¡Descarga Cámaras y más Apuntes en PDF de Ingeniería Marina solo en Docsity!
5 Cámaras 381
5 Cámaras
5.1 Introducción
La cámara constituye uno de los elementos más importantes en cualquier sistema de comunicación visual. Su función básica es convertir la escena tridimensional en una señal temporal, analógica o digital, que pueda ser tratada, almacenada en soporte óptico o magnético, o modulada para transmitirse a un receptor remoto. En este capítulo consideraremos varios aspectos relacionados con la cámara y los elementos que la constituyen. Aunque la presentación está orientada fundamentalmente a cámaras de vídeo, también consideraremos con cierto detalle los principios de funcionamiento de la cámara fotográfica y se proporcionaran algunos ejemplos de cámaras orientadas a aplicaciones industriales de reconocimiento de imágenes.
La primera parte del capítulo se centra en el estudio del sistema de formación de imágenes o grupo óptico. El objetivo es introducir los conceptos de enfoque, variación de la distancia focal, ángulo de visión, profundidad de campo de la imagen, etc., y aprender cómo interaccionan todos ellos en la captación de imágenes. Para ello, se utiliza un modelo de lente muy simplificado, cuya limitación es que no permite realizar cálculos avanzados sobre aberraciones de imagen o posiciones relativas entre varias lentes, pero que resulta eficiente para comprender la incidencia de los distintos componentes del grupo óptico en la imagen final. La presentación de estos conceptos se centra en el contexto de una cámara fotográfica del tipo reflex y se particulariza a cámaras de vídeo en aquellos puntos donde aparecen diferencias entre ambos equipos.
En la siguiente sección se definen las unidades fotométricas elementales como la candela , el lumen y el lux. Estas unidades se utilizan con frecuencia en catálogos de cámaras para describir la sensibilidad de los elementos sensores de imagen o las características de los focos o fuentes de luz. Este análisis también permite redefinir el concepto de luminancia de un objeto en función de unidades físicas y representan una alternativa a los parámetros eléctricos que hemos usado en los capítulos anteriores.
La conversión de la proyección plana de la escena a una señal eléctrica requiere el uso de transductores de luz a carga eléctrica, que se conocen como sensores de imagen. El sensor de imagen más utilizado en las cámaras de vídeo modernas, tanto en aplicaciones profesionales como domésticas, es la célula CCD ( Charge Coupled Device ). Se trata de un dispositivo de estado sólido de reducido tamaño, elevada resolución de imagen y bajo consumo que ha desplazado completamente el uso de otros tipos de captadores como los tubos de imagen. Dedicaremos cierta atención a comentar los principios de funcionamiento de estos sensores y veremos las distintas alternativas tecnológicas
382 Sistemas audiovisuales I. Televisión analógica y digital
que suelen usarse en función de la aplicación y sus necesidades. La descripción de sensores de imagen incluye sólo los dispositivos CCD, puesto que el impacto en el mercado de otras tecnologías para la captura de señal de vídeo es cada vez más reducido y tiende a desaparecer. En fotografía analógica y cine se utiliza una película sensible cuyos principios físicos escapan de los propósitos de este texto.
Una vez definidos los principios de los sistemas de captura de imagen se describen las distintas funciones que suelen encontrarse en cámaras de vídeo o fotografía, como el zoom digital, el enfoque automático, el ajuste del balance de blanco o los subsistemas de estabilización de imagen. La exposición se centra principalmente en las distintas alternativas tecnológicas que se utilizan para realizar cada una de estas funciones.
En la última sección de este capítulo se incluye un resumen de los distintos tipos de cámaras que pueden encontrarse en el mercado, clasificadas en función de su ámbito de aplicación y sus características. También se proporciona un breve compendio de los distintos formatos de señal de vídeo no estándar que se utilizan en aplicaciones de TV de alta definición, video-vigilancia, visión por ordenador, etc.
5.2 Diagrama de bloques de una cámara
Los elementos que integran una cámara de vídeo o de fotografía pueden ser muy diversos y dependen de la aplicación y del mercado al que se destina la cámara. En esta sección nos concentraremos exclusivamente en los bloques básicos que, con mayor o menor complejidad y calidad, son comunes a prácticamente todas las cámaras.
Fig,5.1 Diagrama de bloques de una cámara
En la figura 5,1 se representa un posible diagrama de bloques para una cámara de vídeo doméstica. El grupo óptico, el sensor de imagen y el subsistema de lectura y acondicionamiento de señal están
Grupo óptico Sensor de imagen
Lectura y acondicionamiento de señales
Visor
Generador efectos
Registro magnético
Entrada Salida
Micrófono
S-Vídeo, digital, V Comp
Grupo óptico Sensor de imagen
Lectura y acondicionamiento de señales
VisorVisor
Generador efectos
Registro magnético
Entrada Salida
Micrófono
S-Vídeo, digital, V Comp
384 Sistemas audiovisuales I. Televisión analógica y digital
unidades de control de cámara externas. En cámaras de video-vigilancia o de circuito cerrado de televisión (CCTV) se suele suministrar una única señal de vídeo compuesto en el formato PAL o NTSC.
d) Visor. Proporciona al usuario o al operador de cámara una réplica de la imagen que se está recibiendo en el sensor. Es útil para realizar el control de enfoque y del ángulo de visión de la escena. El visor suele estar formado por un pequeño tubo de rayos catódicos o dispositivo de cristal líquido y una lente que ajusta la imagen para que pueda visualizarse desde una distancia corta. En las cámaras domésticas más modernas suele incorporarse un visor de cristal líquido auxiliar, situado en el exterior del cuerpo de la cámara y desplegable, que se utiliza tanto para ajustar el grupo óptico como para visionar las imágenes previamente registradas en la cinta. Los visores pueden ser en blanco y negro o en color. Estos últimos sólo se encuentran en las cámaras domésticas de alta gama. En cámaras profesionales se siguen utilizando visores en blanco y negro debido a que la resolución del sistema visual es más alta en luminancia que en imágenes de color, con lo que el control de foco de la escena resulta más fácil si se realiza sobre un visor en blanco y negro.
e) Registro magnético. Sólo está presente en las unidades de cámara que incorporan un sistema de registro de vídeo en cinta. Prácticamente todos los modelos orientados al mercado doméstico integran la unidad de cámara con un sistema de registro y reproducción de vídeo portátil. En el ámbito profesional se utilizan este tipo de cámaras para la realización de reportajes en directo. Existen versiones para todos los formatos de vídeo profesionales. En algunos casos, el subsistema de registro de vídeo es un módulo separado que se añade al cabezal de cámara.
f) Generador de efectos. Únicamente se incorpora en videocámaras domésticas y el objetivo es que el usuario final disponga de cierta capacidad para editar y proporcionar efectos de mezcla en sus vídeos sin necesidad de disponer de un sistema de edición independiente. Los efectos más habituales son el registro de señales en blanco y negro, en color sepia, fundidos entre escenas, etc. En algunos modelos, aunque cada vez es menos frecuente, se incluyen pequeñas unidades de titulación.
g) Micrófono integrado. Se usa para el registro de señal de audio en directo. Únicamente lo incorporan las cámaras domésticas y las profesionales para reportajes exteriores. En el registro y producción de vídeo en estudio se utilizan micrófonos y canales de audio independientes y sólo se mezclan con la señal de vídeo en la fase de producción. En las cámaras más modernas se integran dos micrófonos con diagramas de radiación ligeramente inclinados hacia la derecha y la izquierda del eje de la cámara. Con ello se logra obtener un registro estereofónico de la componente de audio. En la mayoría de formatos de vídeo doméstico que se comercializan actualmente (Hi-8, miniDV, Digital 8, etc.) el registro de la señal de audio es digital.
h) Entradas y salidas. Proporcionan la señal de vídeo y/o audio capturada por la cámara. El número y tipo de entradas y salidas depende también de las aplicaciones de la cámara. Así, en cámaras para CCTV únicamente se proporciona la señal de vídeo compuesto,
5 Cámaras 385
mientras que en cámaras domésticas suelen proporcionarse distintos formatos de salida: PAL, S-Vídeo, digital, etc. En algunas cámaras, como las webcam , el formato de vídeo de salida está especialmente diseñado para su adaptación a un puerto del ordenador (USB, RS-232). Las entradas suelen corresponder a señales de audio externo, capturadas con micrófonos auxiliares. No suelen proporcionarse entradas de señal de vídeo y muy pocos modelos de cámaras domésticas disponen de ellas.
Las cámaras de fotografía digital ( Digital Still Cameras ) tienen un principio de funcionamiento muy parecido a las cámaras de vídeo, con la salvedad de que únicamente registran el contenido de un fotograma y no la secuencia de vídeo completa. De hecho, la mayoría de modelos también proporcionan una señal de vídeo en tiempo real en la salida, que permite reproducir las fotografías almacenadas en la memoria u observar la señal del visor en un receptor de televisión convencional. En consecuencia, tanto el grupo óptico como los sensores de imagen son del mismo tipo y características que los utilizados en las cámaras de vídeo; en todo caso, estos últimos, tienden a utilizar resoluciones de imagen más altas para competir con los sistemas de fotografía analógica. La unidad de acondicionamiento de señal también es parecida, ya que también debe realizarse la lectura del sensor de imagen y producir una señal de vídeo compuesto. En este caso, la conversión a formato de vídeo para registro en cinta se sustituye por un subsistema de digitalización de imágenes que se almacenan en una memoria RAM interna para su posterior volcado a un sistema de registro informático en disquete, integrado dentro de la propia cámara o directamente a un puerto serie conectado con el ordenador. Para mejorar la eficiencia del sistema y poder registrar múltiples imágenes con una memoria interna reducida, se incluyen procesadores específicos que realizan la compresión de imágenes estacionarias (normalmente JPEG o JPEG2000).
En cámaras de fotografía convencional se utiliza película fotográfica (positiva o negativa) como sensor de imagen. Este tipo de sensor tiene una resolución considerablemente superior a la de los sensores electrónicos, proporcionando una gran definición y calidad de imagen. El margen de colores que pueden reproducirse con la técnica fotográfica es, no obstante, menor que el que proporciona una cámara de vídeo. La simplicidad de la cámara fotográfica analógica reduce notablemente los circuitos electrónicos, ya que sólo se utilizan en los modelos automáticos para el cálculo automático de la exposición y del enfoque de las imágenes. En la figura 5.2 se reproduce un esquema simplificado de una cámara del tipo reflex. La película fotográfica se sitúa en la parte posterior de la cámara y está protegida de la luz por el obturador, que no es más que una cortinilla que controla el tiempo de exposición de la película. El grupo óptico tiene la misma función que en las cámaras de vídeo, aunque en este caso suelen ser de un mayor tamaño, debido a que la superficie sobre la que se proyecta la imagen es más grande que en vídeo y exige el uso de lentes con una distancia focal superior. Analizaremos con detalle la relación que existe entre el tamaño del sensor y las distancias focales de las lentes.
La cámara reflex tiene la particularidad de que la imagen que se observa por el visor coincide exactamente con la imagen que finalmente incidirá sobre la película. En cámaras de fotografía convencionales el visor tiene un grupo óptico simplificado e independiente, que no está situado en la misma posición, de modo que pueden producirse errores de paralelismo que conducen a que la imagen fotografiada no coincida exactamente con la que se veía por el visor. La ventaja de una cámara reflex es que estos errores se eliminan completamente, y además, el fotógrafo puede predecir exactamente cuál será la profundidad de campo de la fotografía, ya que la está observando con el
5 Cámaras 387
modelarse por una única lente equivalente. Esta simplificación no nos permite evaluar las aberraciones de las lentes, pero no supone ninguna restricción importante sobre los conceptos que pretendemos manejar.
5.3.1 Lentes, grupo óptico y la lente ideal
Una lente es una pieza de vidrio u otro material transparente que se utiliza para la formación de imágenes de objetos reales mediante el desvío de los rayos de luz que proceden del objeto. Suelen tener forma circular y sus superficies frontal y posterior están pulidas con curvaturas cóncavas o convexas que casi siempre tienen forma esférica. En la figura 5.3 se representa el esquema de una lente.
Fig.5.3 Esquema de una lente
Las superficies frontal y posterior introducen un cambio en la dirección de propagación de los rayos de luz, debido al cambio de medio (aire-vidrio-aire), conocido como refracción. Al tratarse de curvaturas esféricas, los rayos que entran perpendiculares al plano de la lente convergen en un único punto denominado foco. La distancia entre el foco y el plano de la lente es la distancia focal y depende de la curvatura de las superficies frontal y posterior. El plano paralelo al plano de la lente, que pasa por el foco, se denomina plano focal. Además, cuando los rayos de luz proceden de una dirección distinta a la ortogonal también convergen en un mismo punto que se sitúa sobre el plano focal. En la figura 5.4 se representan el foco, la distancia focal y el plano focal de una lente.
Debe observarse que el pulido de las superficies de las lentes debe ser muy preciso, puesto que cualquier imperfección modificará la dirección en la que se refractan los rayos y significará que no todos ellos convergen en un único punto. Este problema se conoce como aberración y puede introducir distintos tipos de distorsión en la imagen, como la falta de enfoque, aparición de distorsiones geométricas o cromáticas, etc. En nuestro caso supondremos que las lentes son ideales y que no producen este tipo de problemas.
Las lentes pueden ser convergentes o divergentes, dependiendo de la forma cóncava o convexa de sus superficies y de sus radios de curvatura. Las lentes convergentes se comportan tal y como hemos
Frontal Perfil
Superficie esférica
Frontal Perfil
Superficie esférica
388 Sistemas audiovisuales I. Televisión analógica y digital
definido anteriormente, es decir, los rayos que atraviesan la lente convergen en un punto denominado foco que está situado por detrás de la lente. En las lentes divergentes, los rayos se separan al atravesar la lente. No obstante, tal y como se ilustra en la figura 5.5, los rayos resultantes parecen proceder de un punto situado por delante de la lente que se denomina foco virtual. Las lentes convergentes se utilizan en la captura o proyección de imágenes. Las aplicaciones típicas son las cámaras de vídeo, de fotografía o cine, los proyectores de vídeo o película, lupas de bolsillo, etc. Las imágenes obtenidas con lentes convergentes se denominan imágenes reales , en contraposición con las que se obtienen mediante lentes divergentes que se denominan imágenes virtuales. En este último caso los rayos parecen proceder de un punto inexistente o virtual. Son ejemplos de imágenes virtuales las que se observan a través de un espejo o de un microscopio.
Fig. 5.4 Foco, plano de la lente y plano focal en lentes convergentes
Fig. 5.5 Lentes convergentes y divergentes. Imagen real y virtual.
El carácter convergente o divergente de una lente depende de los radios de curvatura de las superficies frontal y posterior. Cuando ambas superficies son convexas la lente es convergente, mientras que si
Foco Plano focal
Plano lente
Foco Plano focal
Plano lente
Imagen real Lente convergente
Imagen virtual. Lente divergente
Foco
Foco
Imagen real Lente convergente
Imagen virtual. Lente divergente
Foco
Foco
390 Sistemas audiovisuales I. Televisión analógica y digital
(objetivos con zoom ) o enfocar correctamente la imagen sobre el sensor. El coste de un grupo óptico está directamente relacionado con la ausencia de aberraciones del conjunto de lentes. Así, los precios de objetivos que tienen una gran apertura (mucha entrada de luz) son muy superiores a los de los objetivos con poca apertura. La razón es que para obtener aperturas grandes se requieren también lentes de gran tamaño, en las que deben eliminarse todas las aberraciones que puedan aparecer en la periferia de la lente.
Fig. 5.6 Un grupo óptico está formado por varias lentes para reducir la aberración.
Una buena cámara para fotografía en miniatura de 35 mm puede utilizar grupos ópticos con un poder de resolución de unas 80-100 líneas por milímetro. Esto significa que con una película de suficiente resolución pueden obtenerse hasta un total de 2400 líneas en el sentido vertical (la altura de la película es de 24mm), lo que representa una resolución unas 4 ó 5 veces superior a la de los sistemas de televisión de definición convencional.
Fig. 5.7 Formación de imágenes en una lente ideal.
La lente ideal puede utilizarse como primera aproximación para estudiar las propiedades y características de un grupo óptico. La lente ideal queda caracterizada por su distancia focal (F) y se representa como una línea vertical con dos flechas en sus extremos. En la figura 5.7 se representa una
Grupo ópticoGrupo óptico
Eje de la lente
lente
Objeto A
Imagen A
Eje de la lente
lente
Objeto A
Imagen A
5 Cámaras 391
lente ideal y se indica cómo se obtiene la imagen del punto A. Todos los rayos que proceden de este punto son desviados por la lente hacia el punto imagen. La imagen siempre se forma sobre un plano paralelo al plano de la lente que se denomina plano de imagen y que está situado por detrás del plano focal. Si deseamos enfocar el objeto A, deberemos situar el sensor de imagen sobre el plano de imagen. Para realizar el enfoque en cámaras fotográficas o de vídeo, en las que el sensor está en una posición fija, es necesario modificar la posición de la lente, adelantándola o atrasándola hasta que el objeto quede correctamente enfocado. Es importante tener en cuenta que las imágenes de todos los objetos situados a una misma distancia de la lente (sobre el plano de objeto) se forman en el mismo plano de imagen. Esto significa que los objetos situados a la misma distancia resultarán enfocados simultáneamente. En el siguiente apartado veremos como puede determinarse la distancia a la que se sitúa el plano de imagen.
5.3.2 Formación de imágenes con lentes ideales
Para determinar el punto donde se forma la imagen de un objeto pueden usarse las tres reglas siguientes:
- El rayo procedente del objeto que pasa por el centro de la lente no es desviado.
- El rayo procedente del objeto que entra perpendicular al plano de la lente se desvía hacia el foco.
- La imagen del objeto se obtiene en el punto de intersección de los dos rayos anteriores.
En la figura 5.8 se representan gráficamente las reglas anteriores cuya aplicación es de carácter general, exceptuando aquellos objetos que se encuentran sobre el eje de la lente. En este caso concreto, las dos primeras reglas representan el mismo rayo, por lo que no puede calcularse el punto de intersección. No obstante, resulta trivial calcular la distancia a la que se formará la imagen si consideramos que todos los objetos situados a la misma distancia convergen en el mismo plano de imagen.
Fig. 5.8 Reglas para el cálculo del punto en el que se forma la imagen
Las reglas anteriores proporcionan un método simple e intuitivo para determinar el punto donde se forma la imagen. Por ello, en muchas representaciones, sólo se utilizarán estos dos rayos para indicar el punto donde aparece la imagen. Sin embargo, no debe olvidarse que del objeto A salen rayos en
Eje de la lente
lente
Objeto A
Imagen A
Eje de la lente
lente
Objeto A
Imagen A
5 Cámaras 393
Las ecuaciones 5.3 y 5.4 proporcionan las relaciones básicas entre un objeto y su imagen en función de la distancia focal de la lente. De ellas podemos extraer varias conclusiones que nos ayudan a comprender el fenómeno de formación de imágenes:
a) Las imágenes de los objetos muy lejanos se forman sobre el plano focal. En efecto, a medida que L aumenta, el factor 1/L en la ecuación 5.3 se reduce, con lo que el plano de imagen (situado a una distancia l ) coincide con el plano focal. Existen algunas cámaras de fotografía muy económicas que no tienen la capacidad de ajustar el enfoque de la imagen y que sitúan la película sobre el plano focal. De este modo, siempre enfocan las imágenes que se encuentran en el infinito. Estas cámaras suelen dar resultados aceptables cuando se realizan fotografías de paisajes o de objetos alejados. Veremos que suelen utilizar diafragmas muy cerrados y grandes angulares, con lo que consiguen una profundidad de campo considerable que permite que los objetos situados a una distancia media permanezcan más o menos enfocados.
b) A medida que un objeto se acerca a la lente, el plano de imagen se aleja del plano focal. Resulta evidente que al aumentar el término 1/L debe reducirse 1/l para mantener la contribución de ambos constante e igual a 1/F. Como una consecuencia directa de esta relación, debe observarse que cuando el objeto se sitúa a una distancia de la lente igual a la distancia focal, no se obtiene ninguna imagen, ya que el rayo que pasa por el centro de la lente y el que se desvía hacia el foco son paralelos y no se intersecan en ningún punto. En la práctica, la distancia mínima para la que puede enfocar una lente depende de la máxima separación que podamos obtener entre la lente ideal equivalente y la posición del sensor de imagen. Esta distancia depende de las características del grupo óptico.
c) Si aumenta la distancia focal también aumenta el tamaño de la imagen. Si aislamos h en la ecuación 5.4 obtenemos:
H F
H
h (5.5)
de donde se deduce inmediatamente que un aumento de F supone que el denominador disminuye y por lo tanto que aumenta el tamaño h de la imagen del objeto. Así pues, los teleobjetivos se corresponderán con distancias focales grandes mientras los grandes angulares u ojos de pez con distancias focales pequeñas.
d) Si aumenta la distancia focal también aumenta la distancia del plano de imagen. La distancia a la que se obtiene el plano de imagen puede despejarse de la ecuación 5.3, obteniendo:
L F
L
l (5.6)
Por tanto, si F aumenta el denominador disminuye y aumenta la distancia del plano focal. Debe notarse que la relación sólo es válida cuando L/F es mayor que la unidad, ya que en el
394 Sistemas audiovisuales I. Televisión analógica y digital
caso contrario no se forma ninguna imagen. Esta relación nos indica que las lentes de gran distancia focal requieren una separación considerable entre el plano de la lente y el sensor. Por ello, todos los teleobjetivos suelen ser largos, ya que se trata de mantener la lente equivalente alejada del sensor.
5.3.4 Ángulo de visión
Se entiende como campo o ángulo de visión de una fotografía o secuencia de vídeo el ángulo que abarcan los objetos que aparecen en la imagen cuando son observados desde el punto donde se ha realizado la toma. Un ángulo de visión reducido se corresponde con imágenes tomadas desde un teleobjetivo. Con un gran angular o un ojo de pez pueden obtenerse campos de visión muy amplios. El campo de visión depende de la distancia focal del objetivo y del tamaño del sensor. Para calcularlo de forma simple es conveniente suponer que estamos capturando imágenes que se encuentran en el infinito. En este caso, el sensor de imagen debe situarse en el plano focal, a una distancia F de la lente. En la figura 5.10 se muestra un diagrama en el que se relaciona la distancia focal, con el ángulo de visión y el tamaño del sensor. Los objetos de la escena que serán capturados se encuentran en el ángulo definido por los rayos que pasan por el centro de la lente y que inciden en los extremos del sensor. La relación entre el ángulo de visión (α), la distancia focal (F) y el tamaño del sensor (D) puede obtenerse usando relaciones trigonométricas:
= α ⇒ α= ⋅ F
D
F
D
tan( / 2 ) 2 arctan
Fig. 5.10 Cálculo del ángulo de visión
Evidentemente, como el sensor no es cuadrado, puede definirse un ángulo de visión en el sentido horizontal y otro en el sentido vertical. La dependencia del ángulo de visión con el tamaño del sensor es la razón por la que los objetivos usados en las cámaras de vídeo son mucho más pequeños que los objetivos utilizados en fotografía convencional. En efecto, en la ecuación 5.7 resulta evidente que si deseamos mantener el ángulo de visión constante la relación entre el tamaño del sensor y la distancia focal también debe mantenerse constante. Por lo tanto, un aumento del tamaño del sensor supone un aumento proporcional de la distancia focal del objetivo.
D, tamaño sensor
F, distancia focal
α
D, tamaño sensor
F, distancia focal
α
396 Sistemas audiovisuales I. Televisión analógica y digital
sobre las tomas: fecha, hora, diafragma, velocidad de obturación, tipo de encuadre y otros datos digitales. El envase del carrete también contiene información sobre la sensibilidad de la película y el número de exposiciones realizado, que se intercambian con la cámara. El usuario puede seleccionar el formato con el que se realiza la toma existiendo los modos normal, angular y panorámico en los que se modifica el tamaño o zona de la película en la que se realiza el registro de la imagen. El sistema APS dispone de una completa gama de productos adicionales para la presentación de imágenes en una pantalla de televisión, equipos para realizar escaneado de los negativos, etc. Se utiliza una película fotográfica de 24 mm de anchura que, en el modo de encuadre normal, tiene un tamaño efectivo de 16,7x30,2 mm. Este tamaño de sensor representa una superficie un 40 % menor que la de un fotograma en el formato de 35 mm. No obstante, los fabricantes aseguran que las copias tienen una calidad parecida en ambos formatos debido a las mejoras introducidas en las emulsiones sensibles.
Al modificar la relación de aspecto del sensor, la relación entre ángulos de visión y la sensación de perspectiva no se mantiene. Así, un objetivo de 42 mm para el formato APS cubre el mismo ángulo de visión horizontal que un objetivo de 50 mm en el formato de 35 mm. En efecto, utilizando el ángulo de visión horizontal que hemos obtenido en la ecuación 5.8, podemos calcular la nueva distancia focal mediante:
( )
42 mm 2 tan / 2
⋅ α
D
F (5.9)
No obstante, si utilizamos esta misma distancia focal para calcular, mediante la ecuación 5.7, el ángulo de visión vertical que obtenemos es de 22,48º, algo inferior al que se obtiene en el formato de 35 mm. Una alternativa que se utiliza con cierta frecuencia para obtener las distancias focales equivalentes en formatos que tienen relaciones de aspecto distintas consiste en igualar los ángulos de visión que se obtienen en la diagonal del sensor. Con ello, tal y como se representa en la figura 5.12, se modifican los dos campos de visión ajustándose a la relación de aspecto de modo que las imágenes tendrán una sensación de perspectiva parecida.
Fig. 5.12 Ángulos de visión equivalentes en imágenes con distinta relación de aspecto
En cámaras de vídeo el sensor tiene casi siempre una relación de aspecto de 4:3, o de 16:9 si se trata de cámaras que trabajan en el formato panorámico. El tamaño del sensor depende de la tecnología y de las prestaciones de la cámara. En cámaras domésticas suelen usarse sensores de 1/4 '' ó 1/3''. En cámaras profesionales pueden usarse sensores de mayor tamaño para mejorar la resolución (2/3''), aunque la tendencia es ir reduciendo el tamaño del sensor a medida que el avance tecnológico permite mejorar la resolución de los sensores de estado sólido. En la actualidad pueden encontrarse cámaras en
5 Cámaras 397
miniatura que incorporan sensores de 1/6''. La terminología que expresa el tamaño del sensor en pulgadas procede de las antiguas cámaras que usaban tubos de imagen y no tiene mucho que ver con las dimensiones físicas reales del área de imagen. El número de pulgadas indicaba el diámetro de todo el tubo de imagen, del que sólo la parte central se utilizaba para la lectura de la imagen. Las primeras CCD indicaban el tipo de tubo de imagen con el que eran compatibles. Así, una CCD de 2/3'' indicaba que tenía un área de imagen útil que podía sustituir a un tubo de imagen de 2/3'' sin necesidad de modificar el grupo óptico. Una CCD de 2/3'' tiene una zona de imagen útil de 11 mm de diagonal. En una CCD de 1/4 '' la zona de imagen útil tiene una diagonal de aproximadamente 4 mm. Las dimensiones reales de la zona de imagen suelen depender del fabricante, sobre todo en sensores de reducido tamaño, y del modelo de cámara en el que se incorporan, ya que algunos sistemas de tratamiento digital reducen la zona de imagen útil para poder aplicar algoritmos de estabilización del movimiento de cámara. De todos modos, resulta evidente que la reducción del tamaño del sensor en cámaras de vídeo es notable y por tanto, los objetivos requieren distancias focales mucho menores. Consideremos como ejemplo un sensor CCD de 1/4 '' que tiene un área de imagen de 2,1 mm x 2, mm. Este sensor requiere una óptica con una distancia focal de sólo 3,9 mm para obtener el mismo ángulo de visión horizontal que se obtiene con una óptica de 50 mm en fotografía de 35 mm. Esto indica que los grupos ópticos para cámaras de vídeo suelen ser menos aparatosos (menor distancia focal) que los utilizados en fotografía. La comparación resultaría aún más exagerada si hubiéramos considerado formatos de fotografía de estudio o de cine de 70 mm en los que el tamaño del sensor es todavía mayor.
5.3.5 Regulación de la cantidad de luz: diafragma y obturador
La cantidad de luz que incide sobre el sensor se controla mediante dos dispositivos que pueden actuar directamente sobre la cantidad de luz ( diafragma ) o sobre el tiempo de exposición del sensor ( obturador ). El diafragma está situado en el interior del grupo óptico, entre las lentes, y puede abrirse o cerrarse para dejar pasar más o menos luz por el objetivo. Su función es parecida a la del iris y la pupila en el sistema visual humano y actúa como regulador del margen dinámico en el que puede trabajar la cámara. En condiciones de elevada iluminación, el diafragma se cierra dejando pasar únicamente una fracción de la luz incidente, mientras que cuando la luz es insuficiente permanece abierto dejando que toda la luz que pasa por el objetivo incida sobre el sensor. El obturador controla el tiempo que el sensor es expuesto a la luz en cada fotograma (tiempo de exposición). También puede actuar como regulador del margen dinámico aumentando o disminuyendo este tiempo en función de las condiciones de luz. La acción conjunta de ambos elementos de control permite que pueda operarse en condiciones de luz muy dispares sin necesidad de modificar la sensibilidad del dispositivo de captura de imagen.
El diafragma (también denominado iris en cámaras de vídeo) y el obturador tienen efectos distintos sobre la imagen. El operador de cámara o fotógrafo deberá dar prioridad a uno u a otro en función de las características de la escena y los efectos de imagen que pretenda conseguir. Examinaremos con algún detalle estos efectos más adelante.
El diafragma tiene forma circular y está formado por un sistema de finas láminas metálicas superpuestas que pueden abrirse o cerrarse en función de la apertura deseada. En la figura 5.13 se muestran tres posibles posiciones de un diafragma. En cámaras de fotografía del tipo reflex suele estar
5 Cámaras 399
La apertura del diafragma se indica mediante la apertura numérica (N.A) o los números f. Estos se obtienen como el cociente entre el diámetro del diafragma y la distancia focal. Así:
D diafragma
F
número f = (5.10)
De este modo, un número f igual a 4 significa que el diámetro del diafragma es 4 veces menor que la distancia focal. Esta relación se indica de forma esquemática en la figura 5.15.
Fig. 5.15 Relación entre números f, apertura del diafragma y distancia focal
Los números f no pueden variarse de forma continua, sino mediante una secuencia discreta que toma los valores 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32; etc. El número más pequeño indica la apertura máxima de la lente y es variable en función de la calidad del objetivo. Pueden encontrarse objetivos que empiezan la secuencia en 1,8; 2,8; 4; etc., u otros con menor apertura que siguen la secuencia 3,5; 5,6; 8; etc. La relación entre un número f y el siguiente es de aproximadamente la raíz de 2. Esto significa que el diámetro del diafragma se reduce en un factor de 1,41 entre pasos sucesivos, lo que equivale a que la superficie de la apertura del diafragma se reduzca en un factor 2 (la apertura es circular por lo viene dada por π(D/2)^2 ). Según esta relación, la cantidad de luz que pasa a través del objetivo para dos pasos sucesivos del diafragma se reduce en la mitad. Esto puede parecer en principio exagerado, pero está de acuerdo con las características del sistema visual humano que observará estos cambios exponenciales como si fueran lineales. Algunas cámaras pueden modificar los pasos del diafragma en pasos de 1/3 cuando trabajan en modo automático. En modo manual, muchos fotógrafos dejan la anilla selectora entre dos pasos para ajustar la cantidad de luz de forma más precisa.
El coste de un objetivo está muy relacionado con su apertura máxima, sobre todo cuando la distancia focal es grande. La razón de este aumento de coste se debe a que para conseguir aperturas grandes debe aumentarse el diámetro de las lentes, resultando más costoso reducir las aberraciones que pueden aparecer en la periferia.
El obturador también realiza el control del tiempo de exposición en pasos discretos, que varían en factores de 2. Como en el caso del diafragma, esto significa que entre dos pasos consecutivos la cantidad de luz incidente en el sensor se reduce a la mitad. El efecto sobre la imagen es, no obstante,
F
4f
F
4f
400 Sistemas audiovisuales I. Televisión analógica y digital
lineal y gradual. Las velocidades de obturación se indican en fracciones de segundos o directamente en segundos, dependiendo de si el tiempo de exposición es inferior o superior al segundo. Así, una velocidad de 250 significa que el tiempo de exposición es de 1/250.
La secuencia de velocidades de obturación utilizada en cámaras de fotografía es: 8000, 4000, 2000, 1000, 500, 250, 125, 60, 30, 15, 8, 4, 2, 1'', 2'', 4'', 8'', ..., bulb. Las velocidades de 1/8000 o 1/ sólo se consiguen con las cámaras de fotografía más avanzadas. El modo bulb se utiliza para tiempos de exposición muy prolongados y consiste en mantener abierto el obturador durante todo el tiempo que se mantenga pulsado el disparador.
Resulta indiscutible que si el tiempo de exposición es muy prolongado y existen objetos móviles en la escena este movimiento quedará registrado en el sensor. La película fotográfica o el sensor CCD se comportan como un integrador de luz, de modo que registran todos los movimientos que ocurren en la escena durante el tiempo en que el obturador permanece abierto. Por lo tanto, es importante evaluar el movimiento de los objetos de la imagen si queremos tener la garantía que la toma será correcta. Para tiempos de exposición de 1/30 o mayores, empieza a apreciarse el propio movimiento de la mano y es aconsejable utilizar un trípode para mantener la cámara estacionaria. En la fotografía de escenas deportivas, donde existe un movimiento considerable resulta aconsejable aumentar en lo posible la velocidad del obturador. La pérdida de luz puede compensarse abriendo el diafragma.
Pueden realizarse exposiciones intencionadamente lentas para conseguir efectos artísticos. Entre los más conocidos destacan las fotografías de saltos de agua, que si se registran con velocidades lentas producen un efecto espumoso, mientras que si se capturan con velocidades altas podrán apreciarse con nitidez las gotas de agua. En la fotografía de pruebas de motociclismo o automovilismo pueden usarse velocidades deliberadamente lentas y seguir con la cámara el movimiento del objeto mientras se realiza la fotografía. El efecto es que el sujeto móvil aparece nítido, mientras el fondo registra el movimiento de la cámara, produciendo una agradable sensación de movimiento. Otros efectos típicos obtenidos con velocidades lentas son las fotografías de fuegos artificiales o las fotografías nocturnas de calles, donde quedan registradas las luces de los automóviles durante la circulación.
Las velocidades de 1/60 y 1/30 pueden utilizarse para capturar imágenes de un televisor en aquellos países que utilizan el sistema NTSC (frecuencia de campo de 60 Hz). Con estas velocidades el haz del receptor de televisión realizará uno o dos barridos completos de la pantalla, de modo que las imágenes resultantes quedarán registradas en la película. Es obvio que si la cámara no está sincronizada con el receptor, los dos barridos pueden corresponder a fotogramas distintos dentro de la secuencia de vídeo, observándose el posible desplazamiento entre los dos fotogramas. Si utilizamos una velocidad de obturación de 1/60 en el sistema de televisión PAL (con 50 Hz de frecuencia de campo), el haz no tendrá tiempo de explorar toda la pantalla, con lo que observaremos una parte de la pantalla del televisor en negro. Si se usa la velocidad de 1/30, el haz no habrá tenido tiempo de realizar dos barridos completos, por lo que la zona de la pantalla donde se han producido dos exploraciones aparecerá más brillante que la zona donde el haz sólo ha pasado una vez.
No obstante, es posible realizar fotografías de calidad de imágenes estáticas en la pantalla de un ordenador (p.ej. diapositivas de una presentación). Para ello deberemos seleccionar una velocidad de exposición lenta (alrededor de 1" o 1/2''), con lo que conseguiremos que el haz pase varias mientras se registra la imagen. Si la cámara permanece inmóvil durante la exposición, la imagen quedará nítida.
