Contenidos TEMA 1 INTRODUCCIÓN. Contenidos. 1.1 Introducción a los sistemas de TV

TEMA 1

INTRODUCCIÓN

ETSI Telecomunicación

Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería Telemática

Sistemas de Telecomunicación IV

Javier Royuela del Val Pablo Casaseca de la Higuera

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Contenidos

1.1

Introducción a los sistemas de TV

1.2

Luz, luminancia y brillo

1.3

Colorimetría aplicada a TV color

1.4

Sistema Visual Humano

Contenidos

1.1 Introducción a los sistemas de TV

1.2

Luz, luminancia y brillo

1.3

Colorimetría aplicada a TV color

1.4

Sistema Visual Humano

1.1 Introducción a los sistemas de TV

ƒ Definición en el contexto de la asignatura

 Generación, almacenamiento, procesado y transmisión de imágenes (en movimiento), sonido asociado y otros datos adicionales

 Clasificación atendiendo a diversos criterios: medio de transmisión, naturaleza de la señal transmitida, etc.

5

1.1 Introducción a los sistemas de TV

ƒ

TV como contexto de desarrollo científico y

tecnológico para múltiples disciplinas

ingenieriles

 Dispositivos: cámaras, receptores

 Diseño de estudios de grabación/producción

 Distribución: radioenlaces, satélites, redes de antena colectiva

ƒ

Tecnología en evolución constante

 B/N Ÿ Color Ÿ Digital Ÿ HD Ÿ 3D Ÿ Interactividad Ÿ …

6

Contenidos

1.1

Introducción a los sistemas de TV

1.2 Luz, luminancia y brillo

1.3

Colorimetría aplicada a TV color

1.4

Sistema Visual Humano

ƒ LUZ Æ Es la radiación

electromagnética que estimula la respuesta visual humana.

 Ocupa una región en el espectro entre 389 nm y 780 nm.

 La percepción humana de la luz se describe habitualmente en términos de:

• Brillo: Cantidad de luz percibida • Tinte: Color (rojo, verde…) • Saturación: Viveza del color

1.2 Luz, luminancia y brillo

1.2 Luz, luminancia y brillo

ƒ

RADIOMETRÍA:

Rama de la física que se ocupa de la medida de radiaciones electromagnéticas.

ƒ

FOTOMETRÍA:

Ciencia que se ocupa de la medida de la luz en términos de la sensación luminosa percibida.

MAGNITUDES

Radiométricas Fotométricas

Energía Sensación visual

e

X

V

 

O

X

_v

1.2 Luz, luminancia y brillo

ƒ

Magnitudes radiométricas

9

Potencia neta radiada por una fuente

Potencia radiada por unidad de ángulo sólido

en una determinada dirección

1.2 Luz, luminancia y brillo

10

Potencia radiada por unidad de superficie

Potencia radiada por unidad de ángulo sólido en una dirección dada y por unidad de superficie aparente

Flujo radiante incidente en una superficie por unidad de área

ƒ Hasta ahora no se ha tenido en cuenta la distribución de la energía radiada en el espectro electromagnético.

ƒ Para cada una de las magnitudes anteriores se define la correspondiente magnitud espectral:

13

1.2 Luz, luminancia y brillo

ƒ Magnitudes Fotométricas:

 La respuesta del sistema visual humano a una radiación electromagnética depende de su longitud de onda.

 Para una longitud dada, el valor de cada magnitud fotométrica es proporcional a la magnitud radiométrica correspondiente:

 Normalmente se normaliza por su valor máximo:

: Eficacia luminosa espectral (lumen/vatio) (lm·W-1₎

: Eficacia luminosa espectral máxima (683 lm·W-1₎

:Eficiencia luminosa espectral (adimensional)

14

ƒ

Un observador percibe como igualmente

brillantes dos luces monocromáticas y

si se cumple:

ƒ

nos permite pasar de magnitudes

radiométricas a fotométricas.

1.2 Luz, luminancia y brillo

ƒ La eficiencia luminosa relativa depende del observador, y en concreto de su sistema visual. Para eliminar variaciones entre diferentes observadores, se define una función estándar obtenida experimentalmente

1.2 Luz, luminancia y brillo

1.2 Luz, luminancia y brillo

ƒ

Magnitudes radiométricas vs. fotométricas:

Flujo radiante vs. Flujo luminoso.

Intensidad radiante vs. Intensidad luminosa.

Excitancia radiante vs. Excitancia luminosa.

Radiancia vs. Luminancia.

17

ƒ

Luminancia (cd/m

2

_{) de una luz con distribución}

espectral

:

1.2 Luz, luminancia y brillo

ƒ

No mide la percepción del brillo (se pueden crear

escenas artificiales).

ƒ

Sin embargo, se relaciona más con la percepción

que integrar simplemente C(O).

ƒ

Se podría definir como la magnitud objetiva

equivalente a la sensación subjetiva de brillo.

18

1.2 Luz, luminancia y brillo

ƒ

Brillo Ÿ Luminancia percibida. Depende de la

luminancia del entorno.

ƒ

En un televisor, la luminancia es fija (se utiliza la

respuesta del sensor de adquisición).

ƒ

Sin embargo, el brillo que percibe el espectador

depende de la iluminación de la habitación.

Contenidos

1.1

Introducción a los sistemas de TV

1.2

Luz, luminancia y brillo

1.3 Colorimetría aplicada a TV color

1.4

Sistema Visual Humano

1.3 Colorimetría aplicada a TV color

ƒ

Utilización del color para visualización de

imágenes:

 Más agradable

21

1.3 Colorimetría aplicada a TV color

ƒ Color: interpretación por el cerebro de la recepción de frecuencias

electromagnéticas en la retina

ƒ Mismo objeto no luce igual con diferentes fuentes

ƒ Necesidad de identificar la fuente

22

1.3 Mezcla sustractiva de colores

ƒ Poder transmisor de un filtro a una longitud de onda NJ: Cociente entre la intensidad de luz que transmite y la que incide (T_NJ).

ƒ Al pasar la luz por un filtro, se atenúa la intensidad a ciertas longitudes de onda Æ Se “sustrae” parte de la luz.

ƒ En una impresora, la tinta actúa como filtro. Usa 3 primarios sustractivos Æ Absorbe la luz, no la emite.

1.3 Mezcla aditiva de colores

ƒ Superposición, sobre una pantalla blanca, de luces coloreadas S1 y S2.

 Luz roja más luz verde Æ Vemos luz amarilla (en realidad, un análisis espectral indicaría luz roja y luz verde, pero la sensación es de color amarillo) Æ Nuestro cerebro las “suma”

ƒ Obtención de cualquier color por método aditivo Ÿ Mezcla de 3 componentes primarias emisoras de luz (RGB)

1.3 Colorimetría aplicada a TV color

ƒ La percepción de color es función de tres canales no independientes Ÿ Por eso podemos percibir radiaciones distintas como una misma sensación visual.

ƒ Dos colores C₁(O) y C₂(O) se perciben como iguales si D_i(C₁)= D_i(C₂) para todo i

ƒ Un determinado color C(O) se puede obtener

combinando tres primarios P_k(O) sin más que encontrar los coeficientes E_kapropiados para la mezcla

25

1.3 Colorimetría aplicada a TV color

ƒ Los coeficientes E_k deberán cumplir (para todo i):

ƒ Esto es:

ƒ Donde:

ƒ

26

1.3.1 Leyes de Grassman

ƒ Toda sensación de color se puede obtener por suma de tres fuentes S1, S2 y S3, de colores que llamamos primarios (Maxwell y Grassmann). Grassmann formuló una serie de leyes al respecto, destacando:

 Cualquier color se puede adaptar mezclando como máximo tres luces coloreadas.

 El ojo humano es incapaz de resolver los componentes de una mezcla de colores.

 Dos colores sensorialmente iguales, también lo son si sus luminancias se multiplican por la misma constante.

 La luminancia de una mezcla de colores es igual a la suma de luminancias de cada componente.

1.3.1 Colorímetro

ƒ Para la determinación de los coeficientes que forman cada color, se usa el colorímetro.

 En un lado de la pantalla se proyecta un color cuyos coeficientes queremos determinar.

 En el otro lado de la pantalla se proyectan simultáneamente los

1.3.2 Representación vectorial

 Los ǃkse normalizan por los obtenidos para adaptar previamente un

blanco de referencia(w_k).

1.3.2 Representación vectorial

ƒ Los valores triestímulo se pueden expresar también como el cociente de la luminancia de cada primario necesaria para adaptar el color C entre las necesarias para adaptar el blanco de referencia W:

ƒ Aplicando las leyes de Grassman, la luminancia de un color

C se puede expresar como:

29 30

1.3.3 Las coordenadas de cromaticidad

ƒ Si nos movemos en un plano en el que la luminancia sea constante, y sólo nos interesan las diferencias de tinte y

saturación, nos basta con dos parámetros para

determinar el color:

ƒ En la normalización se pierde la información de luminancia.

ƒ Para el blanco de referencia:

t₁= T1 T₁+ T₂+ T₃ t2= T₂ T₁+ T₂+ T₃ t3= T₃ T₁+ T₂+ T₃ t₁+ t₂+ t₃= T₁+ T₂+ T₃ T₁+ T₂+ T₃ = 1 t₁= t₂= t₃= 1/3

1.3.3 La carta cromática

ƒ Basta con conocer dos de las componentes (la tercera se obtiene por diferencia).

ƒ El plano formado por dos de las componentes se conoce como carta cromática:

ƒ El blanco de referencia ocupa las coordenadas cromáticas(1/3,1/3).

1.3.4 Espacios de color CIE-RGB y CIE-XYZ

ƒ En 1931 la CIE publica estándar en el que se define el espacio de color CIE-RGB a partir de datos experimentales.

ƒ Fuentes primarias monocromáticas de 700 nm (rojo, R), 546.1 nm (verde, G) y de 435.8 nm (azul, B).

ƒ Blanco de referencia: de igual energía.

ƒ Mediante el colorímetro, se van adaptando luces monocromáticas en todo el rango visible del espectro.

1.3.4 Espacios de color CIE-RGB y CIE-XYZ

33 ƒ Hay tonos que no se pueden obtener en el colorímetro como

suma de colores RGB. Hay que poner una luz al otro lado, lo que daría lugar a valores negativos en la carta rg.

1.3.4 Espacios de color CIE-RGB y CIE-XYZ

34

ƒ Para que todo color se halle representado por un punto en el primer cuadrante, el CIE reformó el sistema de parámetros r, g y b adoptando ciertas funciones lineales de ellos a las que llamó x, y, z.

ƒ Esto equivale a tomar nuevos patrones primarios ficticios que cumplían con las condiciones requeridas, X, Y, Z.

donde x + y + z =1, por lo que basta conocer x e y. ƒ Las coordenadas x, y calculadas para todos los

colores del espectro conforman una gráfica llamada

curva lugar del espectro, o locus espectral, que representa la frontera de todos los colores reales existentes.

x= X X + Y + Z y= Y X + Y + Z z= Z X + Y + Z

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Contenidos

1.1

Introducción a los sistemas de TV

1.2

Luz, luminancia y brillo

1.3

Colorimetría aplicada a TV color

1.4 Sistema Visual Humano

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1.4 Sistema Visual Humano

1.4.1 El Ojo

1.4.1 El Ojo

ƒ Células fotosensibles:

 Conos: Responsables de la visión del color. Se cree que hay tres tipos de conos, con diferentes respuestas al espectro visible. Dada la forma de conexión de las terminaciones nerviosas que van al cerebro, son

responsables de la definición espacial. Son poco sensibles a la intensidad de luz (proporcionan visión fotópica, a altos niveles de iluminación).  Bastoncitos: Se concentran en zonas alejadas de la fóvea. Responsables

de la visión escotópica (visión a bajos niveles de intensidad). No son sensibles al color.

1.4.2 Respuesta del SVH

ƒ Iluminación de la retina: Para una escena con un determinado

nivel de luminancia Y, existe una relación entre el brillo real de la imagen y la iluminación producida en la retina:

E = K · Y · Sp

La cantidad de luz que llega a la retina depende de la apertura de la pupila, que a su vez depende del nivel de luz ambiente existente.

ƒ Agudeza visual: Es la capacidad de distinguir objetos muy

pequeños. Para el experimento clásico de alternar líneas negras y blancas, la agudeza se define como:

V = 1 / D

donde D es el poder separador del ojo, es decir, el ángulo para el que el ojo comienza a distinguir las líneas blancas de las negras. El valor medio para el ojo humano es de D = 1 min.

41

1.4.2 Respuesta del SVH

ƒ

Umbrales diferencia de luminancia. Sensibilidad

al contraste: La respuesta del ojo a los cambios

de intensidad de iluminación es no lineal.

Experimentos de Weber.

1er experimento:

El momento en que la diferencia ƩI comienza a ser percibida depende de I. La tasa ƩI /I (fracción de Weber) es prácticamente constante (~ 0.02) para un alto rango

de intensidades. ₄₂

1.4.2 Respuesta del SVH

2º experimento:

El rango es que la fracción de Weber permanece

constante se reduce considerablemente. Sin embargo, la envolvente de las curvas es equivalente a la curva del primer experimento.

1.4.2 Respuesta del SVH

ƒ Umbral diferencia de crominancia. Fijamos un color C con una

luminancia fija, y vamos variando su color, C + ƩC, hasta que percibamos un cambio de color. Si representamos en la carta cromática los umbrales de variación de cada color, obtenemos las elipses de Mac Adam: los umbrales no son iguales para todos los colores.

1.4.2 Respuesta del SVH

ƒ Persistencia visual: Capacidad del ojo humano de retener una

imagen por un corto período de tiempo, aunque esté fuera del campo de visión. Se produce una integración temporal. Toda la imagen se ha de mostrar en un período menor a 1/20 seg.

ƒ Sensación de movimiento: Una secuencia de imágenes

45

1.4.2 Respuesta del SVH

EJEMPLO: CINE

ƒ La película pasa frente a la lente a una velocidad de 24 imágenes por segundo (comprobado suficiente en películas de acción).

ƒ Si no se detiene Ÿ movimiento borroso.

ƒ La detención ha de coincidir además con el paso de luz Ÿ obturador al correr la película.

ƒ Sin embargo, al aumentar la luminosidad en algunas escenas, las imágenes se desvanecen, ya que la persistencia del ojo disminuye.

ƒ Aparece así el flicker, y para evitarlo se le dan 2 golpes de luz al ojo por cada imagen Ÿ obturador de doble hoja (3 hojas, 72 Hz para proyectores más potentes).

46

1.4.2 Respuesta del SVH

PERCEPCIÓN DEL COLOR

ƒ

Dada la gran diferencia entre conos y

bastoncillos, el ojo tiene gran definición para

percibir variaciones de brillo o luminancia, y

menor para las variaciones cromáticas.

ƒ

Podemos distinguir muchos colores, pero no si

están muy próximos en el espacio.

ƒ

Influencia en el ancho de banda de sistemas de

TV.

1.4.2 Respuesta del SVH

PERCEPCIÓN DEL NIVEL DE GRIS (filtrado espacial)

1.4.2 Respuesta del SVH

49

1.4.2 Respuesta del SVH