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INTRODUCCIÓN AINTRODUCCIÓN AINTRODUCCIÓN AINTRODUCCIÓN A LA SEÑAL DE VÍDEOLA SEÑAL DE VÍDEOLA SEÑAL DE VÍDEOLA SEÑAL DE VÍDEO: EXPLORACIÓN DE LA: EXPLORACIÓN DE LA: EXPLORACIÓN DE LA: EXPLORACIÓN DE LA
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Desde el principio de los tiempos una de las obsesiones del ser humano ha sido plasmar aquello que podía observar a su alrededor. Para ello, ha utilizado los medios que en cada momento tenía a su alcance: desde pinturas sobre las paredes de las cuevas que habitaba, hasta la creación del lenguaje oral y escrito, pasando por la fotografía o la transmisión de imágenes con sonido a tiempo real a millones de receptores de forma simultánea. En cada momento, los nuevos sistemas han sido fruto del avance tecnológico de los métodos precedentes. De este modo, la emisión de televisión no es más que la evolución de la tecnología aplicada al envío de señales de audio. Aunque parece sencillo a simple vista, el proceso es complejo, por lo que es preciso detenerse a realizar un análisis pormenorizado. A la hora de transmitir una información de sonido no parece haber grandes problemas, ya que el sonido se produce en serie, es decir, se colocan los sonidos uno tras otro en el tiempo y el mensaje se produce porque nuestro cerebro los agrupa todos. Si se quieren emitir de manera electrónica, lo que se hace es enviar señales proporcionales al sonido que se produce en cada momento. Sin embargo, una imagen llega a nuestros ojos de forma instantánea. Como los sistemas de transmisión de radiofrecuencia no pueden enviar toda la información contenida en una imagen al mismo tiempo, se crea la necesidad de descomponer esta imagen en elementos básicos que, agrupados secuencialmente en un orden concreto, nos permitan recomponer en el receptor la señal original.
1. Exploración de la imagen
Pues bien, para descomponer la imagen, las cámaras de televisión aplican sistemas de exploración basados en barridos del campo de visión. Se trata de un método similar al que utilizamos para leer las páginas de un libro. Para empezar, se comienza dividiendo el cuadro en líneas horizontales, cada una de las cuales está formada por puntos de imagen. Estos puntos tienen tres parámetros básicos: LUMINOSIDAD: indica el brillo del punto. MATIZ: representa el color de cada punto. SATURACIÓN: define la cantidad de color del punto. El barrido de la pantalla se realiza empezando por la línea superior y de izquierda a derecha. Una vez finalizada esta operación, se continúa con la línea inmediatamente inferior y así hasta que se finaliza la última línea. Entonces tendremos la información completa que conforma la imagen.
Introducción a la señal de vídeo: la exploración de la imagen 1 Características de la señal de vídeo 4 Resolución 7 Instrumentos de medida: MFO y vectorscopio 8 Tipos de señales de vídeo 11 La estructura de la imagen en el mundo digital 13 Conversión A/D y decodificación D/A 13 Digitalización de la señal de vídeo 15 Normas en el dominio digital 17 Flujos binarios en las normas de producción 19 Aplicación de las normas en los sistemas de grabación de vídeo 21
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Para sincronizar luego la reproducción, al inicio de cada una de las líneas se inserta un IMPULSO DE SINCRONISMO, que permitirá al receptor de televisión separar los datos contenidos en cada línea de los datos de las demás. Estos impulsos de sincronismo horizontal harán posible la correcta ubicación de los datos en el eje horizontal, ya que cada uno de ellos marca el inicio de una nueva línea. Con el fin de completar la ubicación de cada dato en su lugar, se deberá articular también un sistema que indique en qué momento se inicia la exploración de cada imagen y que nos permita diferenciar las líneas de un cuadro de las del siguiente. Por eso se introduce, en la transición entre imágenes, un sincronismo vertical , que servirá a los receptores para determinar el momento exacto del inicio de una nueva exploración completa. Si bien la descomposición de la imagen se realiza de forma similar en los distintos sistemas de televisión, cada uno de ellos presenta diferencias en el tratamiento posterior de las señales obtenidas, de forma que se convierten en incompatibles. Más adelante abordaremos esas diferencias.
Una vez que la imagen es descompuesta y tratada, se pueden enviar de forma secuencial y rápida de modo que, al reproducirse, se obtiene la sensación de movimiento. En el sistema PAL, que se usa en España, las cámaras exploran 25 imágenes por segundo, es decir, que se invierten 40 milésimas de segundo en cada una de ellas. Por lo tanto, los receptores de televisión deben trabajar a la misma velocidad para representar los datos que les llegan. De esta forma, en el receptor nunca aparece la imagen completa. Para crear la sensación de imagen completa, intervienen dos factores:
- La remanencia de la capa fosforescente que cubre el interior de la pantalla que aumenta ligeramente el tiempo que cada punto aparece iluminado
- La persistencia de la retina humana , que hace que los datos permanezcan grabados en ella el tiempo necesario para que el cerebro crea que se trata de una imagen completa.
A. EXPLORACIÓN ENTRELAZADA Pese a esto, si se trasladasen 25 imágenes por segundo directamente, nuestro ojo percibiría parpadeos debido a la cercanía de la velocidad de exploración con el límite de la persistencia retiniana. Para evitar esta molesta sensación, se recurre a dividir la imagen completa en dos áreas o campos: uno de ellos se correspondería con las líneas pares y el otro con las impares. Las cámaras realizarán un primer barrido de las líneas impares y las emitirán para que el receptor las visualice y, a continuación, barrerán las pares, con lo que imagen quedará completada. De esta manera, se representarían 50 semi- imágenes por segundo y se conseguiría mayor estabilidad visual. Este sistema recibe el nombre de exploración entrelazada, cada imagen completa se llama cuadro y las semi-imágenes, reciben el nombre de campos. Como se emiten 25 cuadros por segundo (25 Hz), cada uno de ellos tendrá un periodo de 40 milisegundos, mientras que la frecuencia de campo será de 50 Hz, lo que equivale a un periodo de 20 milisegundos.
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Por el contrario, el la exploración entrelazada, al explorar primero las líneas pares y luego las impares, al sumar los dos campos se produce un error temporal y la información que contienen está desplazada en el tiempo. La experiencia evidencia que las imágenes en exploración progresiva ofrecen una calidad de imagen muy superior a las imágenes entrelazadas. ¿Qué sucede si un aparato que tiene exploración progresiva, recibe una señal entrelazada? Los aparatos, entonces, tienen que hacer un proceso de desentrelazado. Consiste en convertir la exploración entrelazada en progresiva de manera artificial. Existen dos técnicas dentro del ámbito doméstico: a. La primera consiste en repetir dos veces cada campo pero continuando con la exploración entrelazada, por tanto, en un sistema como el PAL donde se reproducen 50 campos por segundo, llegaríamos a obtener 100 campos por segundo. Es lo que se denomina utilizar una frecuencia de refresco de 100 Hz. b. La segunda técnica consiste en almacenar la imagen entera para representarla posteriormente sin efectuar exploración entrelazada, es decir, almacenamos los dos cuadros entrelazados y los juntamos para representarlos dos veces, por tanto, obtenemos 50 imágenes por segundo. Se apoya en convertir la exploración entrelazada en progresiva a través de una visualización a 50Hz. Esta técnica es la que ofrece mejor calidad, pero tiene el inconveniente de que los convertidores efectivos tienen un precio muy elevado. Como es lógico, en los televisores de exploración progresiva (LCD, plasma...), se utilizan conversores económicos, con el fin de no encarecer el producto final. En consecuencia, no resulta nada extraño que los visualizadores presenten las imágenes informáticas con una calidad asombrosa, mientras que la calidad se reduce considerablemente con las imágenes de video. Un buen conversor tiene un precio elevado. El desentrelazado no es un proceso limpio, como se puede comprobar. El resultado final depende del algoritmo empleado en el proceso. En cualquier caso, el resultado es que aparecen artefactos inevitables.
LALALALA SEÑAL DE VÍDEO: CARACTERÍSTICASSEÑAL DE VÍDEO: CARACTERÍSTICASSEÑAL DE VÍDEO: CARACTERÍSTICASSEÑAL DE VÍDEO: CARACTERÍSTICAS
Las cámaras de televisión actuales descomponen la imagen como lo hace el ojo humano, es decir, separan cada elemento de imagen en sus tres componentes fundamentales: tono, brillo y saturación. Además, de cada punto extraen las componentes de cada uno de los tres colores primarios: Rojo, Azul y Verde.
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Ahora bien, estos tres componentes básicos (tono, brillo y saturación) no pueden transmitirse directamente ya que los actuales sistemas de televisión en color son una evolución de los antiguos estándares de blanco y negro. Esto obliga a que la señal cumpla dos condiciones:
Compatibilidad: la señal radiada deberá respetar la estructura de las señales en blanco y negro para que los antiguos receptores puedan seguir representando la componente lumínica de las escenas captadas por cámaras de color. Retrocompatibilidad: los sistemas de televisión en color deben permitir reproducir imágenes emitidas en blanco y negro. Según estas premisas, se estableció que la señal emitida por un sistema de televisión en color debería estar formada por dos partes fundamentales:
Luminancia: contiene las señales de luminosidad de las imágenes así como los impulsos de sincronismo vertical y horizontal. Crominancia: es una señal añadida a la anterior y que contiene la información de color de cada punto de la escena. Sólo pueden interpretarla los televisores de color. La señal que contiene las informaciones de luminancia y crominancia recibe el nombre de señal de vídeo compuesto. Debido a su complejidad, estudiaremos, en un primer momento, las componentes por separado.
1. El cuadro y el campo
La primera división que se establece en la señal es, como ya hemos comentado, en cuadros. Cada cuadro contiene dos campos, que tienen la siguiente estructura:
1. Impulsos de sincronización vertical : son una serie de cinco impulsos iguales de 32 μs cada uno cuya finalidad es indicar el momento en el que comienza un campo (2 líneas y media) 2. Impulsos postecualizadores : también son cinco impulsos y duran lo mismo que los de sincronismo vertical. Además, se colocan a continuación de ellos porque ejercen una función auxiliar de los primeros (2 líneas y media) 3. Líneas sin información de vídeo : Como en las primeras cinco líneas se generan los impulsos de sincronización y postecualizadores, la primera línea real es la sexta en el primer campo y la 318 del segundo campo. Desde la 6 y hasta la línea 22 (318 a 335) hay 17 líneas sin información de vídeo. Estas líneas “vacías” se utilizaban en los antiguos receptores de televisión para dar tiempo a los sistemas a volver al comienzo del campo desde el extremo inferior de la pantalla. 4. Líneas con información de vídeo : La información de vídeo aparece en la segunda mitad de la línea 23 y llegará hasta la línea 310 para formar el primer campo. Cada una de estas líneas tiene una duración de 64 μs. En el segundo campo, la información de vídeo comienza al principio de la línea 336 y termina en la mitad de la 623. 5. Impulsos preecualizadores : Se sitúan al finalizar el campo, entre las líneas 311 y 313 del primer campo y 623 y 625 del segundo. Su función es preparar a los receptores para recibir los impulsos verticales del siguiente campo.
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2. La línea de vídeo
Además de lo visto con respecto a la información de campo de imagen, cada línea de imagen o de información de vídeo contiene los impulsos de sincronización horizontal (4,7 μs), que indican la transición entre dos líneas de televisión para realizar un nuevo barrido horizontal. Antes, lleva un pórtico anterior (1,5 μs) y después un pórtico posterior (5,8 μs), ambos con un nivel de tensión eléctrica de 0 voltios. Este nivel se debe a que se busca que cuando se inicie la siguiente línea, se haga teniendo como referencia un nivel de tensión neutro. Al conjunto formado por los impulsos horizontales, el pórtico anterior y el posterior se le llama período de borrado de línea , tiempo en el que el televisor retorna desde el extremo derecho de la pantalla hasta el lado izquierdo. Durante este tiempo (12 μs), el haz de electrones del tubo de imagen debe quedar bloqueado.
Por lo tanto la información de vídeo de una línea se transmite en 52 μs (64 μs -12 μs =52 μs).
Simultáneamente a todo este proceso, es necesario incluir en cada línea un sincronismo de color que sirva al receptor de televisión para reconstruir los colores. Suele recibir varios nombres: ráfaga, salva de color o burst y consiste en un grupo de impulsos que se alojan en el pórtico posterior de cada línea.
RESOLUCIÓNRESOLUCIÓNRESOLUCIÓNRESOLUCIÓN
Como sabemos, en el receptor de televisión del sistema PAL sólo 576 de las 625 líneas son visibles. Esto sería la resolución vertical teórica, que es la capacidad de un equipo para captar, registrar o reproducir la definición de las líneas horizontales. Sin embargo, en los televisores de tubo, la resolución efectiva es algo inferior a la teórica debido a que el grosor del haz de electrones es algo mayor que el espacio que separa dos líneas consecutivas. Por eso, para calcular la resolución vertical efectiva, en este caso, se debe multiplicar el número de líneas teóricas por un factor de corrección, llamado Factor de Kell, que depende de muchos elementos, pero que en la práctica se ha normalizado a 0,75 según apunta Emilio Pareja en Tecnología actual de televisión :
Entonces: 0,75 x 575 = 430 líneas
RESOLUCIÓN VERTICAL = Nº LÍNEAS X FACTOR DE KELL
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Por su parte, la resolución horizontal define la capacidad de conseguir detalle en dos líneas verticales sucesivas, una blanca y otra negra, de forma que se distingan. En definitiva, vendría a ser el número de puntos distintos que pueden representarse en cada línea. Tanto los dispositivos de captación como los de reproducción tienen diversos grados de resolución.
INSTRUMENTOS DE MEDIDAINSTRUMENTOS DE MEDIDAINSTRUMENTOS DE MEDIDAINSTRUMENTOS DE MEDIDA::: MONITOR EN FORMA DE ONDA:MONITOR EN FORMA DE ONDAMONITOR EN FORMA DE ONDA YMONITOR EN FORMA DE ONDAYYY
VECTORSCOPIOVECTORSCOPIOVECTORSCOPIOVECTORSCOPIO
Como hemos estado viendo hasta ahora, la señal de vídeo compuesto tiene dos tipos de información: Información de brillo: luminancia Información de color: crominancia Pues bien, para poder medir esas dos señales, disponemos de equipos que nos darán información precisa y adecuada para obtener imágenes de calidad tanto a nivel de luz como de color.
1. Monitor en forma de onda
El monitor en forma de onda se considera un instrumento específico para visualizar y medir la luminancia de las señales de vídeo. Las representa gráficamente de manera que el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones (voltaje).
- La amplitud de la señal se sitúa en el eje vertical expresada en voltios o en unidades IRE. Éstas se mueven entre 100 (0,7 voltios) y –40 (-0,3 voltios). En la línea de base está situado el nivel cero.
- En el eje horizontal se sitúa el tiempo, expresado en microsegundos.
- En la línea de base se encuentran las partes oscuras de la señal, por eso se llama nivel de negros o PEDESTAL.
- Por encima del pedestal están los distintos niveles de la imagen, que sólo pueden llegar a 0,7 voltios o 100 unidades IRE, donde se encuentra el PICO DE BLANCOS.
- Se visualiza el muestreo de una línea, el borrado horizontal y el muestreo de otra línea nueva. Justo en el borrado horizontal se encuentran los impulsos de sincronismo horizontal, que divide el borrado en dos partes: el pórtico anterior y el pórtico posterior.
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Nos permite realizar una serie de mediciones, como el nivel y fase de la señal de BURST o salva de color (135° y 225°) o la amplitud de la crominancia, ya que si los vectores no llegan a las cajas de referencia es un indicador de que la señal es débil.
3. La señal de barras de barras de color EBU
La mira o carta de barras de color es una señal de vídeo que se utiliza en la producción de televisión para comprobar el estado de los sistemas de producción, que generan, tratan y transmiten, la señal de televisión. Si se colocan unas barras verticales formadas por colores saturados en el orden natural del espectro solar (en orden del arco iris) y la captamos mediante una cámara de vídeo de color obtenemos por cada canal de la cámara una señal concreta que una vez codificada en el sistema de color (PAL, NTSC o SECAM) correspondiente nos da la señal de barras de color. La Unión Europea de Radiodifusión (UER) desarrolló una carta de color ordenando las barras de la mira rainbow según el nivel de luminancia en orden decreciente. Se obtiene de esta forma una carta que es muy fácil de identificar, con una escalera de grises, que comenzando en el blanco finaliza en el negro, ambos colores sin información de crominancia. Estas barras son las utilizadas en PAL.
Niveles mira EBU (señales V y U sin reducir) Color Luminancia Y R-Y B-Y S Y+S Y-S Blanco 1 0 0 0 1 1 Amarillo 0,89 0,11 - 0,89 0,9 1,79 - 0, Cian 0,70 - 0,70 0,30 0,76 1,46 - 1, Verde 0,59 - 0,59 - 0,59 0,83 1,41 - 0, Púrpura 0,41 0,59 0,59 0,83 1,24 - 0, Rojo 0,33 0,70 - 0,30 0,76 1,06 - 0, Azul 0,11 - 0,11 0,89 0,90 1,01 - 0, Negro 0 0 0 0 0 0
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Los valores indicados en la tabla son para el caso en que la crominancia esté al 100% de saturación al igual que la luminancia. Esto es que las señales RGB (rojo verde y azul) generadas son a "1". Estos valores causarían interferencias en los sistemas de transmisión. A excepción de los colores puros, en una imagen real rara vez los colores superan la saturación del 75%. Por este motivo, se recurre al uso de las barras de color con la saturación reducida al 75%, excepto en la barra blanca. Estas barras son muy intuitivas al tener las características, en su representación en el monitor forma de onda, de que el borde superior correspondiente a las barras amarilla y cian queda al mismo nivel que el borde superior de la barra blanca, justo al nivel de la máxima luminancia. Por su parte, el borde inferior de la barra verde se apoya en el nivel de negros de la señal de vídeo, mientras que los límites inferiores de las barras de los colores azul y rojo se encuentran situados al mismo nivel.
Otro tipo de barras de color que se utilizan, principalmente en el sistema NTSC y en la señal de vídeo 16:9, son la barras SMPTE ( Society of Motion Picture and Television Engineers asociación de ingenieros de imagen en movimiento y televisión) que referencia su carta de barras como Engineering Guideline EG 1- 1990. Como las barras UER es el estándar utilizado en el sistema NTSC para realizar las verificaciones de los sistemas de generación, tratamiento y transmisión de la señal de vídeo.
TIPOS DE SEÑALES DE VÍDEOTIPOS DE SEÑALES DE VÍDEOTIPOS DE SEÑALES DE VÍDEOTIPOS DE SEÑALES DE VÍDEO
Como hemos señalado hasta el momento, de vídeo tiene dos tipos de informaciones: crominancia y luminancia (Y). La señal de crominancia, por su parte, tiene tres componentes (R,G,B). Las posibles combinaciones de ambas señales, dan lugar a tres tipos de señal de vídeo:
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ESTRUCTURA DE LA IMAESTRUCTURA DE LA IMAESTRUCTURA DE LA IMAESTRUCTURA DE LA IMAGEN EN EL MUNDO DIGIGEN EN EL MUNDO DIGIGEN EN EL MUNDO DIGITALGEN EN EL MUNDO DIGITALTALTAL
Llegado el mundo digital nos preguntamos sobre la conveniencia o no de cambiar algunos de los parámetros tradicionales de la TV. Por ejemplo, el entrelazado, la estructura de líneas y campos, el número de imágenes por segundo y otros hasta ahora escritos en “letras de piedra” en los anales de la televisión. El objetivo de llegar a una estructura única mundial de líneas y campos se desvaneció en la década de los 80, no por falta de voluntad de sus promotores, sino por la enorme incidencia que tiene este problema. No hay que olvidar que existe una industria electrónica bien asentada en el mundo alrededor de la frecuencia de 50 Hz y 60 Hz cuyos orígenes se remonta a la correlación primitiva entre la frecuencia de la red eléctrica y la de campos de la televisión. A día de hoy se considera inviable esta unificación y por tanto las Normas digitales se asientan sobre estas dos estructuras, tal cual ocurrió con la televisión analógica. Existe, sin embargo, un interés muy especial en el mundo de los Organismos Internacionales por crear normas de carácter universal para la Producción Audiovisual que presenten la mayor parte de parámetros comunes y difieran solo en la inevitable estructura de líneas y campos. Este concepto se denomina "comunalidad". Entre las normas comunales se encuentran la CCIR-601, la CCIR 656 de interconexión entre equipos digitales de producción, el interfaz AES/EBU de audio y otras necesarias para afrontar cualquier co-producción internacional. En la difusión audiovisual la diversidad de líneas y campos condujo también a diferentes anchos de banda de los canales asignados a la televisión, lo que ha obligado a adoptar métodos de modulación digital también distintos en video y en audio. Pero también en la difusión digital se resuelve bien la transferencia entre codificaciones sin degradaciones apreciables, lo que garantiza el intercambio mundial de productos audiovisuales por soporte o por vehículos de comunicación intercontinental.
CONVERSIÓN A/D Y DECODIFICACIÓN D/ACONVERSIÓN A/D Y DECODIFICACIÓN D/ACONVERSIÓN A/D Y DECODIFICACIÓN D/ACONVERSIÓN A/D Y DECODIFICACIÓN D/A
Una señal analógica es continua en el tiempo e infinitamente variable en tensión, mientras que una señal digital es discreta en el tiempo y su tensión varía por pasos. La conversión de la señal analógica en digital requiere varias etapas:
1. Filtrado
En primer lugar, la señal analógica pasa por un FILTRO BAJO PASO, que sirve para acotar el ancho de banda de la señal ya que no se puede digitalizar una señal con un ancho de banda infinito, porque si sobrepasa unos límites, produce ruido.
2. Muestreo
En segundo lugar, se realiza el MUESTREO DE LA SEÑAL. El término muestreo equivale al término inglés sampling, que se utiliza para denominar al proceso de tomar muestras de la señal a intervalos de tiempo regulares, es decir, que la digitalización consiste en medir el nivel de la señal (amplitud de la onda) en un instante breve muchas veces por segundo y almacenar una secuencia de dígitos binarios para cada una de las muestras que se han tomado. Los dos conceptos básicos que debemos tener en cuenta sobre el muestreo son:
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Tasa de muestreo: es el número de muestras que se realizan en un período de tiempo determinado. Profundidad o resolución de la muestra: el número de bits que son necesarios para almacenar la medición obtenida (8 bits, 10 bits, 16 bits...) Si en el proceso de muestreo de la señal no cumplimos en principio de Nyquist^1 , nos encontraremos con un problema conocido con el nombre de alissing. Se produce siempre por una frecuencia de muestreo insuficiente y supone la aparición de bajas frecuencias fantasma que se suman a la señal.
3. Cuantificación
A continuación, se realiza la CUANTIFICACIÓN de la señal para almacenarla en el código binario. Su misión es aproximar los valores tomados en el muestreo a unos prefijados de antemano. Lo que hace es dividir el eje de amplitud en una serie de valores finitos y le asigna a cada muestra un valor, dependiendo de la amplitud medida en el instante de muestreo. El número de valores enteros distintos que una determinada muestra puede tomar depende de la profundidad de muestreo, es decir, del número de bits, y está dado por la expresión:
N = niveles distintos que puede tomar una muestra b = número de bits de resolución o profundidad Por ejemplo, con una resolución de 8 bits, la medición realizada puede tomar un valor de entre 2^8 = 256. Si la resolución es de 16 bits, el número de valores distintos es mayor, porque es igual a 2^16 = 65.536. Al emplear valores enteros para la función digitalizada podemos encontrarnos con la posibilidad de que esos valores no se correspondan exactamente con todos los valores posibles de la señal analógica. Este fenómeno es el que produce el “error de cuantificación”. Una forma simple de describir el error de cuantificación es en función de la resolución o profundidad de la muestra: La relación señal–ruido de cuantificación para un sistema de 16 bit es, entonces, 6x16= 96 dB. Cada bit de resolución adicional agrega 6 dB a la relación.
4. Codificación
El conversor tiene un CODIFICADOR que, luego, convierte esos niveles en un código digital de unos y ceros. Y esa tarea la realiza el códec, que es el código específico que se utiliza para la codificación/decodificación de los datos. Precisamente, la palabra Códec es una abreviatura de Codificador-Decodificador. La mayor parte de códecs provoca pérdidas de información para conseguir un tamaño lo más pequeño posible del archivo destino. Hay también codecs sin pérdidas (lossless), pero en la mayor parte de aplicaciones prácticas, para un aumento casi imperceptible de la calidad no merece la pena un aumento considerable del tamaño de los datos. La excepción es si los datos sufrirán otros tratamientos en el futuro. En este caso, una codificación repetida con pérdidas a la larga dañaría demasiado la calidad. Muchos archivos multimedia contienen tanto datos de audio como de vídeo, y a menudo alguna referencia que permite la sincronización del audio y el vídeo. Cada uno de estos tres flujos de datos puede ser manejado con programas, procesos, o hardware diferentes; pero para que estos elementos sean útiles para almacenarlos o transmitirlos, deben ser encapsulados juntos. Esta función la realiza un formato de archivo de vídeo (llamado contenedor^2 ), como .mpg, .avi, .mov, .mp4, .rm, .ogg, .mkv o .tta.
N = 2b
Relación señal-ruido (dB) = 20 log 2b^ = 20 b log 2 = 6b
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3. El proceso de digitalización
Al plantear la digitalización de la imagen, deberemos tener en cuenta algunos factores:
Cuantas más muestras se tomen, mayor será la calidad de la imagen pero también la cantidad de información que se debe transmitir. Si queremos ahorrar espacio, podemos tomar menos muestras en la señal de color que en la luminancia, ya que el ojo humano tiene mayor resolución para el brillo que para el color. En la información de televisión se incorporan muchas señales de sincronización que no aportan información y, por lo tanto, no deben ser digitalizadas. Según el Teorema de Nyquist , la frecuencia de muestreo en la digitalización debe ser mayor del doble de la frecuencia más alta de la señal que se va a digitalizar.
Así las cosas, al tener que digitalizar solo las partes de la señal de vídeo que contienen información de vídeo aparece el concepto de Línea Activa Digital (LAD). En los sistemas de 625 líneas, la línea analógica tiene un período activo de 52 μs, que es donde se encuentra la información de imagen. Como al digitalizarla tomamos un margen de seguridad a ambos lados, el período de línea activa digital es de 53,55μs, durante el cual se toman 720 muestras para la señal de luminancia y la mitad para la de crominancia. La digitalización no se realiza sobre la señal de vídeo compuesto, sino que se aplica sobre la señal en componentes para mejorar la calidad de la señal que se procesa. Respecto a las frecuencias de muestreo , se establece una de 13,5 MHz para la señal de luminancia. Cumplimos, así, el Teorema de Nyquist, porque la frecuencia máxima de la señal de luminancia es 5,5MHz (luego la frecuencia de muestreo debe ser mayor de 11 MHz). Para la de crominacia se usa la mitad de frecuencia, es decir, 6,75 MHz. Esto significa que por cada muestra de las señales R-Y y B-Y (llamadas en el ámbito digital CR y CB) se obtendrán dos de luminancia, todas ellas de 8 bits. Para definir el sistema de codificación utilizado se emplea un sistema abreviado, que consiste en definir con un número la frecuencia de muestreo de la luminancia, seguido de dos números correspondientes a la frecuencia de muestreo de la diferencia de color. Para obtener estos números se dividen las correspondientes frecuencias entre una de referencia de 3,375. Así, cuando estamos ante una codificación 4:2:2 es que utilizamos para la frecuencia de luminancia
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cuatro veces la frecuencia de referencia, mientras que para las componentes de color utilizamos dos veces dicha frecuencia. Este sistema es el que usan los formatos de grabación D1, Betacam Digital y D9. También hay sistema 4:1:1, que es el empleado por el formato DVCPRO. Por último, está el sistema 4:2:0, que significa que en una línea se envía la señal de crominancia CR y en la siguiente la CB. Es propio del formato DVCAM.
NORMAS EN EL DOMINIO DIGITALNORMAS EN EL DOMINIO DIGITAL NORMAS EN EL DOMINIO DIGITALNORMAS EN EL DOMINIO DIGITAL
Como acabamos de ver, existen varios sistemas de codificación, que se rigen por una serie de normas, que establecen los criterios de calidad de la señal digitalizada. Son las normas CCIR y, en digital, son las siguientes: NORMA CCIR 601 4:2: NORMA CCIR 601 4:1: NORMA CCIR 601 4:2: NORMA CCIR 601 4:4:
1. Norma CCIR 601 4:2:
Esta norma es la que se debe utilizar para la producción de calidad en estudio (Calidad Broadcast). Este tratamiento, en el que hay el doble de información de luminancia que de color, no supone una reducción de la calidad de color de la imagen porque responde al principio de la visión humana que establece que nuestro ojo tiene el doble de resolución en las variaciones de brillo que en las de color. Por acuerdo internacional, una “unidad” de la Norma significa 180 píxeles. Por lo tanto, 4:2:2 significa que hay 720 píxeles con luminancia (4x180), 360 píxeles con componente R-Y (2x180) y otros 360 con componente B-Y (2x180). La consecuencia es que tenemos el doble de resolución horizontal de luminancia que de crominancia, mientras que la resolución vertical es igual en ambas señales.
- La línea completa en el sistema PAL tiene una duración de 64 μs. Si la frecuencia de muestreo es 13,5 MHz, sale que, en una línea, se toman 858 muestras de luminancia y la mitad (429) de crominancia. En el sistema NTSC una línea completa dura 63,3 μs, por lo que salen 864 y 432 muestras respectivamente.
PARÁMETROS SISTEMA PAL SISTEMA NTSC
Señales codificadas
Y
R-Y
B-Y
Número de muestras por línea completa^1 Luminancia Crominancia
Número de muestras por línea activa digital^2 Luminancia Crominancia
Frecuencia de muestreo Luminancia Crominancia
13,5 Mhz 6,75 Mhz
Estructura de muestreo^3 ORTOGONAL: Las muestras se alinean formando parrillas de filasy columnas.
Profundidad o resolución de la muestra^4 10 bits por muestra8 bits por muestra
UT 7UT 7UT 7UT 7: LA SEÑAL DE: LA SEÑAL DE: LA SEÑAL DE: LA SEÑAL DE VÍDEOVÍDEOVÍDEOVÍDEO CURSO 2010CURSO 2010CURSO 2010CURSO 2010----2011 201120112011
Esta norma proporciona el máximo de información de crominancia ya que en cada píxel tenemos toda la información tanto de brillo como de color.
3. Normas 4:1:1 y 4:2:
Son las normas que emplean los equipos llamados de “periodismo electrónico” (ENG) debido a que su calidad es inferior a la norma 4:2:2. En la norma 4:1:1 se toman cuatro muestras de luminancia por tan sólo una de cada una de las señales diferencia de color. Esto significa que hay 720 muestras de brillo, 180 de la señal R-Y y otras 180 de la señal B-Y. En la norma 4:2:0 se toman 4 muestras de luminancia y dos de la señal B-Y en una línea. En la línea siguiente, se vuelven a tomar 4 de luminancia y otras dos de color, pero, en este caso, de la señal R-Y.
FLUJOS BINARIOS DE LAS NORMAS DE PRODUCCIÓNFLUJOS BINARIOS DE LAS NORMAS DE PRODUCCIÓNFLUJOS BINARIOS DE LAS NORMAS DE PRODUCCIÓNFLUJOS BINARIOS DE LAS NORMAS DE PRODUCCIÓN
Al codificar la señal, se genera un flujo binario, que es el número de bits que circulan (se procesan, transmiten o se graban) por unidad de tiempo (segundos). En informática y telecomunicación, se emplea el término tasa de bits (en inglés bit rate) define el número de bits que se transmiten por unidad de tiempo a través de un sistema de transmisión digital o entre dos dispositivos digitales. Así pues, es la velocidad de transferencia de datos. La unidad con que el Sistema Internacional de Unidades expresa el bit rate es el bit por segundo (bit/s, b/s, bps). La b debe escribirse siempre en minúscula, para impedir la confusión con byte por segundo (B/s). Para convertir de bytes/s a bits/s, basta simplemente multiplicar por 8 y viceversa. Que la unidad utilizada sea el bit/s, no implica que no puedan utilizarse múltiplos del mismo:
- kbit/s o kbps (kb/s, kilobit/s o mil bits por segundo)
- Mbit/s o Mbps(Mb/s, Megabit/s o un millón de bits por segundo)
UT 7UT 7UT 7UT 7: LA SEÑAL DE: LA SEÑAL DE: LA SEÑAL DE: LA SEÑAL DE VÍDEOVÍDEOVÍDEOVÍDEO CURSO 2010CURSO 2010CURSO 2010CURSO 2010----2011 201120112011
- Gbit/s o Gbps (Gb/s, Gigabit, mil millones de bits)
- Byte/s (B/s u 8 bits por segundo)
- Kilobyte/s (kB/s, mil bytes u ocho mil bits por segundo)
- Megabyte/s (MB/s, un millón de bytes u 8 millones de bit por segundo)
- Gigabyte/s (GB/s, mil millones de bytes u 8 mil millones de bits)
A la hora de hablar de bit rate en vídeo y audio, es importante tener en cuenta que la velocidad de transferencia de datos puede ser constante o variable:
- Tasa de bits constante (CBR-Constant bit rate): Aplica una cuantificación uniforme, por lo que no tiene en cuenta si en la señal hay zonas con mayor o menor densidad de información, sino que cuantifica toda la señal por igual.
- Tasa de bits variable (VBR-Variable bitrate): Aplica una cuantificación no uniforme que sí que hace diferenciación entre las zonas con mayor o menor densidad de información, por lo que la cuantificación resulta más eficaz. Este método de compresión consigue una mayor calidad de sonido o video para un tamaño de archivo determinado, en contraste con CBR. Por ejemplo, si en una canción hay un fragmento en el que hay silencio, de poco sirve otorgar una cantidad grande de bits; lo que se estaría haciendo es aumentar innecesariamente el tamaño del archivo final. Por otra parte, en fragmentos de una canción donde la complejidad del sonido sea elevada, se otorga una tasa de bits mayor, porque de lo contrario puede que la tasa de bits no llegue a ser suficiente para que se produzca una audición correcta. Si los archivos son codificados en VBR, el codificador asigna densidades de bits (tasa de bits) que varían según la complejidad de la onda de audio a lo largo del archivo. Para las partes con pocos instrumentos o sin sonido alguno asigna densidades de bits menores, y para las partes con muchos tipos de sonidos asigna densidades mayores. Por ende, para un mismo criterio de compresión en VBR, dos archivos de igual duración pueden resultar ser de tamaños muy dispares, ya que la compresión en ambos difiere. Lo mismo se puede aplicar a los vídeos. Hay escenas en las que la cámara está fija, hay poca luz y poco movimiento. Y hay otras escenas donde la cámara se mueve, hay disparos, explosiones, etc. Lo que haría el VBR en este caso es ahorrar tasa de bits de la escena lenta para aplicarlo después a la escena rápida y conseguir así que esta última se vea lo mejor posible. Así pues, y resumiendo, lo que hace el VBR es otorgar la tasa de bits necesaria a cada parte del fichero, ya sea de audio o de vídeo, consiguiendo una calidad mayor en ficheros de un tamaño reducido.
En la digitalización de vídeo, el bit rate se calcula sumando la frecuencia de muestreo de la luminancia y de las dos señales diferencia de color y multiplicando el resultado por el número de bits que se utiliza en la codificación de cada muestra. Veamos los flujos de las distintas normas:
1. Norma CCIR 601 4:2:
Una línea ocupa: 720 muestras de Y + 360 de CB + 360 de CR = 1.440 muestras. Una imagen ocupa 1.440 muestras x 576 líneas = 829.440 muestras Un segundo ocupa 829.440 muestras x 25 imágenes = 20.736.000 muestras. En la norma básica una muestra se codifica con un byte (8 bits), por tanto: Un segundo ocupa 20.736.000 x 8 bits = 165.888.000 bits, o aproximadamente 166 Mbits/s. En la actualidad la tendencia es a utilizar 10 bits por muestra, lo que mejora las capacidades de posproducción. En
