voltio, tal que el nivel de blanco es 1 Voltio, el de negro 0.3 Voltios y el de sincronismo 0 Voltios. Cuando es necesario un origen para la medida de tiempos se toma el flanco descendente del pulso de sincronismo. El sincronismo debe conside- rarse en dos ejes, horizontal y vertical.
El sincronismo de línea o sincronismo horizontal está formado por tres partes:
1.- El pórtico anterior (front porch), de 1.5 µs. Su función es permitir que la señal llegue al nivel de negro desde cualquier punto del margen de vídeo.
2.- Pulso de sincronismo, de 4,7 µs. Es la señal utilizada para el sincronismo. Como su ubica- ción en el tiempo coincide con el final de la línea, el flanco inicial activa el retorno del haz.
3.- Pórtico posterior, de 5.3 µs. Es el tiempo extra para el retorno del haz, con la finalidad de asegurar el correcto comienzo de la nueva línea.
Como el intervalo de tiempo dedicado a una línea es de 64 µs, el reparto son 52 µs de imagen y 12 µs de sincronismo. (Obsérvese que los 11.5 µs se redondean a 12).
El circuito de sincronismo horizontal detecta la presencia del pulso mediante un diferenciador que proporciona una salida que es un pico de tensión ante un flanco de bajada brusco.
El sincronismo vertical también es conocido como sincronismo de imagen, de campo o de cua- dro. Mientras que el sincronismo de línea se da cada 64 µs, el sincronismo de campo se da cada semi-imagen, es decir, cada 20 ms. Esta compuesto por una forma de onda como la mostrada en la figura 9.37
El pulso de sincronismo está formado por los 5 intervalos de media línea formando el equiva- lente a un pulso de larga duración fácilmente distinguible del sincronismo de línea. La figura 9.37 muestra la señal de TV según la norma CCIR de cuadro de 625 líneas y 50 campos.
Figura 9.37 Señal de TV. Norma CCIR de cuadro de 625 líneas y 50 campos.
El circuito para separar los sincronismos de campo de los de línea es un integrador seguido de un comparador de tensión. La figura 9.38 ilustra el sistema de sincronismo.
Figura 9.38 Sistema de sincronismo.
Los pulsos cortos de sincronismo horizontal a la salida del integrador no alcanzan el umbral mientras que el pulso de sincronismo vertical, debido a su mayor duración, produce a la salida una señal de mayor nivel.
El pulso de sincronismo vertical está compuesto por cinco pulsos y no por uno sólo de duración igual a los cinco porque durante este tiempo es conveniente que el circuito de sincronismo hori- zontal no deje de funcionar. Por ello se necesita un flanco de bajada cada 64 µs. Dado que el ini-
cio del pulso de sincronismo vertical coincide en uno de los dos campos con la mitad de línea, es necesario un pulso cada 32 µs, en vez de cada 64 µs.
El sincronismo vertical va precedido por 5 pulsos de 2.35 µs, llamados pulsos de preecualiza- ción. Como hay un número impar de líneas, en un campo el tiempo transcurrido entre el último pulso de sincronismo horizontal y el inicio del pulso de sincronismo vertical sería de 64 µs y en el otro campo de 32 µs. Esto afecta a las condiciones iniciales del integrador y es necesario que sean las mismas en los dos flancos iniciales del sincronismo vertical para que los tiempos sean iguales en ambos campos. Para ello el pulso de sincronismo vertical va precedido de los pulsos de preecualización.
Los pulsos siguientes al pulso de sincronismo vertical se llaman de postecualización y permiten que las condiciones finales del integrador sean las mismas en los dos campos.
Así el intervalo de sincronismo vertical se compone en total de 7.5 líneas y además hay 17,5 líneas vacías que no contienen información de imagen. A medida que ha ido avanzando la tecno- logía se han implementado nuevos servicios, como el teletexto, utilizando estas líneas vacías.
La figura 9.39 muestra un sistema con 17 líneas (el número de líneas del sincronismo vertical así como otros valores no son reales por claridad).
Figura 9.39 Señal de TV de un sistema con 17 líneas y exploración entrelazada
El ancho de banda de la señal de televisión en banda base va desde la componente continua a la frecuencia máxima determinada por las variaciones más pequeñas que contenga la imagen en sentido horizontal, ya que la exploración se hace mediante líneas horizontales.
En los sistemas de televisión lo normal es que el tamaño de detalle horizontal y vertical sea el mismo. Para el sistema de 625 líneas, la resolución vertical real es:
donde N = 625, es la relación entre el número de líneas activas y el total (575/625) y K es el factor de Kell, K= 0.7.
Como la pantalla es más ancha, el número de líneas verticales debe ser siendo A la relación de aspecto (A = 4/3).
Las líneas deben mostrarse en el tiempo activo de la línea , siendo el tiempo de línea (64 µs) y el factor de línea activa (52/64).
La figura 9.40 muestra un ejemplo de resolución vertical de 6 líneas, que con la relación de aspecto de 4/3 proporciona a igualdad de detalle una resolución horizontal de 8 líneas.
Figura 9.40 Resolución vertical de 6 líneas.
El número de periodos originados a lo largo de la línea horizontal es igual a la mitad de barras verticales. Por tanto la frecuencia de la señal es
N r× ×a K
ra
A N× × ×ra K
h l
t ×r rl
1 nº periodos 2
tiempo
a
h l
Nr KA
f = = t r
×
Como
entonces
Teniendo en cuenta los valores N = 625; = 0.92; K = 0.7; A = 0.75; = 0.812 y = 25 HZ, entonces f=5.163 MHz. En la práctica la señal de salida se filtra paso baja con frecuencia de corte 5 MHZ.
En la actualidad se encuentran normalizados varios sistemas de TV monocromo. Los más impor- tantes son:
1.- El sistema de 525 líneas, con 30 imágenes por segundo, utilizado en USA, Canadá, Japón y otros países.
2.- El de 625 líneas, con 25 imágenes por segundo, utilizado en Europa
Las principales características de estos sistemas y otros obsoletos, como el británico de 405 líneas, se muestran en la tabla 9.1.
Tabla 9.1 Características de diversos sistemas de TV monocromo.
1 1
h
h imagen
t = f = N F
×
2
2
a imagen
l
N r KAF
f = r
ra rl Fimagen
Características Europeo
625 1íneas
Americano 525 1íneas.
Británico
625 1íneas.
Británico 405 1íneas.
Francés 819 1íneas.
N. líneas / imagen 625 525 625 405 819
Frecuencia de Imagen (Hz) 25 30 25 25 25 Frecuencia de campo (Hz) 50 60 50 50 50
Entrelazado 2-1 2-1 2-1 2-1 2-1
Relación de aspecto 4/3 4/3 4/3 4/3 4/3
Frecuencia de línea (Hz) 15625 15750 15625 10125 20475
Periodo de línea (μs) 64 63.5 64 98.8 48.84
Periodo de linea activo (μs) 52 52.45 52 80.42 39.32 N. líneas activas/ imagen 575 483 575 375 751 Res. vertical (líneas) 402 340 402 264 527 Res. horizontal (líneas) 520 422 483 372 786
Modulación AM - - - - -
Nivel de negro (%) 75 75 77 35 25 Nivel de borrado (%) 75 75 77 30 25 Nivel de blanco (%) 10 15 20 100 100 Ancho de banda en RF
(MHz)
7/8 6 8 5 14 Ancho de banda vestigio
(MHz)
0.75 0.75 1.25 1.25 2
Modulación del sonido FM FM FM AM AM Separación intercarrier
(MHz)
5.5 4.5 +6 -3 -11
9.4 LA TELEVISIÓN EN COLOR
En la cámara de color el objetivo capta la imagen, que pasa a través de varios espejos dicroicos, de forma que se van separando los tres colores básicos que distingue el ojo humano. Así, se des- compone la imagen en base al sistema de referencia RGB. Al final la luz llega a tres sensores que realizan la fotoconversión de las tres bandas de color y generan tres señales eléctricas. Después, la señal es transmitida. En el receptor se vuelve a componer la imagen, y se representa en la pan- talla. Esta representación se hace por tríadas de puntos, cada uno genera un color primario. Estos puntos son los luminóforos. La estructura de tres luminóforos puede tener varias formas y se repite espacialmente hasta completar toda la pantalla. La figura 9.41 muestra un esquema de los Luminóforos de TV en color.
Figura 9.41 Luminóforos de TV en color.
La reproducción del color se basa en la mezcla por yuxtaposición espacial. Para que sea efectiva el espectador debe situarse a una distancia mínima de la pantalla para que el sistema visual inte- gre la luz emitida por los luminóforos de las tríadas.
Para representar una imagen se activan estos luminóforos en función del color que se deba visua- lizar. Por ejemplo, si se debe representar en la pantalla el color amarillo, se activarán los luminó- foros verde y rojo.
En el tubo de rayos catódicos de la TV en color hay tres cañones de electrones, correspondientes cada uno a uno de los tres colores primarios, los cuales hacen incidir su haz de electrones sobre su luminóforo correspondiente atravesando una máscara metálica perforada denominada máscara de sombra (shadow mask) colocada antes de la pantalla.
La posición exacta de los haces y su desviación se realiza mediante la aplicación de dos campos magnéticos mediante sendos pares de bobinas que producen la deflexión de los haces, tanto en horizontal como en vertical. Desde el punto de vista del color lo importante es que el haz de elec- trones del cañón del rojo incida sobre los luminóforos rojos, y así sucesivamente para los otros dos cañones, si no es así, la reproducción del color será incorrecta.
Los tres haces de electrones recorren la pantalla sincronizadamente, y las tres señales de color son las encargadas de controlar la intensidad de cada uno de los haces y así, variar la luminosidad del color a reproducir en la pantalla.La figura 9.42 muestra un tubo de TV en color.
Figura 9.42 Tubo de TV en color.
En un principio un aspecto fundamental fue la compatibilidad, es decir, la señal transmitida en color debe poder ser visualizada en monitores en blanco y negro como gama de grises. También es importante la compatibilidad inversa que consiste en que los receptores en color puedan repre- sentar señales transmitidas en blanco y negro.
Al considerar la compatibilidad no se podrán transmitir las tres componentes RGB, puesto que el receptor monocromo está preparado para recibir una única señal, la de brillo. Además, la señal que reciba debe ocupar el mismo ancho de banda, o lo que es lo mismo, debe estar ubicada en los canales en los que se ha dividido el espectro radioeléctrico. Por tanto, el sistema de TV en color debe transmitir la información de color para los receptores en color, pero al mismo tiempo debe enviar una señal que equivalga a la señal de brillo que está esperando el receptor monocromo ocupando la misma zona del espectro.
Esta señal idéntica a la de monocromo es la luminancia, que indica el brillo para cada punto de la imagen. Además, se debe transmitir la información necesaria de color para que los receptores en color puedan visualizar la imagen original en color. Esta otra señal que lleva asociada la informa-
