UNIDAD 1: CAPTACIÓN ELECTRÓNICA DE LA IMAGEN parte 1. La cadena de cámara 1.Bloque óptico: lentes de enfoque, encuadre y foco trasero. El objetivo zoom. 2.Filtros de cámara. 3.Divisores ópticos se separación cromática. Espejos y prismas dicroicos. 4.Captadores de imagen. Tubos y CCDs. 5.Circuitos de procesado. 6.Sistemas de grabación. 7.Unidad de control de cámara. CCU. 8.Visor y sistemas de comunicación. LA CADENA DE CÁMARA La cámara de vídeo constituye nuestra principal herramienta. Como herramienta básica de la producción, muchas decisiones técnicas y procedimientos empleados en la producción de televisión dependen de las posibilidades o limitaciones de la cámara de vídeo. La televisión es esencialmente un proceso electrónico capaz de convertir la imagen óptica en señales eléctricas. La TV trabaja descomponiendo la imagen en movimiento en una serie de imágenes estáticas que se suceden con una cadencia determinada. A diferencia del cine, donde un fotograma recoge todo el contenido de la imagen que retrata, la televisión afronta sólo una pequeña parte de esa información. Así, la cámara de vídeo debe dividir la imagen en una serie de pequeños elementos. El proceso es similar a leer una página letra a letra y línea a línea. Una vez que la imagen ha sido descompuesta en el mosaico electrónico, ésta es procesada y enviada al receptor de televisión, que decodifica y regenera las señales para recrear la imagen original. Llamamos cadena de cámara a la sucesión de elementos y acciones que hacen posible la captura, tratamiento y grabación de las imágenes en vídeo y sigue el siguiente esquema: óptica (objetivo, iris, macro y visor), divisor óptico, tubo de imagen / CCD, procesos electrónicos y magnetoscopio incorporado o CCU (unidad de control de cámara), a los que podemos añadir el visor y el sistema de comunicación además de la interfaz de usuario que gobernará la comunicación entre la cámara y el operador durante el uso habitual. En resumen: óptica, cuerpo de cámara y magnetoscopio en los casos de ENG más CCU en los casos de estudio. 1.1 BLOQUE ÓPTICO.- Si pretendemos seguir el recorrido natural de la imagen, el primer elemento a considerar es el bloque óptico, que contiene los dispositivos necesarios para seleccionar la escena a captar y convertirla en señales eléctricas que se procesarán en el resto de las etapas. Desde el punto de vista óptico, un objetivo está formado básicamente por tres conjuntos de lentes; encargadas de realizar otras tantas funciones. Esas lentes son: lentes de enfoque, lentes de encuadre y lentes de foco trasero.
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OBJETIVO Lentes de enfoque.- Se encuentran en la parte exterior del objetivo. Su misión es concentrar en el punto focal sobre el sujeto u objeto que se va a captar. Para poder ajustar el foco sobre una gran variedad de distancias, este grupo de lentes se desplaza longitudinalmente. Del diámetro de la lente de enfoque depende, en gran medida, la cantidad de luz que se transferirá hacia el interior de la cámara, por lo que su tamaño es el mayor de cuantos integran el objetivo. Las cámaras domésticas, pensadas para ser utilizadas por personal no cualificado, disponen de sistemas que detectan la distancia a la que se encuentra el objeto y ajustan automáticamente la lente de enfoque en consecuencia. Sin embargo, debido a la limitada efectividad de estos sistemas, las cámaras profesionales prescinden de dichos dispositivos, quedando encomendada la misión de enfocar al operador de cámara. DISTANCIA FOCAL1 Lentes de encuadre.- conocidas habitualmente como zoom, las lentes de encuadre se encargan de seleccionar la zona concreta de la imagen que se transferirá hacia los sensores ópticos. Esta selección se realizará a medida que el grupo de lentes se desplaza de atrás hacia adelante, definiendo la distancia focal en cada punto, y con ello el ángulo de apertura visual entorno al eje del objetivo. El recorrido de este grupo óptico que define dos características del objetivo: la distancia focal mínima y el número de aumentos. Así, si encontramos un objetivo identificado como 15x8, la distancia focal mínima y el número de aumentos, la distancia focal mínima es de 8mm y se puede aumentar hasta quince veces, consiguiendo por tanto una distancia focal máxima de 120 mm. Es lo que se conoce como rango de zoom. A partir de ahora y para definir el papel de estas lentes, llamaremos a las cámaras con zoom, cámaras de distancia focal variable. Si tuviéramos una cámara que no pudiera variar su distancia focal tendríamos objetivos de lentes primarias que sólo operarían con una distancia focal. El factor de zoom es el cociente entre la máxima y la mínima distancia focal posible de un zoom. Viene representado por el número del cociente precedido por una 'x'. El factor de zoom no indica cuánto se puede aumentar una imagen sino cuánto variará el encuadre de la imagen de un extremo al otro del zoom. Por ejemplo un objetivo 17-55 mm es un zoom x3; un 100-300 mm también es un zoom x3 y, sin embargo, el segundo acerca la imagen muchísimo más que el primero. Un objetivo 20-200 mm será x10. 1 La distancia focal , medida en mm, es la distancia entre el centro del objetivo y el plano focal donde convergen los rayos luminosos para crear la imagen.
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El uso de este factor se ha hecho popular como medida de la capacidad del zoom en las cámaras digitales y de video que incluyen objetivos zoom no intercambiables. Estos objetivos suelen cubrir desde un ligero gran angular (entre 28 y 35 mm equivalentes en formato pequeño) hasta un ligero (x3) o potente (x10) teleobjetivo. La lente zoom entonces puede variar su distancia focal. Al variar esa distancia focal (la distancia entre el centro del objetivo y el plano focal donde convergen los rayos luminosos para crear la imagen), varía el tamaño de la imagen. A mayor distancia focal tendremos mayor imagen. El plano en el que se forma la imagen también varía de modo que hay que enfocar de nuevo la imagen cada vez que se mueve el objetivo. Si se combinan dos objetivos moviéndolos de una manera coordinada es posible que varíe el aumento sin tener que enfocar de nuevo. Este sistema formado por un grupo de lentes divergentes es el que se utiliza en los objetivos zoom de 35-70mm para cámaras fotográficas con relación de zoom muy pequeña. Los objetivos zoom que se utilizan en cámaras de TV o de vídeo son algo más complejos pero su principio es el mismo; mover una parte del sistema del objetivo para variar el tamaño de la imagen y mover la otra parte del sistema para mantenerla enfocada. Así pues, el objetivo zoom tiene por lo menos dos partes móviles. La parte que se mueve para variar el tamaño de la imagen denominada variador y la parte que se mueve para mantener el objeto enfocado que se llama compensador. DISTANCIA FOCAL Y TAMAÑO DE IMAGEN
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En realidad la estructura de un objetivo zoom de vídeo consta de cuatro partes. Un primer grupo de lentes que se denomina grupo de enfoque, un segundo grupo de lentes que se denomina variador responsable de poder variar el tamaño de la imagen, un tercer grupo de lentes denominado compensador que mantiene la imagen enfocada y un cuarto grupo denominado relee de lentes fijas. En posición de abertura máxima (gran angular) del zoom, la posición del variador (conjunto de lentes divergentes)avanza creando una lente con estructura de retroenfoque. En posición de teleobjetivo la posición del variador se retrasa de manera que la estructura parezca la de una lente de teleobjetivo. Para mantener la imagen la misma posición, mientras se mueven los dos grupos de lentes estos tienen que describir unas curvas determinadas por las leyes de la óptica geométrica. El movimiento del variador y del compensador está controlado por la vaina del cilindro. El cilindro interior tiene una ranura lineal a modo de guía (leva lineal) y el cilindro exterior tiene una ranura curvada que sigue la trayectoria del movimiento del objetivo (leva curvada). Al girar el cilindro 2 El tamaño de una imagen tiene una relación directa con la distancia focal, de modo que el mismo motivo cogido a la misma distancia producirá una imagen más grande cuanto mayor sea la distancia focal. .
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exterior con la leva curvada, el variador y el compensador se mueven siguiendo las ranuras de la leva curvada. Si la leva no sigue con precisión la curva correcta, el objeto queda desenfocado al realizar el zoom. Las levas tienen que seguir las guías con una precisión milimétrica. ESTRUCTURA DE LENTE ZOOM 3
Las lentes zoom también tienen que corregir las aberraciones ópticas para que la imagen sea nítida cuando activamos el zoom. Las trayectorias de los rayos de luz sufren cambios muy complejos durante el recorrido del zoom. Para corregir las aberraciones en todas las distancias focales es preciso minimizar las aberraciones originadas por cada uno de los grupos de objetivos. Para ello se utilizan buen número de lentes.
El diseño de un objetivo zoom requiere el trazado de muchos rayos. Para esta finalidad una computadora es esencial, pues, puede analizar al máximo las trayectorias de los rayos para las distintas posiciones de zoom. Lentes de foco trasero.- En los objetivos de distancia focal variable, se debe garantizar que la luz incida sobre la superficie de los sensores de imagen en un foco correcto para todo el recorrido de las lentes de zoom. Por este motivo se incorpora una lente que se ajustará cada vez que se monte el objetivo sobre la cámara, hasta conseguir la máxima calidad con el objetivo en su posición de gran angular. Una vez realizado el ajuste se procederá a comprobar que, para diferentes distancias focales (posiciones de zoom) se percibe una imagen nítida sin necesidad de retocar el control de enfoque. Entre las lentes de zoom y foco trasero se encuentra el IRIS o Diafragma, una cortina circular que se abre o cierra acomodando la cantidad de luz que se transfiere hacia el interior a las necesidades concretas para la obtención de una imagen correcta. El iris está calibrado en números f, que representan la relación entre la distancia focal y el diámetro de apertura del mismo iris. De este modo cuanto más bajo sea el número más abierto estará el diafragma y más luminosa se grabará la escena. La escala de números f sigue de la forma siguiente: 1
1,4
2
2,8
4
5,6
8
11
16
22
abierto
cerrado
Generalmente la velocidad de la lente, también llamada luminosidad, se expresa en nº f. La relación entre las diversas aberturas o diafragmas responde a un ajuste de modo que cada nuevo paso permita duplicar la cantidad de luz que atraviesa el objetivo o al contrario, cada reducción de la abertura en un paso reduce el nº f. En la fabricación de objetivos las marcas de las anillas de 3 El zoom es un grupo de lentes con una estructura especial para dar la posibilidad de cambiar la distancia focal
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selección se determinan ajustando el diafragma hasta el cociente entre su diámetro efectivo y la distancia focal para que coincida con la escala y los números o puntos de diafragma sean iguales siempre.
MACRO.-La mayoría de las lentes zoom poseen una posición de macro que permite lograr el enfoque definido en un objeto a unas cuantas pulgadas o incluso milímetros de la lente. El macro permite a la lente viajar hasta un punto más allá del punto normal de ajuste. 1.2 FILTROS DE CÁMARA.- Una vez que la luz ha atravesado las lentes del objetivo, aún le restan un buen número de operaciones previas a la transformación en señales eléctricas que se desarrollarán ya en el interior del cuerpo de cámara. Para que la luz llegue correctamente a los sensores captadores de imagen del cuerpo de cámara, se utilizan varios filtros: filtro de cuarto de onda, filtros de corrección de color, filtros de densidad neutra, filtro de infrarrojos, filtro de paso bajo. Filtro de cuarto de onda.- que permita reducir la polarización que puede producirse al incidir la luz dentro del objetivo. Los filtros polarizadores eliminan los reflejos en las superficies brillantes. Además de eliminar los reflejos en el cristal y el agua, oscurecen el azul de cielo son afectar al equilibrio cromático. Filtros de corrección de color.- con los que la cámara se adapta a las condiciones de luz. Para definirlos tenemos que ver primero el concepto de temperatura color. La luz esta compuesta por diferentes colores. La calidad de las diferentes fuentes de iluminación se llama TEMPERATURA COLOR y se caracteriza por el porcentaje de cada color que posea, sin embargo, como regla general el ojo se ajusta a esas diversas fuentes y apenas nos percatamos. No obstante en ocasiones uno de esos componentes cromáticos domina sobre los demás y así podemos distinguir el dominante rojo de una hoguera o el azul de un día frío. Pero esta capacidad que tiene el ojo para percibir cualquier fuente de luz como blanca no la tiene la cámara que sólo puede responder a una temperatura color cada vez que graba. La temperatura color entonces da 5
nombre y valor al aspecto cromático más sobresaliente de la luz con la que ese momento trabajamos. Se trata de dar un nombre y un valor concreto, en grados kelvin, al tipo de luz con la que estamos grabando. Técnicamente te define la temperatura color como la temperatura a la que debemos calentar un cuerpo negro hasta que emita la misma luz que la fuente luminosa que intentamos medir. Cuanto más baja sea la temperatura color, más cálida y rica en tonos rojizos será la luz con la que trabajamos. Cuanto más alta sea la temperatura color, más fría y azulada será la luz con la que grabamos. Temperatura color aproximada de fuentes tipo: vela
1.500 K
lámpara de 60W
2.800 K
luz tungsteno
3.200 K
sol de mediodía
5.600 K
sol directo
6.000 K
Como consecuencia de esa limitación o característica ligada al concepto de Temperatura Color surge la necesidad de disponer de filtros correctores de color que definan en la cámara la luz bajo la cual estamos trabajando. La reproducción del color en una cámara depende de la fuente de luz con la que la utilicemos. Definir a la cámara la luz con la que se trabaja es fundamental para una correcta filmación. Mediante el aro de filtros situado junto a la óptica de la cámara elegimos el adecuado a las condiciones de grabación, nuestras necesidades y objetivos estéticos. El anillo de filtros está numerado en función de la temperatura color que le corresponde y las condiciones de uso. NÚMERO DE FILTRO TEMPERATURA COLOR CONDICIONES DE USO Número 1
3.000 – 3.200 K
-iluminación halógena o incandescente en interior -amanecer o atardecer en exterior
Número 2
5.600 + 1/8 nd K
-luz solar en condiciones normales
Número 3
5.600 K
-iluminación con luces frías o fluorescentes en interior -lluviado o nuboso en exterior
Número 4
5.600 + 1/64 nd K
-luz solar fuerte y condiciones extremas
Filtros de densidad neutra.- junto a los filtros de corrección de color se usan otros destinados a compensar los excesos de luz de la escena. El iris del objetivo se encarga de ajustar la cantidad de luz que llega a los sensores de la cámara. Sin embargo, cuando se actúa sobre el iris también se ve modificada la profundidad de campo. Para que por necesidades no cambiemos la profundidad al manipular el iris se emplean atenuadores ópticos, filtros grises que, sin modificar las características 6
cromáticas de la luz, por eso se les llama de densidad neutra, limitan la cantidad que transfieren, actúen como reductores de la luz uno o más pasos de diafragma sin afectar al color. Están calibrados en grados fijos, normalmente expresados en porcentaje de atenuación. Por ejemplo, bajo luz solar brillante probablemente querremos mantener una abertura relativamente amplia (f1,4) para usar el enfoque selectivo y reducir la profundidad de campo APRA poder mantener el fondo desenfocado. Aunque se podría utilizar una velocidad de toma más rápida, el uso del filtro ND logrará el mismo resultado. Las cámaras de vídeo profesionales poseen uno o más filtros de densidad neutra incluido en su anillo interno de filtros. Los filtros 2 y 4 incluyen lo que se llaman FLITROS ND (de densidad neutra), destinados a compensar los excesos de luz de la escena. Se trata de filtros que atenúan la luz entrante sin tener que tocar el iris ni modificar las características cromáticas de la luz sino simplemente limitando la cantidad de luz que transfiere el objetivo a los elementos fotosensibles de la cámara. Filtros de infrarrojos.- el siguiente paso consiste en limitar el ancho de banda de la señal luminosa que incidirá sobre los captadores de imagen evitando así que lleguen longitudes de onda no deseadas y que podrían provocar fallos de funcionamiento. El filtro de infrarrojos se encarga de limitar las señales de onda superior a 680 nm. Este filtro se hace imprescindible en las cámaras con sensores CCD ya que estos elementos tienen una respuesta muy superior a la del ojo humano resultando sensible en la zona de los infrarrojos. Si se captaran podrían falsear la luminosidad de la escena dificultando su captación. Filtros de paso bajo.- unido a este filtro de infrarrojos, que definirá la frecuencia mínima de luz que se transferirá a los captadores se coloca un filtro de paso bajo, que completará la banda pasante del filtro óptico de entrada. La justificación de la necesidad de este filtro reside en el hecho del muestreo que se producirá posteriormente en los captadores de imagen. Para convertir la imagen en señal eléctrica se utilizará una matriz de sensores, las separación entre ellos será la que defina la resolución máxima que se podrá conseguir en la cámara. Existen además filtros ultravioleta, utilizados en muchas ocasiones en fotoperiodismo, para proteger a la cámara de condiciones adversas (es más barato reemplazar un filtro dañado que una lente completa). Además, al filtrar la luz ultravioleta (eliminándola) el filtro también realza ligeramente el color y el contraste de la imagen. Aunque la corrección general de color en una cámara de vídeo es realizad por medio de la combinación de ajustes ópticos y electrónicos, algunas veces es deseable utilizar una fuente dominante de color en a escena, para ello se utilizan filtros de alteración del color. Mediante filtros de color se puede transformar la calidad cromática de las fuentes de luz, permitiendo a un sensor capturar imágenes bajo una temperatura color diferente para la que ha sido calibrado. Se puede convertir la luz de una temperatura color determinada en otra de una temperatura color superior o inferior. Mientras que los filtros de corrección de color simplemente modifican la distribución energética de una fuente luminosa de una temperatura color a otra, los compensadores de color absorben una parte específica del espectro visible. Se emplean según los datos del termo colorímetro (que mide la temperatura color de la escena). Una vez medida la escena, se inserta el filtro adecuado para compensar cualquier exceso de color. Otros filtros son los filtros de efectos especiales. Los más populares: de estrella, de niebla y difusor. Los filtros de estrella producen picos de luz que se proyectan hacia fuera de los objetos de superficies brillantes -especialmente luces brillantes-. Este tipo de filtros posee una cuadrícula microscópica de líneas que cruzan su superficie. Pueden producir 4,5,6 u 8 puntas de estrella, 7
dependiendo de las líneas grabadas en la superficie del cristal. El efecto de estrella varía según el número f que se use y reduce ligeramente la nitidez. Cuando queremos crear un efecto de enfoque suave usamos un filtro difusor que hay de varias intensidades. Por último los de niebla crear cierta atmósfera dando una imagen nublada. 1.3. DIVISOR ÓPTICO DE SEPARACIÓN CROMÁTICA.- En las cámaras domésticas, la imagen transferida por el objetivo se aplica a un captador de imagen en cuyo interior existen elementos sensibles a diferentes colores (tradicionalmente los complementarios -magenta, amarillo y cyan, además del verde) y por matrizado de esas componentes se obtienen posteriormente las señales de luminancia y croma. Esta solución es económicamente interesante pero su limitada resolución hace inviable su utilización en sistemas profesionales. Cuando se requiere más calidad, se recurre a dividir la imagen por procedimientos ópticos extrayendo sus componentes básicos: rojo, verde y azul. Una vez separadas, las componentes cromáticas resultantes se muestrearán en tres captadores independientes por lo que se obtendrán señales eléctricas correspondientes a las tres señales básicas. Todas las cámaras utilizan algún tipo de separador de color para dividir la luz que le proporciona el objetivo. Hubo dos opciones disponibles: Espejos y Primas Dicroicos, pero los primeros han quedado obsoletos. Espejos Dicroicos.- Se trata de espejos especiales que reflejan longitudes de onda concretas, reflejan colores concretos, empleando capas muy finas de material refractivo para enviar cada una de las luces a su tubo de cámara correspondiente donde la imagen será captada. La luz incidente entra por el objetivo y llega al grupo de espejos. El primero refleja la luz roja y la envía hacia arriba al mismo tiempo que deja pasar la verde y la azul.
La luz roja se refleja en un espejo convencional que la dirige hacia el tubo rojo. El segundo espejo refleja la onda azul y la envía hacia abajo donde otro espejo convencional la dirige hacia el tubo azul, mientras que la luz verde pasa sin dificultad. Para que el camino sea el mismo el tubo se coloca a cierta distancia según el color, el verde algo más alejado que el resto puesto que su camino es recto. Para que la división sea limpia, justo después del espejo se utilizan lentes de enlace que permiten que la longitud focal no se multiplique. Además delante del tubo se sitúan filtros de ajuste fino. Ya que los espejos dicroicos no proporcionan una separación perfecta del color, los filtros afinan esa separación antes de que entre en los tubos. La cámara de espejos dicroicos tenía la ventaja de ser muy compacta y su distancia focal era menor. Sin embargo, se trata de un dispositivo deficiente de transmisión de la luz y poco estable, y es fácil que aparezcan suciedades en la cámara por su uso.
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Prisma Dicroico.- Hoy se emplea un divisor cromático diferente basado en la utilización de prismas compactos. El prisma dicroico es un conjunto de espejos semirreflectantes que permiten el paso de uno de los colores principales, reflejando el resto. Las cámaras de prisma dicroico se identifican por el hecho de que los tubos o ccds no se alinean en paralelo como en el caso de los espejos sino que siguen el dibujo del prisma. En la cámara de CCD además hay otra ventaja, y es que se adhieren directamente al prisma lo que crea una unidad sólida. Para garantizar que a cada sensor le llega únicamente la componente lumínica deseada se incorporan justo delante de los detectores unos filtros que transferirán las componentes básicas RV-A descartando el resto. En cuanto a sus ventajas, los prismas permiten un separador cromático sólido donde todas las piezas van pegadas al sistema lo que evita desajustes. Además, elimina defectos colorimétricos. Sin embargo, la larga distancia focal hace que necesiten más lentes. 1.4. CAPTADORES DE IMAGEN.- Mediante los captadores de imagen la luz que entra desde el objetivo se transforma en energía eléctrica Tubos de cámara.- El tubo captador es el alma de cualquier cámara de vídeo. Convierte la imagen óptica en señal eléctrica lo mismo que un micrófono convierte el sonido en electricidad o un fotómetro la luz. Desde los orígenes de la TV hasta los ochenta, el dispositivo captador de imágenes utilizado era un tubo fotoconductor. El tubo captador convierte la imagen óptica en señal eléctrica. Está diseñado para explorar de forma secuencial la imagen encuadrada, de izquierda a derecha y de arriba a abajo. La información así obtenida se transmite al tubo del televisor que reproduce la imagen original siguiendo la misma pauta. Aunque de tamaño mucho menor, su estructura era similar al tubo de imagen que aún hoy se utiliza en los receptores de TV. El tubo captador es un estrecho cilindro de cristal en forma de botella en cuyo interior se ha hecho el vacío. En la cara anterior del tubo, justo donde el objetivo forma la imagen óptica, el tubo dispone de una ventana a través de la cual deja pasar la luz y formar la imagen sobre una superficie fotosensible que llamamos target. El target es una matriz de pequeños pares condensadores-resistencia conectados en paralelo, está formada por centenares de miles de puntos sensibles a la luz y que cambian su resistencia en función de la cantidad de luz que les llega. Debido al efecto conductivo al aplicar luz la resistencia interna del target se reduce, y cada punto la ve disminuido de forma proporcional a la cantidad de luz que recibe a través del objetivo. Es decir, cuando la luz incide sobre la cara anterior del target, los elementos iluminados comienzan a hacerse conductivos descargándose parcialmente. Por efecto de la llegada de energía luminosa, un cierto número de electrones se desplaza, dejando una serie de huecos o cargas positivas. Los puntos que reciban más luz serán descargados con más intensidad que otros que reciban menos luz. 9
TUBOS DE CÁMARA
Dentro del tubo hay un cátodo termoiónico que emite electrones al ser calentado por un filamento, que mediante un sistema de rejillas permite a los electrones realizar un barrido de exploración de la imagen sobre el target. Cuando el haz de electrones hace un barrido sobre el target, los diminutos condensadores se cargan, almacenando la energía de los electrones incidentes. Al pasar el haz sobre el mosaico del target, cada elemento captará el número de electrones necesarios para neutralizar las cargas positivas que tenía acumuladas, originando una corriente en la resistencia de carga y por tanto una tensión que será proporcional a la luz incidente.
Haciendo que el haz de electrones explore sistemáticamente la superficie del target de izquierda derecha y de arriba a abajo, obtendremos información del número de cargas eléctricas acumuladas en cada punto del target y en consecuencia de las características de cada punto de la imagen. Cuando el haz pase por un punto descargado que ha recibido mucha luz, necesitará una mayor cantidad de corriente para recargarse que aquel otro que no haya recibido iluminación. Por tanto la señal de vídeo se obtiene como resultado de ver la cantidad de corriente que absorbe cada uno de los puntos del target al ser barrido durante la exploración del haz de electrones. El haz de electrones se produce en un cañón electrónico compuesto de un cátodo calentado indirectamente y cuatro rejas de control, la primera reja concentra los electrones en un haz, la segunda los acelera para que puedan alcanzar el target, la tercera los desacelera para que no reboten contra el target y el último mecanismo permite gobernar el haz de electrones para que incida de forma perpendicular al target y el barrido se realice como exploración entrelazada. Durante décadas, y basándose en este principio fundamental se han desarrollado diferentes generaciones de tubos de cámara (Vidicón, Newvicón, Orticón, Plumbicón...) en los que se mejoraban materiales, se optimizaban diseños y se conseguían componentes más fiables y de mayor rendimiento. Sin embargo, los tubos de cámara siempre han mantenido unas importantes limitaciones en cuanto a consumo, tamaño, estabilidad de funcionamiento que llevaron al desarrollo del sensor de estado sólido o CCD. De hecho, debido a la deriva en el funcionamiento de las cámaras de tubos, en los estudios de TV donde se utilizaban era necesario realizar ajustes de sus parámetros básicos prácticamente cada semana. Además adolecían de un problema importante, no se podía captar escenas de extremada luminosidad porque la luz muy fuerte marcaba el target de tal manera que a 10
veces provocaba una huella de quemado que en ocasiones resultaba permanente.
CCD. Dispositivos de Carga Acoplada.- Los sensores de estado sólido se empezaron a montar a principios de los 80 sustituyendo a los tubos de imagen. Hay dos tipos de sensores de estado sólido: los MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) y CCD (Charge-Coupled-Devide), de los cuales el CCD es el más utilizado en la actualidad. En 1986 Sony saca al mercado la primera cámara que sustituye los tubos por los llamados dispositivos de carga acoplada o CCD. Tenía más ventajas pues permitía un menor volumen, mayor resistencia a los golpes, el aumento de la vida útil de la cámara, una mayor sensibilidad , la reducción del consumo y la eliminación de la remanencia entre otras cuestiones. La diferencia más importante entre un sensor de estado sólido y un tubo captador es que el primero no necesita de un haz de electrones que explore la imagen. En lugar de esto, los sensores utilizan otros métodos de exploración, circuitos integrados formados por elementos fotosensibles (pixeles). Hay dos diferencias fundamentales entre el tubo y el sensor CCD. La primera estriba en que mientras el tubo está formado por una capa fotoconductiva homogénea, denominada target, la cual es explorada para dar información continua, el sensor CCD está formado por una serie de elementos discretos sensibles a la luz, los cuales son interrogados de forma secuencial. La segunda diferencia estriba en que la superficie del target del tubo puede ser variada durante la exploración para adaptarla a la imagen producida por el objetivo, mientras que el formato de imagen del sensor CCD es fijo y es la lente la que debe adaptarse al formato. 11
En conjunto, el CCD mejora muchos de los atributos de la cámara de tubos, los cuales son especialmente importantes en las aplicaciones ENG. La sensibilidad, robustez, fiabilidad minimización de los ajustes técnicos e inmunidad de interferencias externas hacen que la cámara CCD sea adecuada para trabajos de periodismo electrónico. El CCD es un grupo de circuitos integrados formados por elementos fotosensibles colocados en filas y columnas. Cada uno de estos elementos constituye un elemento de imagen denominado pixel. Cuando la luz incide sobre estos pixeles se crean distintas densidades de carga eléctrica, que depende del brillo de la luz en cada elemento. A mayor brillo mayor densidad de carga. Cada una de las filas de pixeles de CCD construyen una línea de vídeo. Estas cargas eléctricas puntuales se introducen en un sistema de memoria y pueden ser leídas línea a línea. Una vez que el CCD manda sus cargas a la memoria se puede crear una nueva imagen. El elemento que posibilita la creación de los CCD son los condensadores MOS (Metal-OxideSemiconductor) que permiten el movimiento de cargas almacenadas. El sensor CCD es, esencialmente un elemento semiconductor de conversión y almacenamiento de carga eléctrica. El proceso de conversión de la imagen óptica en señal de vídeo se realiza siguiendo la siguiente secuencia de tres tiempos: 1.conversión fotoeléctrica: se genera potencial eléctrico proporcional al potencial luminoso incidente 2.almacenaje de esas cargas eléctricas: la carga eléctrica es almacenada temporalmente 3.transferencia de las cargas: la carga eléctrica es transferida mediante potenciales de control para su lectura como señal de vídeo
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1.conversión fotoeléctrica: se trabaja normalmente con sensores MOS que utilizan una estructura de tres capas. La primera está formada por polisilicio y es conductiva, la segunda es de óxido de silicio y es aislante y la tercera es de silicio y es acumulativa. Resumiendo, en la construcción de un condensador MOS tenemos una fina lámina de óxido de silicio aislante introducida entre un electrodo de metal y un silicio tipo P, para formar un condensador. La capa de polisilicio transparente actúa como elemento conductor al tiempo que permite el paso de los fotones de la luz, que al incidir sobre el sustrato de silicio creará un pozo de potencial, en este caso proporcional a la cantidad de luz recibida. Así esta primera capa libera en el interior una cantidad de electrones proporcional a la cantidad de luz recibida. 2.almacenaje de las cargas: cuando se aplica una tensión positiva al electrodo se genera una zona de energía justo debajo de la zona de unión entre la capa de dióxido y la de silicio. Esa zona la llamamos hueco de baja energía. De este modo, la zona se convierte en un potencial receptor de energía y tenderá a absorber todos los elementos resultantes de la fotoconversión de la capa superior. Debajo del aislamiento se van acumulando electrones. La zona de deplexión se hace más profunda a medida que hay más electrodos. Sensor de estructura de tres capas 4
4 Cuando un rayo de luz incide sobre la capa sensible, se produce una carga eléctrica proporcional a la luz incidente (arriba), creándose un pozo de potencial en cada condensador (abajo).
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DESPLAZAMIENTO DE CARGAS 5 3.transferencia de las cargas: las características del hueco dependen del potencial eléctrico asociado. Por tanto situando en la base de silicio otro electrodo junto al sensor, cuya única misión sea la de transferir cargas y suministrar a este segundo electrodo un potencial mayor el hueco creado será mayor y tenderá a absorber los electrones almacenados. Si proporcionamos una tensión determinada al primer sensor la carga se acumula. Si después, y sin dejar de aplicar esa tensión, se suministra al segundo sensor una tensión más alta, el segundo hueco, de más tamaño, tenderá a absorber lo del primero. Si luego se deja de dar tensión al primero todos pasarán al segundo y así sucesivamente. Así, si se fabrica una línea de condensadores con una base parecida, veremos que puede producirse una transferencia de un condensador a otro, aplicando primero el mayor voltaje al electrodo del segundo condensador, lo que origina que la carga se transfiera del primero al segundo. Si se suprime el voltaje del primer condensador y el del segundo se reduce la carga se irá transfiriendo hasta el final. Las cargas obtenidas en los pozos de potencial son extraídas por un único terminal en forma de serie ordenada de señales eléctricas analógicas correspondientes a los puntos de cada línea. A continuación se extraerá la línea siguiente de información, y así se irá completando la imagen capturada. Después de que los electrones liberados igualen la intensidad luminosa son almacenados. Durante el proceso de lectura las cargas deberán ser retenidas en una zona de almacenamiento temporal para dejar libres los elementos sensores que irán captando la siguiente imagen. El paso de las cargas desde a zona expuesta a la luz hasta el área de almacenamiento tiene lugar en el intervalo 5 Procedimiento de desplazamiento de las cargas eléctricas en el interior de un sensor CCD mediante tensiones de control
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del borrado vertical, evitando así contaminaciones y señales erróneas. Finalmente la carga de electrones es transferida hacia el interior para realizar su lectura. La puerta de transferencia realiza la función de obturador electrónico y se abre en el tiempo correspondiente a los tiempos de retorno del haz . Mientras dura esta transferencia de electrones, no puede haber nuevas aportaciones de cargas eléctricas, porque se mezclarían entre sí produciéndose alteraciones en la imagen. Existen tres tipos de CCD: de transferencia de cuadro, de transferencia interlínea y-de transferencia cuadro/línea.
1.5. CIRCUITOS DE PROCESADO ELECTRÓNICO.- Tienen como misión amplificar y corregir la señal entregada por el tubo o los sensores de CCD y convertirla finalmente en una señal normalizada acorde con el sistema de televisión a la que va destinada (en España el PAL). En las cámaras de tubos, la señal que éstos entregan es de un nivel muy pequeño (unos pocos minivoltios), por lo que el primer procesador que encuentran es un preamplificador. En los CCD aunque la señal es mayor también hace falta amplificarla desde el principio. Después, la señal pasa por sucesivos correctores de gamma, nivel de negros, balance de blancos etc.. Los circuitos de procesado son de dos tipos: -Unidad de servicio.- se ocupa del correcto funcionamiento del sensor de imagen 15
proporcionándole la alimentación y amplificando la señal que sale de él -Unidad de control.- es la parte inteligente de la cámara se ocupa de dirigir la unidad de servicio y producir los sincronismos, tanto de línea como de cuadro. Estos sincronismos se pueden generar también de forma externa desde el control de cámara si tenemos varias sincronizadas entre si. 1.6 MAGNETOSCOPIO Y OTROS SISTEMAS DE GRABACIÓN DE IMÁGENES.- El magnetoscopio cumple con el primer objetivo de la cámara que es el registro de imágenes en movimiento. Ese registro se puede realizar en cinta magnética, archivo digital o DVD. La cámara contará con un dispositivo para acoger la cinta, la memoria digital o el disco de DVD. Son formatos digitales todavía basados en el magnetismo los de Sony y Panasonic, DV-Cam y DVC-Pro respectivamente. 1.7. CCU.- UNIDAD DE CONTROL DE CÁMARA.Las cámaras de vídeo destinadas a ENG también difieren de las pensadas para trabajar en plató en la forma en que se accede a los botones y controles electrónicos. Una cámara diseñada para ser utilizada por un solo operador trabajando en exteriores, dispone de circuitos electrónicos internos que automatizan la mayoría de los ajustes, que de otra forma deberían hacerse manualmente. Las cámaras diseñadas para estudio disponen de pocos automatismos y, los que pueda haber son desconectables, de forma que los ajustes se realizan por un operador especializado (control de cámara). En este caso, la cámara va unida a una unidad exterior de circuitería electrónica denominada CCU (Unidad de Control de Cámara), que dispone de numerosos ajustes. Las CCU más sofisticadas disponen de microprocesadores y memorias similares a las de un ordenador. Los ajustes que se realizan sobre una cámara pueden, gracias al empleo de la tecnología de ordenadores, gobernar el funcionamiento de toda una serie de cámaras de un mismo estudio o instalación, de forma que todas proporcionen la misma calidad de imagen.
La segunda mitad de la cadena de cámara está formada por la Unidad de Control de Cámara que se localiza fuera del estudio en la sala de control. La CCU contiene la fuente de alimentación de la cámara y todos los controles necesarios para regular la calidad final de la imagen. Cada vez que se realiza un programa hay que ajustar las cámaras para compensar las variaciones de iluminación de la escena o para lograr una cierta estética. 16
Las CCU se suelen montar en armarios con un solo monitor asociado a las distintas cámaras que suele estar situado en el propio control de realización o en una zona anexa destinada al control de cámaras. Este monitor se usa solo para tareas de ajuste y puesta a punto y se relegan todos los controles a un panel de control remoto. Una parte importante es el cable que requiere 30 o 40 líneas de carácter coaxial algunas de ellas para llevar señal de alta frecuencia. Además de la alimentación que proporciona la energía a la cámara es necesario llevar a ella otras señales tales como las de sincronismo que, por lo general, se crean en un generador central para todo el estudio. En el caso de unidades móviles se utiliza un generador de impulsos de sincronismo local. Principales Ajustes de cámara desde CCU: CONEXIONES DE CÁMARA 6 -Diafragma: -Balance de Blancos/Negros: permite adaptar la cámara a las condiciones de iluminación con las que estamos trabajando. -Nivel de negros máster (pedestal): afecta solo a las partes oscuras de la escena. se manipula el diafragma y el pedestal mientras mira el monitor en forma de onda. Así se obtienen buena imagen con independencia del nivel de iluminación y de la relación del contraste de la escena. -Ganancia Electrónica: permite amplificar electrónicamente la salida de la señal de vídeo y obtener imágenes aún con niveles de iluminación muy bajos. -Corrección de cable. El cable de la cámara introduce al menos dos defectos en las señales que pasan a través de él. Las señales sufren retardo y pérdidas especialmente en las cámaras de tubo. Dado que se usan cables de distintas longitudes, el retardo y las pérdidas son variables. Aunque el retardo es prácticamente inexistente en las cámaras CCD. Las variaciones de retardo de la señal se compensan normalmente mediante un muestreo de la señal de vídeo que llega a la CCU, y efectuando una comparación entre la señal de llegada y una referencia de la CCU mediante un circuito apropiado. Si el tiempo de llegada de la señal es incorrecto los impulsos usados por la cámara se ajustan automáticamente de acuerdo a la referencia. Las pérdidas de señal pueden ser corregidas variando la ganancia de los amplificadores y la compensación de altas frecuencias. 6 La cámara queda conectada a la CCU a través de cable multiaxial.
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-Corrección de flare: la dispersión de la luz en los sistemas ópticos causan una falta de contraste debido a la suma efectiva de un pedestal a la señal, cuya amplitud es proporcional al nivel medio de la luz. En las cámaras monocromas esto se evitaba ajustando el nivel de negros, pero en las cámaras en color hay que tener en cuenta que el destelleo (valor de flare) varía según el contenido cromático de la escena. Esto significa que los controles de nivel de negros deben ser ajustados continuamente por lo que se hace precisa una corrección automática. Esta función es llevada a cabo por los circuitos de corrección de flare, que detectan el nivel medio de cada canal y reducen la elevación de nivel de acuerdo con éste, de manera que el clamp (fijador de nivel) del circuito actúe convenientemente para que las variaciones de luminosidad de la escena no afecten al nivel de negros preestablecido. -Control de nivel de negros: este circuito se usa para asegurar que los grises oscuros de la imagen produzcan señales idénticas en los tres canales, de manera que estando perfectamente equilibrados, las partes más oscuras de la imagen no aparezcan teñidas de ningún color. Normalmente existen mandos individuales para cada canal, y un nivel de negros "master" que afecta a los tres canales y por lo tanto al nivel de negros de luminancia. -Matriz lineal: la mayor parte de las cámaras de color poseen una matriz lineal cuidadosamente diseñada en las cuales las señales, roja, verde y azul se acoplan en cruce antes de la corrección de gamma. Esta matriz cumple la función de aproximar la colorimetría total de la cadena a la curva teórica ideal, proporcionando así una mejora notable en la reproducción subjetiva de colores. -Compensación de gamma: el brillo de la imagen en las cámaras de vídeo no se eleva linealmente, es decir, las partes oscuras aparecen más oscuras de lo que en realidad son y las partes brillantes, más brillantes de lo que son, este exponente es el gamma. Es corregido automáticamente por la cámara pero puede ser manipulado por la CCU para que la salida de imagen sea proporcional a la entrada. -Corrección de ángulo (knee): dado que los circuitos de recorte de los picos de blanco simplemente limitan el nivel de vídeo de las zonas brillantes a un nivel concreto no se reproducen los detalles de las imágenes en las áreas brillantes. Para solucionar este problema se utiliza la corrección del ángulo, comprimiendo las señales que exceden de cierto nivel denominado punto de ángulo. -Control de exposición (diafragma): puede ser controlado desde la cámara o de forma remota desde la CCU. -Correcciones de contorno: en las cámaras de tubo el haz explora zonas del mosaico correspondientes a luminancias con una transición brusca del blanco al negro. Puede que el sistema óptico presente aberraciones o que los rojos y azules presenten pobres respuesta. La técnica más empleada para la corrección de contorno es la corrección a partir del verde. -paso final: la CCU suministra en su etapa final varias salidas RGB que podemos llevar a monitores en forma de onda, imagen, alimentadores.....
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1.8. VISOR Y SISTEMAS DE COMUNICACIÓN.- Todas las cámaras de video vienen equipadas con un visor electrónico que muestra los encuadres que capta. El visor es un pequeño televisor con su correspondiente tubo cuyo tamaño va de las 3 a las 9 pulgadas dependiendo del tipo y función de la cámara. Los visores más pequeños están normalmente colocados en el lateral de la cámara portátil y tienen forma de codo de tal manera que se adapta perfectamente al ojo el operador cuando sostiene la cámara a hombro. El operador utiliza el visor para enfocar, encuadrar y componer el plano. En ocasiones podemos introducir señales externas y reproducirlas a través del visor. Los visores pueden ser: -ópticos.- se trata de un sistema reflex de espejos o prismas que proporciona la imagen obteniéndola directamente del objetivo. Está incorporado a la cámara y precisa la colocación directa del ojo del operador como la cámara de cine. -electrónicos.- se trata de un monitor B/N o color a su vez puede ser de dos tipos: -cámara de estudio; sus dimensiones son proporcionales a la diagonal del target y ofrecen una imagen que puede ser observada por el operador a 50cm o 1m de distancia. Está equipado con un tejadilo que permite la observación en ambientes muy iluminados -cámara ENG; que es más pequeño y requiere la aplicación directa del ojo para visualizar la imagen. El visor de las cámaras de vídeo actúa como una interfaz de usuario que gobernará la comunicación entre la cámara el operador, durante su utilización habitual. El visor cuenta con una cuadrícula de centrado que se maneja como un trazado de referencia para la composición, en él se consignan algunas de las siguientes lecturas e indicaciones: -estado de operación de la videograbadora -tiempo de grabación o código de tiempos -nivel de grabación de audio -cinta restante -advertencia de la grabadora o la cámara -balance de blancos -ajuste de filtro -ganancia -shutter -estado de batería -señal de vídeo, barras o retorno (conmutan la señal para que el visor reproduzca una imagen tomada por otra cámara distinta) ….. Los pilotos tally son otra forma de comunicarse con la cámara. La luz suele ser roja y señalar si se está grabando si falta batería, hay algún fallo etc… Los tally también sirven para realizar indicaciones silenciosas durante la emisión de programas y cuando lucen es que están pinchando esa cámara. El operador de cámara está siempre en contacto directo con el realizador del programa y con los miembros del equipo e producción mediante unos micro auriculares que combinan micrófono y auricular denominados intercom o línea privada. Los canales de intercomunicación son especialmente importantes para las producciones multicámara, porque el realizar y el director técnico tiene que coordinar las operaciones de cámara. Todas las cámaras de estudio y varias cámaras de calidad tiene por lo menos dos canales de intercomunicación. 19