TEMA 3. LA SEÑAL DE VÍDEO COMO IMAGEN ELECTRÓNICA 1. 2. 3. 4. 5.
Conceptos previos. La agudeza visual Exploración y lectura de la imagen en cine y televisión La imagen electrónica La televisión digital Parámetros eléctricos de las señal de vídeo. Estructura de línea y de campo. 6. La codificación de color 7. Instrumentos de medida: osciloscopio (MFO) y vectorscopio 1. Conceptos previos. La agudeza visual Para comprender mejor la transmisión de imágenes por televisión hay que conocer algunas particularidades del ojo humano. En concreto existen tres conceptos previos, conceptos fisiológicos y perceptivos, que permiten la lectura de imágenes en movimiento. 1. persistencia retiniana.- Las imágenes que llegan a la retina no desaparecen de forma brusca, si no que se desvanecen lentamente. Cada imagen formada permanece en la retina 1/15 de segundo. Así, toda imagen sucesiva proyectada a igual o superior velocidad produce en el ojo la sensación de un movimiento continuo. Con este fundamento, el cine proyecta 24 fotogramas por segundo, la televisión 25 o 30 imágenes o cuadros/frames por segundo según el sistema. Esa diferencia está relacionada directamente con la frecuencia de la corriente. En los países donde está implantado el sistema NTSC como Estados Unidos, Canadá o Japón, la corriente es de 60 hz (60 ciclosxsg) y las imágenes se presentan en una frecuencia de 30 al sg. Sin embargo los países que adoptaron sistemas europeos como el PAL o el SECAM la señal televisiva muestra 25 imágenes al segundo al ser su corriente de 50 hertzios (50 ciclosxsg) . 2.ley de proximidad de la gestalt.- La capacidad del sistema visual humano para distinguir el detalle en las imágenes suele medirse como la capacidad de discriminar dos estímulos lumínicos próximos. Los estímulos muy próximos son englobados por el ojo como uno solo. Por ejemplo, dos fuentes luminosas puntuales muy próximas entre sí pueden parecernos una sola en la distancia (fenómeno phi). En general, si presentamos a un observador una retícula de líneas negras sobre un fondo blanco, éste será capaz de identificar correctamente la composición de la imagen siempre que la distancia entre las líneas negras sea superior a la resolución del sistema visual. Sin embargo, si alejamos la retícula del observador, llegará un punto en que éste será incapaz de distinguir esta imagen de la de un papel gris, ya que el ojo integrará el patrón reticular en una sensación grisácea uniforme en la que no se aprecia el detalle de su composición. Lo mismo un tablero de ajedrez de cuadros muy pequeños y próximos dan la sensación de un panel gris. Los cálculos realizados determinan que la agudeza visual de ojo humano es igual o superior a un minuto de grado. Esto quiere decir 1
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que cuando dos estímulos están separados menos de un minuto grado, el ojo tiende a percibirlos como uno sólo. Según este principio y mediante un cálculo trigonométrico obtenemos que el número de líneas que puede apreciar el ojo. 3.colorimetría y poder de integración del color.- cuando el ojo recibe una mezcla de radiaciones, sólo ve un color que es el resultado de la mezcla de esas radiaciones. Le resulta imposible conocer cada una de las radiaciones monocromáticas que posee la mezcla. 2.Exploración y lectura de la imagen en cine y televisión La transmisión de imágenes en cine se realiza a una cadencia de 24 fotogramas por segundo con un intervalo de oscuridad entre ellos. Se dice que el cine utiliza una transmisión en paralelo porque transmite todos los puntos de información contenidos en un fotograma globalmente sobre la pantalla. Por tanto, cada una de esas imágenes es una imagen completa, es una exploración global y se transmite en su totalidad. Esta sucesión de fotogramas si bien produce una sensación de movimiento motiva un cierto parpadeo o centelleo perfectamente perceptible durante el paso de la imagen a la oscuridad. Aunque basta con una veintena de imágenes por segundo para poder estimar correctamente el movimiento de los objetos, con los niveles de iluminación utilizados en cine y televisión, se requieren más de 40 imágenes por segundo para que no aparezca el ‘parpadeo’. Además, cuando más luminosa es la imagen más se nota el cambio. El parpadeo se evita aumentando la cadencia de las imágenes a más de 40 al segundo. Para solventar el problema se recurre a la doble o triple obturación es decir, cada fotograma se proyecta dos o tres veces y por tanto, se duplica o triplica la cadencia colocando un obturador frente al proyector que se dispare con una frecuencia del doble de la velocidad de la película. (Algunos sistemas de cine han utilizado un número mayor de fotogramas por segundo, aunque su uso no se ha generalizado. Un ejemplo son las primeras películas producidas en formato de 70 mm que utilizaron 30 fotogramas por segundo, aunque posteriormente se volvió a los 24 fotogramas convencionales. A principios de la década de los 80 apareció el sistema Showscan que utiliza 60 fotogramas por segundo. Este sistema se utiliza únicamente para documentales en salas de proyección especiales y ha tenido poco éxito). En televisión el problema es parecido, aunque en este caso, el coste, más que al presupuesto, afecta al ancho de banda de la señal. Como los sistemas de transmisión de radiofrecuencia no pueden enviar toda la información contenida en una imagen al mismo tiempo, se crea la necesidad descomponer esa imagen en elementos básicos que, agrupados secuencialmente en un orden concreto nos permiten recomponer en el receptor la escena original. Esta operación precisa de un tiempo determinado para poder formar la imagen completa y se habrán de establecer mecanismos para conocer la posición de cada uno de los puntos que integran el cuadro. Las cámaras de TV aplican, para la descomposición de la imagen, sistemas de exploración basados en barridos de campo de visión de una manera similar al método utilizado para leer las páginas de un libro. Para comenzar se divide el cuadro en líneas horizontales cada una de las líneas horizontales está formada por puntos de imagen. Todos estos elementos básicos presentan tres parámetros fundamentales: Luminosidad (indica el brillo de cada punto), Matiz (representa el color que contiene) y Saturación (define la cantidad de color del punto)
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El análisis y formación de una imagen electrónica puede realizarse a través de diferentes métodos de exploración: lineal, radial, helicoidal. Los dos últimos se utilizan en sistemas de radar o en aplicaciones científicas. En televisión se utiliza la exploración lineal entrelazada en el caso de la TV analógica y exploración lineal progresiva en el caso de la TV digital. Para simplificar el funcionamiento, la frecuencia de imagen se hizo coincidir con la mitad de la frecuencia de red. 30 o 25 imágenes por sg según el país. La selección de submúltiplos de la frecuencia de red se debe principalmente a dos motivos que permitieron simplificar bastante los primeros diseños. Por una parte, la frecuencia de red se mantiene bastante estable, lo que permite que varios equipos la utilicen como patrón o señal de referencia común. Así, cuando en un estudio de TV operan simultáneamente varias cámaras es necesario que éstas realicen un muestreo sincronizado de las imágenes para que pueda conmutarse entre distintas cámaras sin que se produzcan pérdidas de información. Otra ventaja derivada del uso de un submúltiplo de la frecuencia de red es que de este modo conseguía minimizarse el efecto visual que producía la interferencia de la señal de red en la pantalla de televisión. La elección de la frecuencia de imagen se realizó en los albores de la electrónica y probablemente, con la tecnología actual, los criterios a valorar para la selección de este parámetro hubieran sido distintos. El parpadeo de las imágenes se consiguió evitar dividiendo cada imagen en dos mitades que se transmiten una detrás de la otra utilizando una técnica de exploración conocida como entrelazado. Esencialmente consiste en que el receptor realice dos barridos de la pantalla por cada imagen presentando la mitad de la información en cada uno. Con ello se consigue que la frecuencia aparente de exploración de la pantalla se doble, desapareciendo el parpadeo de la imagen. Cada imagen transmitida se denomina cuadro/frame y está formada por una serie de líneas (de distinto número según el sistema o el formato utilizado), y cada cuadro se divide en dos 3
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mitades que llamaremos campos y que corresponden a las líneas pares (campo par) y líneas impares (campo impar). Recordemos: Exploración: proceso de analizar sucesivamente, de acuerdo con un método predeterminado, los valores lumínicos de los elementos que constituyen el área total de una imagen. Exploración progresiva: las líneas de exploración trazan una dimensión prácticamente paralela a uno de los lados del cuadro, y en que las líneas sucesivamente trazadas son adyacentes. Exploración entrelazada: las líneas sucesivamente trazadas están espaciadas en un número impar, y en que las líneas sucesivas se exploran durante ciclos de exploración a la frecuencia de campos. 3.La imagen electrónica Basicamente la exploración, sea entrelazada o progresiva, consigue evitar el parpadeo. Para comenzar se divide el cuadro en líneas horizontales cada una de esas líneas están formadas por puntos de imagen. El barrido de la imagen se efectúa empezando por la línea superior y tomando los puntos de la imagen que contiene de izquierda a derecha y de arriba a abajo de forma ligeramente inclinada. Una vez explorada la última línea del campo el haz sube en diagonal hasta el extremo izquierdo de la primera línea de campo siguiente. Es importante resaltar que la imagen comienza en el centro de la primera línea y termina en el centro de la última por lo que estas líneas mostrarán características diferentes al resto. Para sincronizar la reproducción, al final de cada una de las líneas de imagen se inserta un impulso de sincronización, que permitirá al receptor separar los datos contenidos en cada línea respecto de las adyacentes. Estos impulsos de sincronismo de línea harán posible la correcta ubicación en el eje horizontal de todos los datos trasmitidos. 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 siguientes. Por eso se introduce lo que llamamos sincronismo vertical o de campo, que servirá a los receptores para determinar el momento exacto del inicio de cada grupo de líneas que integran la exploración de la pantalla. El sincronismo vertical nos indica el principio y fin de cada campo y ocupa un total de 5 líneas en cada imagen (2,5 líneas por campo). Cada vez que el haz retorna desde el final de una línea hasta el comienzo de la siguiente existe un periodo de tiempo en el que no se lee información es el periodo de borrado de línea o borrado horizontal. Del mismo modo, existe un periodo de tiempo sin información al final de cada campo, periodo de borrado de campo, o borrado vertical. Dentro de cada cuadro (625 líneas) sólo llevan información 575. Se reservan 25 líneas de cada campo para otros usos (sincronismo vertical, identificación de fuente, señales de prueba, teletexto...) De esta forma en 1/50 sg se exploran y reproducen las líneas impares (campo impar) y en 1/50 sg las pares (campo par). Este es en líneas generales el proceso de la televisión PAL, 25 imágenes por segundo que en realidad son 50 semi-imágenes al 4
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segundo, que por su velocidad y proximidad nos parecen una única imagen. Aunque en principio puede resultar extraño el hecho de que cada campo tenga 312,5 líneas esta característica se encuentra justificada por varias causas. La primera es que los cuadros empiezan en el centro de la primera línea y terminan en el centro de la última, por lo que estas no contienen información en su totalidad. Ello nos hace pensar que los dos campos construidos no son exactamente iguales. Además, no todas las líneas que forman estos cuadros contienen información sino que durante su lectura se encuentran adjuntos otros sistemas de sincronización horizontal y vertical además de otras funciones auxiliares. En las televisiones de gran formato ha pasado algo parecido al efecto de parpadeo del cine. (Las pantallas superiores a los 70 centímetros denotaban un notable parpadeo que se solventó a través de la técnica de los 100 hz en Europa). El sistema se apoya en memorizar el campo en tiempo real y acto seguido realizar una lectura doble a doble velocidad. En otras palabras, mientras se almacena un nuevo campo se lee dos veces el anterior. Resumen: -relación de aspecto 4:3 -cada imagen (cuadro) está formada por 625 líneas -cada cuadro se descompone en dos campos de 312,5 líneas cada uno -la exploración se realiza de forma entrelazada -cada línea contiene un impulso de sincronismo horizontal -cada campo contiene un impulso de sincronismo vertical Parámetros básicos de la señal de vídeo: -frecuencia de cuadro = 25 cuadros por segundo -frecuencia de campo = 50 campos por segundo -frecuencia de línea = 15.625 líneas por segundo (25x625) -duración de un cuadro = 1/25 segundos (0,04 sg. 40 milisegundos) -duración de un campo = 1/50 segundos (0,02 sg. 20 milisegundos) -duración de una línea = 1/15.625 segundos (0,000064 sg) 64 microsegundos En el sistema PAL las cámaras exploran 25 imágenes por segundo. Los receptores de TV deberán trabajar a esa misma velocidad para representar los datos que les llegan de forma que en la pantalla no aparece nunca la imagen completa, sino que en cada momento se ilumina la parte correspondiente a la información que se está recibiendo en ese instante. Con el fin de crear la sensación de imagen completa que sin embargo percibimos intervienen dos factores: de una parte la remanencia de la capa fosforescente que cubre internamente la pantalla y aumenta ligeramente el tiempo que cada dato permanece visualizado y por otra la persistencia retiniana que hace que los datos se sostengan en la retina durante el tiempo necesario para que el cerebro componga una imagen completa. La convención del número de líneas. El número de líneas en que se descompone cada imagen influye directamente en dos parámetros básicos de la señal de televisión: la calidad y grado de detalle de la imagen en el eje vertical y el ancho de banda de la señal. Es evidente que para tener una buena percepción de la imagen, el número de líneas deberá ser suficientemente elevado como para que el sistema visual no sea capaz de distinguir entre la imagen original y la imagen muestreada. A una distancia normal de lectura el número de líneas debe ser el suficiente como para tener una calidad lo más cercana posible a la imagen original. Por otra parte, es conveniente mantener el número 5
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de líneas dentro de unos límites razonables, por cuanto su aumento tiene una incidencia directa sobre el ancho de banda de la señal de TV. Un incremento del número de líneas supone una reducción del tiempo asignado a la información de cada línea, por lo que la cantidad de información a transmitir por segundo y, por tanto, el ancho de banda de la señal, aumenta. Así pues, el número de líneas deberá elegirse como un compromiso adecuado para conseguir una buena calidad en las imágenes reproducidas y a la vez mantener el ancho de banda de la señal dentro de unos límites razonables. En la elección del número de líneas de un sistema de televisión intervienen, entre otras cuestiones, la propia capacidad del sistema visual humano para discernir los detalles en una imagen bajo determinadas condiciones de iluminación. Otro tema importante es la distancia de visionado. (normalmente cuatro veces la diagonal de la pantalla). La selección definitiva del número de líneas de la señal de televisión viene dada por factores definidos por convención y compatibilidad. Para conseguir un perfecto entrelazado entre las dos subimágenes es necesario que el número de líneas sea impar. El segundo factor es que para facilitar los circuitos electrónicos es conveniente que pueda establecerse una relación simple entre el número de líneas y el número de imágenes por segundo. Esta relación simple se traduce en que puedan obtenerse las distintas frecuencias que intervienen en el proceso de exploración de la imagen a partir de un único oscilador global, cuya frecuencia se divide en relaciones enteras simples para obtener las distintas señales de barrido de línea, campo, imagen, etc. Para ello, como justificaremos pronto, es útil que el número de líneas de la imagen pueda expresarse como un producto de números primos cuyos valores absolutos sean relativamente bajos.
En la tabla 1.1 se proporciona la descomposición en números primos de los valores impares comprendidos entre 601 y 649 líneas. Todo este margen de valores proporciona un número de líneas adecuado a la resolución espacial del ojo. Puede observarse que de todos estos candidatos, el valor de 625 es el que tiene una descomposición con unos números primos más bajos, resultando el elegido como el número de líneas en los sistemas de televisión utilizados en Europa. Resolución vertical y horizontal. el ancho de banda.- Definir la frecuencia máxima de la señal de vídeo no resulta fácil. En ella se ven involucrados numerosos condicionantes, como la calidad de los elementos (desde las cámaras del estudio hasta el receptor) o la conexión y el número de operaciones que sufre la señal entre otros. Sin embargo, los distintos estándar normalizan los parámetros de calidad de la señal, incluyendo el ancho de banda y por lo tanto la definición de la imagen enviada. La resolución según el diccionario, es una medida de la habilidad para representar detalles o distinguir entre valores así iguales de una cantidad. En TV la resolución es la medida de la cantidad de detalles sutiles que pueden ser percibidos (resueltos) en la imagen. La resolución de una imagen viene definida por la cantidad de puntos y líneas 6
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que pueden representarse. Las especificaciones de la resolución no tienen nada que ver con el color de la imagen ya que los detalles más finos se presentan en B/N. 4.La televisión digital La diferencia entre una señal analógica y una digital, sea cual sea su origen y finalidad, está en que la primera de ellas es de naturaleza continua y la segunda de ellas es de naturaleza discreta. Esto quiere decir que una señal digital se representa mediante un número concreto de valores mientras que la representación de una señal analógica se hace a través de una función de infinitos puntos. De esta afirmación, la primera conclusión que debemos sacar es que la digitalización de una imagen es una mera aproximación a la señal inicial. 1. Esta es la razón por la que el proceso de digitalización se inicia con un proceso de muestreo de la señal, de esta primera parte dependerá en buena medida la calidad final, ya que cuanto más aproximada sea la muestra, más cercana será la imagen final al original. 2. El siguiente paso en el proceso es la cuantificación de las muestras recogidas, es decir, asociar un valor al dato recogido en la operación de muestreo, que luego se utilizará en la siguiente fase. 3. La tercera y última fase del proceso de digitalización de una señal es la codificación. En esta fase se ordenan todos los valores que hemos asignado en la fase de cuantificación de una manera concreta. El resultado de esta ordenación es la imagen en formato digital, tan sólo hace falta un reproductor que sea capaz de interpretar y mostrar esta información, un reproductor de DVD podría ser este reproductor. El formato digital transforma las variaciones de tensión de la señal de vídeo en código binario. La señal de vídeo analógica presenta una amplitud continuamente variable en el tiempo. En consecuencia, una señal de vídeo analógica tiene una resolución infinita con una claridad de señal teóricamente infinita. Por el contrario, una señal de vídeo digital tiene una resolución y una claridad finita. El vídeo digital se basa en tomar muestras limitadas de señal analógica. Así cuantas más muestras se tomen mejor será el vídeo digital puesto que se parecerá más a la señal de origen. El vídeo digital queda determinado por dos parámetros: -CUANTIFICACIÓN.- o número de niveles discretos en los que se puede descomponer cada una de las muestras. En los sistemas digitales se utiliza un numero de valores discretos finitos mientras que la señal analógica utiliza valores infinitos. Esto quiere decir que cuanto más pequeños sean esos valores más se parecerá la señal digital a la originaria. En digital, la señal básica que se utiliza en la codificación digital es un bit de datos, impulsos que solo tiene la posibilidad de presentarse en dos estados presente (1) o ausente (0). Es decir, sólo se tienen dos valores lógicos: 1 y 0. La calidad de la digitalización o número de valores discretos a cuantificar serán los que se puedan identificar con un número de bits determinado. La ecuación que determina este número de valores discretos en función del número de bits digitalizados es: n N= 2 Siendo N el número de niveles o cuantificaciones discretas y n el número de bits. El sistema de 1 bit tendrá solo dos niveles (0 y 1). 2 bits tendrá cuatro niveles (00,01,10,11), uno de 3 bits 8 niveles (000,001,010,011,100,101,110,111), uno de 4 bits tendrá 16 niveles y así sucesivamente. Si nuestro sistema solo cuantifica pocos niveles de información la diferencia de tensión mínima que reconocerá para evaluarla y luego codificarla no será 7
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muy baja. Una correcta cuantificación sería llegar a obtener 256 niveles distintos de información a partir de 8 bits como mínimo. -FRECUENCIA DE MUESTREO.- Otro factor determinante en el vídeo digital es la FRECUENCIA DE MUESTREO o número de muestras tomadas por unidad de tiempo. La CUANTIFICACIÓN consiste en medir la señal de vídeo en valores discretos lo más pequeños posible. Cuanto mayor sea esa frecuencia mejor será la digitalización. Puesto que para una misma señal se toman más datos que luego servirán para recomponerla. El muestreo mínimo para luego poder recomponer una señal de vídeo es de al menos dos muestras por ciclo. Para definir el sistema de codificación utilizado en procesos de TV se usa un sistema abreviado que consiste en definir con un número la frecuencia de muestreo de la información de luminancia, seguido de dos números correspondientes a a la relación de la frecuencia de muestreo para las señales de diferencia de color. Según este principio estamos ante una codificación 4:2:2 cuando tomamos 4 veces la información de Y de referencia y 2 y 2 para los valores de color R-y y B-y. En el sistema de 4:11 se utilizan cuatro muestras de Y y una por cada vector de color. Una excepción es la regla 4:2:0 en la que el muestreo del Color se hace de línea en línea. (El sistema de muestreo 4:2:2 ha sido adoptado por los formatos de grabación D1, Betacam Digital y D9, entre otros. El formato DVCPro utiliza un muestro de 4:1:1 mientas que el DVCAM utiliza el 4:2:0) En resumen diremos que al plantear al digitalización de la imagen debemos tener en cuanta algunos factores: -cuantas más muestras se tomen mayor será la calidad de la imagen, pero también ocupará más espacio. -para ahorrar espacio podemos tomar menos muestras de Color puesto que la capacidad del ojo en este sentido es limitada. -en la digitalización se omiten la información referida a sincronismos. De hecho y por convención internacional se recomienda omitar en la digitalización los periodos de borrado de línea y campo aplicándose únicamente a los periodos activos de línea, más un pequeño margen de seguridad. Al digitalizar únicamente los trozos de la señal de vídeo activa el periodo de lectura de línea baja de 64 a 53,33 microsegundos (52 más margen de seguridad). También por convención se recogerán 720 muestras de Y y la mitad de C. Estos valores serán comunes a todos los sistemas de TV independientemente de la frecuencia con la que trabajen. -según el teorema Nyquist la frecuencia de muestreo en la digitalización de cualquier señal debe ser mayor del doble de la frecuencia más alta de la señal a digitalizar. (Si la frecuencia de PAL para Y es de 5,5Mhz, su referencia digital estará en torno a los 11 Mhz) Exploración segmentada en TV digital.- Durante el cuadro PAL se captura toda la imagen igual que ocurre en cine. Acto seguido el cuadro se divide en dos semisegmentos, uno contiene las líneas pares y el otro las impares. La adición de ambos semisegmentos da origen al cuadro original. Algunos camascopios digitales capturan la imagen de forma segmentada pero se le llama también progresivo. El modo segmentado es de utilidad para capturar imágenes muy dinámicas que a cámara lenta dan una calidad perfecta. Futuro de nuevas televisiones y combinar con la informática son imágenes además con más facilidad de compresión.
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5.Parámetros eléctricos de la señal de vídeo. Estructura de línea y campo. La codificación de señal 5.1. Estructura de línea y estructura de campo Debido a la complejidad de la señal de vídeo compuesto estudiaremos en primer lugar las componentes por separado. Primero la señal de luminancia y luego la de crominancia. La forma eléctrica de la señal de vídeo contiene unos valores que en su día fueron elegidos por convenio y por lo tanto no tienen una explicación científica rigurosa, sino que fueron adoptados de acuerdo a la tecnología disponible en aquel momento. La representación eléctrica de una señal de vídeo se realiza mediante el valor en voltios de su amplitud; de esta forma al brillo de la escena que incide sobre cada punto del sensor le corresponde un mayor o menor voltaje de forma proporcional a la cantidad de luz que recibe. Sabemos que cuando se lee la información contenida en el sensor se genera una señal eléctrica cuya amplitud en voltios es proporcional al brillo de la escena. Esa señal tiene las siguientes características: 1) El valor nominal de la señal de vídeo es de 1 voltio (de pico a pico), a más amplitud más brillo. 2) El nivel de referencia es de 0 voltios. 3) El nivel de blancos es de 0,7 voltios. 4) El nivel de sincronismos es de -0,3 voltios. De lo anterior podemos deducir que todos los posibles valores de brillo de la escena están contenidos entre el 0 y el 0,7, formando así la escala de grises.
Estructura de línea.- En el eje vertical aparece la escala de voltaje en la que señalamos los niveles de referencia. El negro en el 0 y el blanco en el 0,7, los sincronismos en el -0,3 voltios. En el eje horizontal aparece el diagrama de tiempos. El punto A se denomina "flanco anterior del impulso de sincronismo" y se toma como referencia para todas las medidas de tiempos dentro de una línea. La duración de una línea es de 64 microsegundos (tramo A-A´). El impulso de sincronismo 9
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de línea tiene una duración de 4,7 microsegundos (tramo A-B). Para que los equipos puedan identificar de forma correcta la situación de los impulsos de sincronismo horizontal es necesario disponer a ambos lados del impulso de unas zonas de protección (de guarda), que se conocen como pórticos. El pórtico anterior al impulso de sincronismo (tramo E-A) tiene una duración de 1,5 microsegundos. El pórtico posterior al impulso de sincronismo (tramo B-C) tiene una duración de 5,8 microsegundos. El conjunto de los tres puntos anteriores (los dos pórticós más el impulso de sincronismo) forman el borrado de línea y tiene una duración de 12 microsegundos (tramo E-C). La información de la imagen está contenida en la parte activa de la línea (tramo C-D) que tiene una duración de 52 microsegundos -64 microsegundos del periodo de línea menos 12 de borrado-. Es decir, el tiempo que tarda en leerse una línea es de 64 microsegundos. En ese tiempo, cada línea tiene un periodo de información de vídeo activa de 52 microsegundos y un periodo de borrado de 12 microsegundos. De esta forma tenemos perfectamente definida una línea de vídeo, tanto en su amplitud (escala vertical de voltajes) como en su duración (escala horizontal de tiempo). Conviene recordar que los valores anteriormente citados fueron definidos arbitrariamente y que todos los equipos deben cumplirlos para poder trabajar de forma uniforme.
Estructura de campo.- Recordemos que la imagen de vídeo se divide en dos campos de 312,5 líneas cada uno. Cada cuadro presenta una estructura secuencial compuesta por tres grupos de señales. Cada grupo está a su vez formado por 5 estímulos que ocupan media línea de cada uno. Así, cada secuencia ocupa 2,5 líneas y el impulso total 7,5. 1. La primera secuencia, denominada impulsos preigualadores (preecualizadores) está constituida por cinco impulsos de media línea cada uno. Se ubica en las últimas 25 líneas del campo anterior. Su cometido es poner al oscilador en fase para recibir el impulso vertical, que indicará el momento en el que empieza un nuevo campo. 10
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2. La segunda secuencia de impulsos es la llamada impulso vertical constituida también por 5 impulsos de media línea cada uno. Se ubica al comienzo de cada campo e indica el cambio de éste. 3. La tercera secuencia, denominada impulsos postigualadores (posecualizadores) análogos a los preigualadores se ubican a continuación del impulso vertical. El periodo de borrado implica 25 líneas y hasta ahora no hemos ocupado nada más que 7,5. El resto hasta completar 25 está formado por líneas sin información visual. Son utilizadas para el reconocimiento de equipos, el teletexto o el código de tiempos. El punto A (comienza la línea 1) se toma como referencia para las líneas de campo. El tramo A-B (que ocupa 2,5 líneas) contiene los impulso de sincronismo vertical cuya misión es identificar el comienzo de un nuevo campo (habrá entonces 5 por cuadro). Los tramos D-A y B-C (que ocupan 2,5 líneas cada uno) contienen los impulsos de ecualización y su misión es permitir una correcta identificación del sincronismo vertical (de la misma forma actúan los pórticos anterior y posterior dentro de una línea). El tramo D-E se denomina borrado de campo y ocupa 25 líneas (no contiene información de imagen). La situación de sincronización se repite tanto en el campo1 como en el campo2. Las líneas comprendidas entre la mitad de la línea 623 y la mitad de la 23 del campo 1 (y entre la 311 y 335 del campo 2) están vacías y se reservan para otras aplicaciones (señalización, medidas, teletexto...) Todos los equipos que manejan la señal de video deben tener en cuenta los criterios de sincronización de campo que acabamos de ver para poder trabajar de forma compatible. 5.2. ¿Qué son los sincronismos? Cada línea incorpora una serie de sincronismos que indican a la cámara y al receptor como ha de producirse la lectura de la imagen. Debe ser exactamente igual en ambos casos. El sincronismo HORIZONTAL regula la exploración de izquierda a derecha de cada línea. El sincronismo VERTICAL regula el barrido de arriba a abajo en cada campo. Los impulsos de borrado horizontal y borrado vertical evitan que se produzca lecturas añadidas en los retornos de línea y campo respectivamente. En los retornos de línea y campo el hz de electrones no tendrá energía y por lo tanto no se producen lecturas. Los sincronismos tienen su nivel a -0,3 voltios por debajo del nivel de negros. Así no interferirá a la parte de señal utilizada para imagen. La señal de vídeo completa; imagen, sincornismo y borrado se conoce como FBAS (siglas alemanas). 6. La codificación del color Hasta ahora solo hemos hablado de luminancia y no de color. Para hablar del color hay que recordar que se puede reproducir el color de cualquier objeto conociendo las cantidades que contiene de los tres colores primarios: rojo - verde – azul. Para transmitir imágenes en color, es necesario enviar la información RGB que hay en cada punto de información Esto nos llevaría a construir una TV simultánea, pero el receptor tendría que recibir mucha más información y la imagen no se vería en los de B/N. Otra solución sería transmitir la información de una manera secuencial, es decir, primero un campo con la información de rojo, otro de verde y otro de azul. Esta solución si bien respeta la cantidad de información presenta parpadeo y tampoco es compatible. La solución está en mantener la señal de luminancia y superponer la información de color, de modo que ni se aumente el ancho de banda ni se altere la recepción en receptores de B/N. 11
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Es necesario transmitir unas señales de información en color tales que, en ausencia de estas, la información se anule quedando solo la luminancia. Este problema se resuelve transmitiendo la señal por componentes. Es decir Luminancia + Crominancia. Para llegar a conformar la señal de crominancia que añadiremos a la correspondiente señal de B/N hemos de recorrer un largo camino que se inicia a partir de las componentes fundamentales de los colores rojo, verde y azul. El ojo humano contiene elementos captadores de luminosidad (bastones) y de cromaticidad (conos). Al poseer costumbres mayoritariamente diurnas el número de bastones es mucho mayor que el de conos, por lo que somos capaces de ver mejor las alteraciones de luz que las de color. Dado las limitaciones del ojo humano la señal de vídeo se puede permitir licencias. Otro condicionantes desde el punto de vista fisiológico es la falta de linealidad del ojo humano. La intensidad con la que percibimos los colores no es uniforme y depende en gran medida del color del que se trate. Así, cuando percibimos un color verde, centrado en el espectro, recibimos más cantidad de información que en la percepción del resto de colores primarios. Si consideramos únicamente las componentes fundamentales de rojo verde y azul, encontraremos que la información de luminosidad, es decir, la cantidad de blanco que posee cada punto de imagen, estará formada por la suma de los colores primarios. Para que esta suma sea la correcta se deberá aplicar cada componente en la misma proporción en que el ojo la visualiza. Por las leyes de la tricomía sabemos que la luminancia está ligada a las cantidades de luz roja verde y azul según la siguiente ecuación, que llamaremos la ecuación de Luminancia.
Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B De los CCD de una cámara en color podemos obtener esta información y transmitirla, tanto para receptores en color como en B/N, como información de luminancia en cada punto. Es necesario transmitir una señales para la información en color tales que, en ausencia de éstas (tonos grises) la información se anule quedando sólo la información de luminancia. Los receptores en color precisan además algún dato que les permita distribuir esta información para reconocer el color de ese punto. Para transmitir la crominancia necesitamos una señal subportadora de color con la que construir la información y se decodifica a partir de los siguientes vectores. Y= Luminancia B-Y = Azul - Luminancia = U R-Y = Rojo - Luminancia = V La razón para elegir R-Y y B-Y como señales de color se debe a que su valor es igual a 0 cuando la imagen transmitida es acromática. Las dos componentes de color se denominan U y V. No es necesario transmitir la correspondiente al verde porque va implícita. Así, G = Y - R – B. Podríamos tomar G-Y en lugar de B-Y o de R-Y; pero no lo hacemos porque en ellas, las tensiones obtenidas son mayores (en valores absolutos) que con ésta, con lo que el sistema está más protegido contra las interferencias y el ruido. El sistema PAL, codifica las señales Y, U, V de la siguiente manera: -la señal Y (luminancia) se transmite igual que en la señal de B/N -las señales U y V (crominancia) se transmiten utilizando una subportadora de color Mediante un proceso de modulación de una señal eléctrica conseguimos obtener una nueva señal (separada en frecuencia de la original) en cuyo interior está contenida la información que transportaba la señal original.
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En el sistema PAL se recurre, para la transmisión de las señales de color a aunar las dos señales a través de una modulación en cuadratura. En esta operación se utilizan moduladores de amplitud independientes para cada señal diferencia de color pero manteniendo una generación de la señal portadora de la modulación común. Esta señal portadora se aplicará al modulador de B-Y directamente y al de R-Y con un desfase añadido de 90º. Es decir, en nuestro sistema de TV en color disponemos de una señal auxiliar que llamamos subportadora dentro de la cual está contenida la información de color de U y V con un desfase añadido de 90º. Dado que la información del color se transmite por medio de dos magnitudes U y V, podemos representar en un plano de vectores los colores dependiendo de la cantidad de uno y otro que tengan. Antes de hacerlo debemos saber que la señal U (U = B-Y) se transmite cambiada de signo. Y lo más importante del sistema PAL es que la referncia en el modulador de la señal V (V = R-Y) se cambia en líneas alternas entre 90 y -90º. Basándose en el cambio de fase de referencia se consigue que los errores en la transmisión que afectan al tono de color (a la fase) se transformen en errores de saturación que son más tolerables. Dicha operación provoca que las dos señales moduladas se mantengan siempre perpendiculares entre sí. Una vez realizada la modulación se obtiene un sistema de vectores para cada uno de los posibles colores que se pueden representar. Este tipo de representación vectorial es especialmente útil para ajustar los equipos de vídeo utilizando medidores al uso. Primero, diremos que un modulador es un circuito electrónico en el que entran dos tipos de señales para salir una sola que será mezcla de ambas. Estas dos señales reciben el nombre de señal modulante y portadora (ó subportadora). La Modulación en cuadratura es un artificio para introducir dos informaciones o señales modulantes (R-Y, y B-Y), sobre una única subportadora que, para el sistema PAL, es de 4'43 Megahercios (MHz). Decimos que una señal modulante (B-Y o R-Y) modula a una portadora (4'43MHz) cuando alguna característica de ésta se ve afectada por la señal modulante. En el caso de la Modulación en amplitud, ocurre que la amplitud de la portadora modulada es, en cada instante, proporcional a la amplitud en ese instante de la señal modulante. Si la subportadora empleada en este modulador tiene una fase de 0º, a la salida de éste, tendremos un vector en fase 0º cuya amplitud depende, en cada momento, de la amplitud 13
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de la señal modulante (B-Y). Este vector obtenido es denominado vector U. Para modular la otra parte de la información, la señal R-Y, podríamos emplear otra portadora; pero se ha visto que eso aumenta mucho el patrón de interferencia. Por ello, NTSC y PAL emplean la misma portadora desfasada 90º respecto a B-Y. El resultado de esta modulación es una señal, el vector V, que está desfasado 90º respecto al vector U, y cuya amplitud depende en cada instante del valor de la señal R-Y. A las señales diferencia de color, una vez moduladas, se les asignan las letras U y V para su identificación. En realidad si sumásemos directamente los dos vectores diferencia de color, obtendríamos una resultante que podría exceder los límites tolerables de amplitud. Por ello, se recurre a modificar las señales diferencia de color en la modulaciónd de forma que dichas señales serán ponderadas con el fin de reducir su nivel. Así, los valores definidos por esas señales serán: U= 0,49 (B-Y) V= 0,87 (R-Y) Una vez modificados los vectores se suman generando una señal única que denominamos crominancia y que contiene toda la información necesaria para representar el color de la escena. Para cada punto de la imagen se producirá un vector instántaneo de crominancia cuya fase corresponderá al matiz del color mientras que el módulo tendrá que ver con la saturación del color aplicado. Hemos de observar que tanto la amplitud del vector U como la del V serán mayores cuanto mayor sea la cantidad de color que presenta la señal. Y que la amplitud de ambos es cero cuando la señal no presenta color (tonos grises por ejemplo). La suma de ambas señales (vectores), nos da el vector de crominancia que contiene toda la información del color. La amplitud de éste indica la Saturación, y su ángulo (fase) el Tono del color. La señal de crominancia entonces será de una frecuencia fija pero con cambios de fase para cada color representado en la pantalla y se añadirá a la señal de luminancia que teníamos originariamente. Simultáneamente se deberá incluir en cada línea un sincronismo de color que marque la referencia común de fase para la correcta demodulación de los colores por parte del receptor. Este sincronismo que hemos dicho se llama burst .
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Debido al tipo de modulación utilizada para transmitir la señal de crominancia, -modulación en cuadratura-, resulta imprescindible que el receptor de color disponga de una señal de referencia de color para su correcta sincronización. Además, dado que trabajamos en PAL, la señal de referencia deberá indicar también el estado de conmutación del sistema. A esa señal de referencia se la denomina BURST o salva de color y se envía al comienzo de cada línea. La salva de color consiste en una ráfaga de subportadora de color sin modular de diez ciclos de duración enviada al comienzo de cada línea después del impulso de cada línea de la cual el decodificador PAL obtiene la información necesaria sobre la frecuencia subportadora y la conmutación PAL. El periodo del Burst es de 2,25 microsegundos. Lleva fase positiva 90º cuando el vector V tiene fase positiva y fase negativa de -90º cuando el vector lleva fase negativa. El brust indica al oscilador local del recpetor, encargado de regenerar la portadora cuando ha de hacer la inversión del eje. Su información es necesaria incluso en el periodo de borrado de campo, al objeto de que el oscilador local del receptor esté sincronizado antes de comenzar cada semiimagen. Por ello, aunque el periodo de borrado de campo contiene 25 líneas, la salva solo desaparece en las nueve primeras. De ese modo cuando comienza la semiimagen, el oscilador local ya se encuentra en fase. La salva se posiciona mediante un impulso, el impulso K o posicionador de la salva. 7. Instrumentos de medida El control de imagen sirve para el ajuste técnico, es decir, para la supervisión de la calidad de la señal además de su sincronización. En una sala de control, los monitores rara vez proporcionan una referencia absoluta a la hora de tomar decisiones. Además del monitor de programa que sirve para evaluar la señal maestra de salida del mezclador, cada cámara tiene su propio monitor para que el control sea más exhaustivo. En el mismo panel se encuentran los aparatos de medida vectorscopio y osciloscopio que 15
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proporcionan un control menos subjetivo que el ojo humano. Básicamente, el osciloscopio sirve para controlar el nivel de señal. Con él la imagen se puede explorar sobre uno o dos campos completos y observar si los sincronismos son correctos. Aunque incluye información sobre la porción de crominancia de la señal, fundamentalmente se aprecia la luminancia. Por su parte, el vectorscopio realiza una representación polar de la crominancia. Se utiliza para indicar el tono y la saturación de los tres colores primarios y sus complementarios. Los dos están diseñados para presentar la señal de vídeo en forma de exploración lineal. Ninguno de los dos cambia o modifica la señal. En su lugar lo que permite es visualizar esa señal de tal forma que desde la CCU o de otra forma sea corregida. 7.1. osciloscopio (monitor en forma de onda) El monitor de forma de onda es un equipo preparado para presentar la señal de vídeo en su nivel estandarizado de 1 voltio de pico a pico sobre una carga de 75 ohmios. Como ya vimos al estudiar la estructura de la señal de vídeo, la imagen está formada por líneas cuyo período activo tiene una tensión que fluctúa desde 0 voltios para el negro, hasta 0'7 voltios para el blanco de acuerdo con la luminosidad de la misma. A esta información se le suma una subportadora de color (crominancia), cuya fase lleva el tono del color y cuya amplitud indica la saturación. También vimos que se reserva una tensión en negativo, en el supernegro de -0,3, voltios para el sincronismo de líneas y cuadro. Es evidente que cualquier perturbación en el dominio de la electrónica que afecte a la señal puede variar el brillo, tono o saturación y por tanto, la imagen resultante. Por ello a nivel de operación y de ingeniería se mantiene una estrecha vigilancia sobre la señal de vídeo para evitar la aparición de distorsiones, o procurar al menos que éstas se mantengan dentro de límites tolerables. En todo punto en el que la señal de vídeo se someta a un proceso electrónico (mezcla, grabación, etc.), se ejercerá un control de medida de niveles y parámetros de calidad. Existen dos grandes tipos de medidas: a.- Operativas de carácter rutinario. b.- De control de calidad de ingeniería. Las de control de calidad de ingeniería son propias de una estación terminal de gran recorrido (Eurovisión, enlaces, satélite...). Involucran la evaluación de parámetros de calidad realizados por personal especializado con equipos complejos. Las operativas de carácter rutinario se ejercen en cada punto donde existe un operador técnico. Son medidas de señal en osciloscopio, pruebas de transmisión o grabación de barras de color y su observación en el vectorscopio, y una evaluación subjetiva de la señal de color en un monitor calibrado. La forma de onda de una imagen de TV comprende dos partes: 16
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1.- La imagen por encima de los 0 voltios. 2.- Los sincronismos por debajo de 0 voltios. Para la medida de dichos niveles, la retícula del osciloscopio (placa transparente que se coloca en el frontal del monitor) viene calibrada en unidades IRE. De 40 a 120 unidades IRE en un lateral y de 100 a 0% en otro. 100 unidades IRE equivalen a 0'7 voltios. Por tanto, 40 unidades IRE equivalen a 0'3 voltios y 140 a 1 voltio, una relación impuesta por el Instituto de Ingenieros Eléctricos de USA. El Burst de color tiene una amplitud pico a pico de 40 IRES (0'3 voltios) centrado en el nivel de negro y va de -20 a 20 unidades IRE o lo que es lo mismo de -0,15 voltios a +0,15 voltios. Toda imagen completa de 625 líneas es normal que posea al menos un punto blanco de 0'7 voltios. Esto da al ojo la referencia que necesita para la extrapolación de la escala de grises. Niveles normales de vídeo: -sincronismo: -0,3 voltios (-40 a 0 unidades IRE) -salva de color(burst): -0,15 voltios a + 0,15 voltios (-20 a 20 unidades IRE) -borrado: 0 voltios (0 unidades IRE) -pedestal o nivel de negros: (7,5 unidades IRE) -blanco al 100% y nivel de recorte: 0,7 voltios (100 unidades IRE) El monitor forma de onda se lee igual que una gráfica, usando los números pequeños y la escala marcados en la pantalla; ésta muestra la imagen y la sincronía en términos de niveles de señal. Las partes blancas de la imagen son las partes intensas de la señal de video y deben aparecer en la parte superior de la escala. Las partes oscuras son las señales débiles y deben aparecer en la parte inferior de la escala (cerca del nivel de cero IRE). 7.2. vectorscopio (monitor de vectores de color) La representación gráfica del vectorscopio es circular con los colores acromáticos (blanco y negro) en el centro. La salva de color burst queda representada por las líneas trazadas en la zona central. Es un osciloscopio que realiza una representación polar de la crominancia. Se utiliza para indicar la fase relativa (tono) y la amplitud (saturación) de las barras de color UER, mediante seis vectores correspondientes a los tres colores primarios y sus colores complementarios. Cada vector de color (crominancia) tiene dos componentes: U y V; la primera en la dirección del eje B-Y (0º), y la segunda en la dirección R-Y (90/270º alternando línea a línea). Cuando los colores de las barras tienen el tono y la saturación correctos, sus ángulos y amplitudes también lo son; entonces los vectores caen dentro de los pequeños rectángulos de la gratícula del vectorscopio. Cualquier alteración de estos parámetros para uno o varios colores se detecta en este equipo en forma de corrimientos de tono o/y saturación. La posición de un color respecto a la salva de color o burst indica las variaciones de tono. 17
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Debido a la interpretación electrínica de la deriva el tono también se denomina fase. La señal de salva de color que es la referencia de todos los colores se representa en NTSC como una línea corta que va desde el centro a la izquierda (180º) y en PAL como dos líneas cortas a 45º del segundo y tercer cuadrante. El centro del vectorscopio indica la ausencia de color o la gama de grises. La separación del centro indica un aumento de la amplitud de la señal de crominancia lo que se percibe como un aumento de saturación o croma. Todos los vectorscopios tienen indicaciones sobre su retícula que representan las tolerancias de los colores de barras. Cada color se indica con una cajita rectangular (tolerancia mayor) con otras cajitas rectangulares más pequeñas dentro de ella (tolerancia fina). Cuando las barras de color se presentan en el vectorscopio cada color debería aparecer dentro de esa cajita o muy próximo a ella. Si los vectores caen alejados de esas cajas la amplitud de la señal de crominancia será demasiado grande y si cae cerca demasiado bajo. En el sistema PAL, cada color aparecerá dos veces en la carátula del vectorscopio una por encima del eje X y otra por debajo como un espejo. Se pone así debido a la alternancia de fase de la subportadora. Las barras de color es una señal de prueba que se graba siempre al comienzo de cada cinta. Al reproducir la cinta el operador con ayuda del vectorscopio verifica sobre la zona de barras la colorimetría de la grabación, los vectores de los colores deben coincidir con las cajas de la caráctula. La amplitud de los vectores indica la saturación de los colores, si los vectores no llegan a las cajas tendremos un problema con los colores pálidos y será necesario ajustar el nivel de crominancia para que los colores sean los verdaderos.
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