POLITEXT EDICIONSUPCFrancesc Tarrs RuizSistemas audiovisuales1 - Televisin analgica y digitalPrimera edicin: junio de 2000Diseo de la cubierta:Manuel Andreu Francesc Tarrs, 2000 Edicions UPC, 2000Edicions de la Universitat Politcnica de Catalunya, SLJordi Girona Salgado 31, 08034 BarcelonaTel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885Edicions Virtuals: www.edicionsupc.esE-mail: edicions-upc@upc.esProduccin: CPET (Centre de Publicacions del Campus Nord)La Cup. Gran Capit s/n, 08034 BarcelonaDepsito legal: B-30.958-2000ISBN: 84-8301-393-2ISBN Obra completa: 84-8301-401-7Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorizacin escrita de los titulares del copyright, bajo las san-ciones establecidas en las leyes, la reproduccin total o parcial de esta obra por cualquier medio o pro-cedimiento, comprendidos la reprografa y el tratamiento informtico, y la distribucin de ejemplares deella mediante alquiler o prstamo pblicos.Presentacin7 Presentacin Lossistemasdecomunicacinaudiovisualhanexperimentado,desdelosiniciosdelatelevisinen blanco y negro, una constante evolucin tecnolgica encaminada a mejorar tanto la calidad como la cantidad de los servicios. No obstante, debe tenerse en cuenta que el elevado nmero de usuarios y el costedelosequiposterminalessuponenunaconsiderableinerciacomercialqueplanteaserias dificultadesalaintroduccindenuevossistemas.Porello,laevolucintecnolgicacasisiempre se realiza de forma progresiva, manteniendo cierto grado de compatibilidad con los sistemas precedentes e introduciendo de forma paulatina mejoras y servicios adicionales. La introduccin de informacin de colorcompatibleconlossistemasenblancoynegroolaadicindecanalesdeaudioestereofnico constituyen claros ejemplos de esta evolucin progresiva. Ms recientemente, la rpida implantacin de la televisin digital por va satlite se ha obtenido sin que ello suponga un coste excesivo para el usuario,decodificandolasealdigitalenelextremoreceptoryconvirtindolaalosformatos analgicos convencionales, para los que ya estaban preparados los equipos reproductores. Tambin de formaprogresiva,seestnintroduciendonuevosreceptoresqueadmitentantoentradasanalgicas como digitales. Esto significa que, al menos durante cierto tiempo, coexistirn los formatos analgicos y los digitales a los que, seguramente, se incorporaran nuevas caractersticas como la alta definicin, los canales de retorno para interactuar con el usuario, el acceso a servicios audiovisuales o multimedia a travs de internet, etc. Aunque en un futuro prximo es probable que dejen de transmitirse seales de televisin analgicas, los receptores debern seguir manteniendo stos formatos para proporcionar cierto grado de compatibilidad con los reproductores de VHS, cmaras de vdeo y otros equipos que actualmente se disponen y que el usuario desear mantener. Este texto pretende proporcionar una perspectiva general de los principios tecnolgicos en los que se basanlossistemasdecomunicacinaudiovisual,teniendoencuentalosprincipalesformatos analgicos y digitales que actualmente comparten el mercado de equipos y sistemas no profesionales. Debidoalaextensinycomplejidaddealgunostemas,hemosconsideradooportunodividirlos contenidos en dos volmenes que pueden seguirse de forma totalmente autnoma e independiente. En ste primer volumen se tratarn nicamente los aspectos relacionados con la captura, el tratamiento y la transmisin de las imgenes, centrndonos principalmente en los sistemas de televisin analgica y digital y en las cmaras de vdeo. En un segundo volumen se desarrollarn los sistemas de audio y las comunicacionesaudiovisualesensistemasoredesinformticas. Aunque los contenidos se agrupan, principalmente, en torno a las aplicaciones de televisin (audio y vdeo) y la codificacin de vdeo en sistemasinformticos,losconceptosexpuestossonvlidosygeneralizablesaotrosformatos Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.8Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital audiovisuales domsticos como el DVD (Digital Versatile Disc), el Minidisc, los reproductores MP3, lossistemasdevideoconferenciaporinternetoRDSI,etc.Encualquiercaso,entodomomentose proporcionar informacin detallada de los aspectos comunes y las diferencias ms significativas entre los formatos ms conocidos. Elprimercaptuloesunaintroduccingeneralalossistemasdecomunicacinvisualenlaquese desglosanlasetapasnecesariasparaconvertirunaescenarealenunasealquerepresentela informacin contenida en esa escena. Para ello, se describen las principales caractersticas del sistema visual humano, que nos permiten discernir aquellos parmetros fsicos que realmente contribuyen en lapercepcindelaescenadelosquenoaportaninformacinsignificativa.Todosloselementos desarrolladosenesteprimertemapuedenconsiderarsebsicosyseaplicantantoalossistemas analgicoscomoalosdigitales.Seexaminan con detalle aspectos diversos como la descomposicin en componentes de color RGB, la transmisin de la informacin mediante componentes de luminancia ysealesdiferenciadecolor,elnmerodeimgenesporsegundo,lossistemasentrelazadosyno entrelazados,lasrelacionesdeaspectodelapantalla,elnmero de lneas, el ancho de banda de las sealesylosprincipiosdelatelevisinanalgicaydigital.Seincluyennumerosasreferencias histricas y tecnolgicas con el objetivo de justificar la procedencia de los parmetros ms habituales en los sistemas de televisin. Lossistemasdetelevisinanalgicossedesarrollanenlosdoscaptulossiguientes.Elprimerose dedica a los sistemas en blanco y negro, prestando especial atencin a las seales de sincronismo y a los principios de representacin de imgenes mediante tubos de rayos catdicos. Tambin se analizan, a nivel de diagrama de bloques, los subsistemas del receptor dedicados a recuperar la informacin de sincronismo a partir de la seal de vdeo compuesto. El estudio de los sistemas de color compatibles secentraenladescripcindelNTSCyelPAL.Enamboscasossepresentanabundantes justificacionesanalticasquepuedenobviarsesinqueseproduzcaunaprdidadecontinuidad en la comprensin de los aspectos ms tecnolgicos. Latelevisindigitalylosprincipiosdecompresindeimgenessedescribenenelcaptulo4.El lector interesado exclusivamente en los sistemas digitales puede abordar directamente este tema, en el que slo se utilizan los elementos y conceptos desarrollados en el primer captulo. El estudio incluye un anlisis exhaustivo de las diferentes alternativas para la compresin de imgenes con prdidas y sin prdidas.SedescribenlaspeculiaridadesdelestndarJPEGparalacompresindeimgenes estacionarias y se profundiza en los estndares MPEG-1 y MPEG-2 para las secuencias de imgenes en movimiento. La parte final se dedica al estndar DVB, que define la transmisin de televisin en formato digital. Elltimocaptulosededicaalascmarasdevdeo.Seproporcionanloselementosdeptica geomtricanecesariosparacomprenderlosconceptosdeenfoque,zoomylasrelacionesentreiris, obturadoryprofundidaddecampo.Tambin se describen las principales unidades fotomtricas y se presentan los principios fsicos de los sensores CCD para la captura de imgenes. Barcelona, abril de 2000 Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.ndice9 ndice 1Elementos bsicos de los sistemas de comunicacin visual 1.1Introduccin................................................................................................................. 15 1.2Cadena bsica de un sistema de comunicacin visual .................................................... 16 1.3De la escena a la seal de televisin.............................................................................. 19 1.4Componentes de color RGB......................................................................................... 21 1.4.1La luz y el color.............................................................................................. 21 1.4.2Percepcin del color en el sistema visual humano............................................ 24 1.4.3El ojo humano ................................................................................................ 25 1.4.4Clulas sensibles: conos y bastones................................................................. 26 1.4.5Estmulos de los fotorreceptores: sensacin de color........................................ 31 1.4.6Tradas RGB en displays de TV...................................................................... 32 1.4.7Sistemas de coordenadas para la representacin del color:principios de colorimetra............................................................................. 33 1.4.8Normalizacin de las coordenadas de color: coeficientes triestmulo................ 35 1.4.9Cambio de sistemas de coordenadas................................................................ 35 1.4.10Sistema de coordenadas con primarios monocromticos.................................. 36 1.4.11Sistema de coordenadas basado en los fsforos del receptor NTSC.................. 37 1.4.12Tringulo de Maxwell y diagrama cromtico................................................... 39 1.4.13Representacin grfica de la mezcla de colores ............................................... 41 1.4.14Situacin de los colores en el tringulo de Maxwell y enel diagrama de cromaticidad......................................................................... 43 1.4.15Algunos comentarios sobre la representacin grfica de los colores ................. 48 1.4.16La seal de luminancia ................................................................................... 50 1.4.17Sistemas de coordenadas XYZ......................................................................... 52 1.4.18Obtencin de las componentes do color: filtros dicroicos................................. 55 1.4.19Transmisin de la informacin de color: seales diferencia de color ................ 57 1.5Proyeccin de las escenas en el plano de imagen........................................................... 64 1.5.1Sistemas para la representacin de imgenes 3D ............................................. 65 1.5.2Mecanismos de visin tridimensional.............................................................. 66 1.5.3Sistemas estereoscpicos ................................................................................ 70 1.5.4Sistemas autoestereoscpicos.......................................................................... 77 1.5.5Displays volumtricos .................................................................................... 82 1.5.6Hologramas y displays hologrficos................................................................ 85 Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.10Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital 1.6 Limitacin de la imagen: tamao del sensor y relacin de aspecto................................. 89 1.7Muestreo temporal de las imgenes .............................................................................. 98 1.7.1 Un poco de historia: del Phenakistoscope al Cinmatographe..................... 100 1.7.2 La persistencia, el parpadeo y el fenmeno phi ........................................... 102 1.7.3 Frecuencia de imagen................................................................................. 104 1.7.4 Aliasing temporal en las imgenes.............................................................. 102 1.8Muestreo espacial de las imgenes: filas ..................................................................... 108 1.8.1Antecedentes de la televisin...................................................................... 112 1.8.2Nmero de lneas ....................................................................................... 116 1.8.3Agudeza visual .......................................................................................... 117 1.8.4Distancia de visionado ............................................................................... 119 1.8.5Nmero mnimo de lneas .......................................................................... 120 1.8.6Seleccin del nmero de lneas................................................................... 121 1.8.7Nmero de lneas en los sistemas de alta definicin .................................... 123 1.8.8Entrelazado de las imgenes....................................................................... 123 1.8.9Problemas derivados del entrelazado de las imgenes ................................. 127 1.8.10Insercin de seales de sincronismo en la seal de televisin ...................... 127 1.8.11Exploracin entrelazada de las imgenes en la cmara ................................ 129 1.8.12Receptores de 100 Hz................................................................................. 130 1.8.12Ancho de banda aproximado de la seal de televisin ................................. 132 1.8.14Resolucin y factor de resolucin en un sistema de televisin ..................... 137 1.8.15Insercin de la informacin de color........................................................... 140 1.8.16Sistemas de vdeo en componentes ............................................................. 141 1.8.17Sistemas de vdeo compuesto ..................................................................... 143 1.9Muestreo espacial de las imgenes: filas y columnas................................................... 145 1.9.1Conceptos bsicos...................................................................................... 145 1.9.2Sistemas de adquisicin.............................................................................. 149 1.9.3Formatos de televisin digital ..................................................................... 150 2La seal de televisin en blanco y negro 2.1Introduccin............................................................................................................... 159 2.2Principios de funcionamiento del tubo de rayos catdicos ........................................... 160 2.2.1Ctodo, filamento y rejilla.......................................................................... 160 2.2.2 Rejillas de aceleracin y enfoque................................................................ 161 2.2.3 Deflexin del haz....................................................................................... 161 2.2.4 Pantalla...................................................................................................... 162 2.2.5 Forma del raster ........................................................................................ 162 2.2.6 Modulacin del haz mediante la seal de luminancia .................................. 162 2.2.7 Principio de funcionamiento de los tubos de color ...................................... 164 2.3Correccin gamma ..................................................................................................... 167 2.4 Seales de deflexin del haz....................................................................................... 170 2.4.1Caso ideal .................................................................................................. 170 2.4.2Seales de deflexin del haz: aproximacin al caso real .............................. 171 2.5Sincronismo de lnea.................................................................................................. 173 Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.ndice11 2.6Sincronismo de campo ............................................................................................... 180 2.6.1Sincronizacin de los generadores de barrido vertical ................................. 188 2.7Espectro de la seal de televisin en blanco y negro.................................................... 190 3 La seal de televisin en color: sistemas compatibles 3.1Introduccin............................................................................................................... 197 3.2 Las seales de color en los sistemas NTSC y PAL...................................................... 198 3.2.1Seales diferencia de color en el NTSC y PAL ........................................... 199 3.2.2Modulacin de las seales diferencia de color en los sistemasNTSC y PAL............................................................................................. 207 3.3El sistema NTSC........................................................................................................ 209 3.3.1Seleccin de la frecuencia portadora de la seal de croma........................... 209 3.3.2Patrones de interferencia en el sistema NTSC............................................. 213 3.3.3Modificacin de la frecuencia de imagen.................................................... 219 3.3.4Demodulacin de las componentes I y Q: caso ideal ................................... 222 3.3.5Demodulacin con errores de fase .............................................................. 224 3.3.6Insercin de la salva de la portadora de color .............................................. 225 3.3.7Demodulacin de las componentes de color: banda lateral superiorvestigial ..................................................................................................... 228 3.3.8Demodulacin directa de las componentes U y V........................................ 233 3.3.9Diagrama de bloques de un codificador NTSC............................................ 235 3.3.10Diagrama de bloques del decodificador NTSC............................................ 238 3.3.11Separacin de las seales de luminancia y croma........................................ 239 3.3.12Regeneracin de la portadora de color ........................................................ 246 3.3.13Problemas del sistema NTSC ..................................................................... 247 3.4El sistema PAL.......................................................................................................... 250 3.4.1Correccin de la fase mediante la inversin de una de lascomponentes de croma............................................................................... 250 3.4.2Diagrama de bloques de un decodificador de croma en PAL-S.................... 252 3.4.3Diagrama de bloques de un decodificador de croma en PAL-D................... 253 3.4.4Seleccin de la frecuencia portadora de color.............................................. 258 3.4.5Espectro de la seal PAL............................................................................ 262 3.4.6Generacin de sincronismos en el sistema PAL .......................................... 264 3.4.7La seal de salva en el sistema PAL ........................................................... 265 3.4.8Diagramas de bloques de un codificador y un decodificador PAL ............... 267 3.5Normas utilizadas en la transmisin de seales de TV analgicas en color................... 268 4Televisin digital 4.1Introduccin............................................................................................................... 273 4.2Compresin de imgenes: necesidad y conceptos bsicos............................................ 276 4.3Medida de la informacin de una fuente ..................................................................... 284 4.3.1Entropa de una fuente de mensajes ............................................................ 286 4.4Cdigos de longitud variable ...................................................................................... 287 Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.12Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital 4.4.1Cdigos de Huffman................................................................................... 288 4.4.2Modificaciones del cdigo de Huffman....................................................... 291 4.5Otros tipos de cdigos................................................................................................ 293 4.5.1Codificacin por longitud de series (Run Length Encoding-RLE)................ 293 4.5.2Codificacin LZW..................................................................................... 294 4.5.3Codificacin aritmtica .............................................................................. 295 4.6Codificacin y predictores.......................................................................................... 296 4.7La transformada coseno discreta................................................................................. 298 4.7.1Definicin de la transformada coseno unidimensional................................. 301 4.7.2Extensin de la transformada coseno a dos dimensiones ............................. 305 4.7.3Codificacin por zonas............................................................................... 311 4.7.4Codificacin por umbral............................................................................. 313 4.8Codificacin de imgenes estacionarias: el estndar JPEG.......................................... 314 4.8.1JPEG: modo secuencial base (baseline) ...................................................... 316 4.8.2Codificacin de imgenes con mltiples componentes ................................ 324 4.8.3Modo progresivo........................................................................................ 325 4.8.4Calidades subjetivas obtenidas con el JPEG................................................ 327 4.9Codificacin de secuencias de vdeo: MPEG.............................................................. 329 4.9.1Uso de la redundancia temporal para la compresin de vdeo...................... 332 4.9.2Compensacin de movimiento.................................................................... 335 4.9.3Algoritmos para la estimacin de los vectores de movimiento..................... 340 4.9.4Tipos de imgenes en el MPEG.................................................................. 347 4.9.5Orden de transmisin de las imgenes ........................................................ 349 4.9.6Algunos ejemplos con secuencias y codificadores ideales ........................... 351 4.9.7Diagramas generales del proceso de codificacin ydecodificacin de imgenes........................................................................ 352 4.9.8Estructura jerrquica de la trama MPEG..................................................... 354 4.9.9Algunos detalles sobre la codificacin de las imgenes del tipo I................. 355 4.9.10Algunos detalles sobre la codificacin de las imgenes del tipo P................ 357 4.9.11Detalles sobre la codificacin de las imgenes del tipo B............................ 359 4.9.12Control de la tasa de bits ............................................................................ 361 4.9.13Tratamiento de imgenes entrelazadas en el MPEG-2................................. 362 4.9.14Restriccin de parmetros, niveles y perfiles............................................... 366 4.10Multiplexacin de sucuencias MPEG.......................................................................... 369 4.10.1Estructura del paquete bsico (Packetized Elementary Stream) ................... 370 4.10.2La trama de programa (Program Stream).................................................... 372 4.10.3La trama de transporte................................................................................ 372 4.10.4Informacin especfica de programas (Program Specific Information PSI) ........................................................ 375 4.10.5Multiplexado de paquetes elementales en la trama de transporte.................. 376 4.11Principios del DVB.................................................................................................... 378 4.11.1Estndar DVB-S ........................................................................................ 379 4.11.2Estndar DVB-C........................................................................................ 380 4.11.3Estndar DVB-T........................................................................................ 380 Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.ndice13 5Cmaras 5.1Introduccin............................................................................................................... 381 5.2Diagrama de bloques de una cmara........................................................................... 382 5.3Principios de ptica geomtrica y formacin de imgenes........................................... 386 5.3.1Lentes, grupo ptico y lente ideal ............................................................... 387 5.3.2Formacin de imgenes con lentes ideales .................................................. 391 5.3.3Angulo de visin........................................................................................ 394 5.3.4Regulacin de la cantidad de luz: diafragma y obturador............................. 397 5.3.5Profundidad de campo................................................................................ 402 5.4Fotometra ................................................................................................................. 408 5.4.1Intensidad luminosa: la candela .................................................................. 409 5.4.2El flujo luminoso: lumen............................................................................ 413 5.4.3La iluminancia: lux .................................................................................... 414 5.5Sensores de imagen de estado slido........................................................................... 416 5.5.1Sensores CCD matriciales .......................................................................... 420 5.5.2Sensores CCD de transferencia de cuadro (Frame Transfer CCD)............... 421 5.5.3Sensores CCD de transferencia de cuadro divididos(Split Frame Transfer CCD)....................................................................... 422 5.5.4Sensores CCD de transferencia interlnea (Interline Transfer)..................... 423 5.5.5Dispositivos de inyeccin de carga (Charge Injection Devices CID) ........... 425 5.5.6Sensores de pxel activo ............................................................................. 426 5.5.7Captura de imgenes en color con un nico sensor...................................... 427 5.6Sistemas automticos de control de la seal de vdeo .................................................. 429 5.6.1Zoom ptico y zoom digital........................................................................ 429 5.6.2Mecanismos de estabilizacin de imagen.................................................... 429 5.6.3Sistemas de autoenfoque ............................................................................ 430 5.6.4Ajuste del balance de blancos..................................................................... 434 5.6.5Modos de exposicin y efectos................................................................... 435 5.7Tipos de cmaras........................................................................................................ 436 5.7.1Cmaras de estudio .................................................................................... 436 5.7.2Cmaras de campo (Electronic News Gathering Eng) .............................. 437 5.7.3Cmaras de circuito cerrado de TV o de vdeo vigilancia ............................ 437 5.7.4Cmaras industriales y de visin artificial ................................................... 437 5.7.5Cmaras de vdeo domsticas..................................................................... 439 5.7.6Cmaras para aplicaciones mdicas y cientficas......................................... 439 5.7.7WebCams................................................................................................... 439 Bibliografa ............................................................................................................... 441 ndice alfabtico........................................................................................................ 443 Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.1Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual15 1Elementos bsicos de los sistemas de comunicacin visual 1.1Introduccin Enestecaptulopretendemosproporcionarunaperspectivageneraldelosdistintoselementosque integran un sistema de comunicacin de imgenes en movimiento. Expondremos, desde un punto de vistamuygeneralyutilizandoenalgunoscasosrazonamientosintuitivos,losdistintossubsistemas queintervienenenlacodificacindeunaescenaenunasealelctricaycmoapartirdestasse puedereproducirunaaproximacinalaescenaoriginal.Nosconcentraremosnicamenteenlos sistemasqueintervienenenlageneracindelasealdebandabasedelosdistintossistemasde televisin,suponiendo,portanto,queellectorestsuficientementefamiliarizadoconlasnociones bsicasrelativasamodulacinyradiodifusinquepermitenlatransmisinadistanciadeestas seales. Elobjetivofinalesmltiple.Porunapartequeremospresentarunaperspectivageneraldela tecnologausadaenlossistemasderepresentacindeimgenesenmovimientoactuales,sus tendencias futuras y sus antecedentes histricos. Tambin queremos proporcionar las bases tericas y la filosofa general de los sistemas de televisin, preparando al lector para poder abordar en captulos posteriores los detalles concretos de cada sistema. Por ello, se incluyen aspectos tan diversos como los fundamentosdelsistemavisualhumano,losprincipiosdecolorimetra,ladefinicindediversos parmetros bsicos en la seal de televisin como son el nmero de lneas, el nmero de imgenes por segundo,suanchodebanda,resolucin,entrelazado,etc.Sepresentannocionesbsicassobre sistemas de televisin digital y de alta definicin y se introducen diversas alternativas que actualmente seestnconsiderandoparalarepresentacindeimgenesentresdimensiones.Lapresentacinde estosconceptosesenalgunoscasosrigurosaycompletaporcuanto,obiensetratadenociones bsicas que tendrn una importante incidencia en captulos posteriores, o bien son aspectos parciales quenoserncubiertosposteriormente.Enotroscasos,lapresentacintieneuncarcter eminentemente introductorio por cuanto se trata de aspectos que sern profundamente desarrollados enotroscaptulos.As,ellectorobservarquededicamosvariaspginasadiversosaspectos relacionados con el sistema visual humano o a la descomposicin de la luz, pues haremos constantes referencias a ellos en futuros captulos. Aspiramosaqueellectoridentifiquelafuncindecadaunodeloselementos,ascomolas limitaciones que estos introducen en la calidad de la seal que finalmente se reproduce y, sobre todo, queseaconscientedequeelestadoactualdeestossistemas(ycontodaprobabilidad,suevolucin futura)esconsecuenciadeunprocesoevolutivoenelquecualquierinnovacintecnolgicaha Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.16Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital intentadointroducirseenelmercadodeunamaneragradual,manteniendoenloposiblela compatibilidad y la coexistencia entre varios formatos para garantizar un flujo de ventas en constante aumento a las grandes empresas del sector. Elcaptuloestorganizadotomandocomohiloargumentallasdistintasetapasdemuestreoy proyeccinqueseaplicanaunaescenaparaconvertirlaenunasealelctricaquecontienela informacinnecesariaparasureproduccinenelreceptor.Entreestasetapasseconsiderala descomposicin de la imagen en las tres componentes de color primarias, la proyeccin de la escena a un plano de imagen, los lmites fsicos del sensor de imagen y su relacin de aspecto, y finalmente las distintasetapasdemuestreotemporalyespacialdelasimgenes.Enparaleloaesteprocesode conversinprogresivadelaescenaaunasealelctrica,desarrollamosaspectosrelativosalas caractersticasdelsistemavisualhumanoqueintervienendirectamenteenlaseleccindelos parmetrosdemuestreo,evaluandosuincidenciasobrelacalidadfinaldelaimagenylasposibles prdidasdeinformacinquedeellossederivan.Tambinaprovechamosestehiloargumentalpara introducir aspectos histricos relativos al cine o la televisin, tendencias de futuro, nuevas tecnologas, etc. Esta estructura puede parecer en un principio una exposicin un tanto desordenada, ya que no sigue el patrn cronolgico usado en la mayora de textos sobre televisin. Sin embargo, creemos que es muy enriquecedora,yaquedesdelosiniciossecomparandistintasalternativastecnolgicasque proporcionan, sin necesidad de leer todos los captulos, una panormica general sobre los sistemas de televisin.Adems, los distintos aspectos temticos que iremos desarrollando surgen de una manera natural y sin prdida de continuidad. Creemos que la alternancia entre aspectos histricos, analticos, tecnolgicos,visuales,etc,facilitalalecturayaumentasuinterssinquesupongaunaprdidade rigor o de perspectiva histrica. En cualquier caso, hemos realizado un considerable esfuerzo para que esta organizacin, intencionadamente catica, sea estrictamente progresiva y lineal en lo que se refiere a la exposicin de los conceptos necesarios para la comprensin del texto. 1.2Cadena bsica de un sistema de comunicacin visual Enlafigura1.1serepresentaundiagramageneraldeunsistemaderadiodifusindesealesde televisin. Los distintos elementos que forman este sistema tienen como objetivo transmitir la escena tridimensionalparaquepuedaservisualizadaentiemporealpormltiplesreceptores.Juntoconla informacinptica,tambinsetransmitenunaovariassealesadicionalesqueproporcionan informacin de audio sobre la escena y que sern consideradas en captulos posteriores. Lasescenasquepretendemostransmitirpuedenconsiderarsefuncionesquedependendevarias variablescomolaposicin,eltiempoylalongituddeonda.Parapodertransmitir esta informacin mediantesistemasdecomunicacinconvencionalesesnecesariorealizardistintostiposde proyecciones y muestreos de la escena que permitan convertir esta funcin multidimensional en una seal que dependa de una nica variable temporal. Esta seal es la que ser modulada para enviarla a distintosusuarios.Esevidentequeenelprocesodeproyeccinymuestreodelaescenasesufrirn prdidas de informacin que inevitablemente conducen a una reduccin de la calidad de la imagen. As, por ejemplo, en los sistemas de televisin convencional slo se transmite una proyeccin plana de laescenasobrelacmara,demodoqueelreceptorreproducirunaimagenenlaquenoest Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.1Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual17 codificada la informacin tridimensional de la escena original. Sin embargo, el espectador ser capaz deinterpretarcorrectamenteestainformacinespacial,pueselcerebrohumanoestentrenadopara identificar la posicin real de los objetos a partir de su tamao relativo y de los planos ocultos. Fig. 1.1 Elementos de un sistema de comunicacin visual Enelestudiodetelevisinintervienendistintosequiposyprofesionalescuyafuncineslade producir,apartirdelasdistintastomasdeimgenesysonidodelaescena,lasealdeTVque finalmentellegaralespectador.Enesteprocesocolaboranprofesionalestcnicosyartsticos.Los equipos utilizados para la produccin de la seal son muy variados y dependen del tipo de programa quesetransmita.Losmsusadossonlascmarasymicrfonos,lossistemasdemezclay acondicionamiento de seales, los equipos para la edicin y postproduccin de vdeo y finalmente los equiposdeamplificacinytransmisindelassealesaloscentrosdedistribucin.Enuna transmisin en directo suelen utilizarse varias cmaras y micrfonos, que son controlados desde una mesa de mezclas en la que se seleccionan los planos y tomas microfnicas que formaran la base del programa.Estassealessoneditadasposteriormenteparaintroducirttulos,rtulosyefectos,y finalmenteseenvanalossistemasderadiodifusin.Algunosdeestosequipospuedenestar integradosenunidadesmvilessiellugardondeseproducenlasescenasaslorequieren.Eneste caso,lasealsesueleenviaralestudiocentral,dondeesreeditadayseleaaden algunos ttulos y efectos adicionales. Tambin tienen un papel fundamental en el estudio de televisin los sistemas para el registro de las seales de vdeo en cinta magntica que permiten almacenar los programas en directo yfacilitanlaproduccindedocumentalesyprogramasregistrados.Algunosdeestosequipossern estudiados con cierto detalle en captulos posteriores. La red de distribucin se encarga de garantizar que las seales lleguen en buenas condiciones al rea decoberturadelaemisin.Lascaractersticasdeestaredestndeterminadasporlatecnologa utilizadaparalatransmisindelassealespudiendoexistirredesdedistribucinporcable,por satlite,terrestresy,enalgunoscasos,redesmixtasqueutilizanvariosdeestossistemas.Laredde EscenaCmarasProcesadoEdicinPostproduccinRedDistribucinReceptoresEscenaCmarasProcesadoEdicinPostproduccinRedDistribucinReceptores Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.18Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital radiodifusinterrestreeslaquetieneactualmentemayornmerodeusuariosyesutilizadaparala difusin de programas de mbito nacional o local. En este caso, la distribucin de la seal se realiza mediante redes de radioenlaces. Enlaradiodifusindirectaporsatlitelasealseenvadesdeelcentroservidorauncentrode transmisin mediante radioenlaces terrenos o cable y posteriormente es transmitida al satlite (up-link) querealizaunatrasposicindefrecuenciadelasealylaredirigeaunaampliazonadecobertura sobre la tierra (down-link). La televisin por satlite requiere que el espectador disponga de una antena parablica de gran ganancia, ya que el nivel de la seal recibida es pequeo debido al largo trayecto que debe recorrer sin amplificacin (36000 Km en satlites geoestacionarios),y de un conversor de seales que le permita trasladar la seal del satlite a las bandas de televisin convencionales con las quepuedeoperarsureceptor.Latelevisinporsatliteproporcionagrandescoberturasdembito internacionalyfacilitaladistribucindelasealaregionespocopobladasodedifcilacceso geogrfico, cuya cobertura mediante radioenlaces terrestres o cable sera excesivamente costosa. Lossistemasdedistribucinporcable(CATV)surgieronaprincipiosdelosaos50enEstados Unidos para proporcionar seal de televisin a regiones cuyo perfil geogrfico dificultaba establecer unacoberturaconvencionalmedianteradioenlaces.Posteriormente,laCATVseextendiazonas metropolitanas en las que la presencia de edificios de gran altura dificultaba la correcta recepcin de la seal. Actualmente, este sistema de distribucin est muy extendido en algunos pases donde se ofrece al espectador una seal de televisin de gran calidad (la degradacin de la seal por transmisin es muybaja)conunelevadonmerodecanalesydeservicios.Normalmenteelproveedor del servicio distribuye una seal con ms de 50 canales en los que se incorporan tanto canales convencionales (que tambin se transmiten va terrestre o satlite) como canales exclusivos para los abonados del servicio. LaCATVhasidoprecursoraenlaintroduccindelosconceptosdeaccesocondicionalala programacin,queposteriormentesehanextendidoalossistemasterrestresovasatliteyque requierenqueelespectadordispongadeunequipoIRD(receptordecodificadorintegrado)quele permita recomponer la informacin de vdeo que ha sido encriptada en la transmisin. En este entorno aparecenlosconceptosdepagarporcanal(payperchannel)ypagarporver(payperview). En el primer caso, el espectador paga una cuota mensual que le permite desencriptar toda la programacin delcanal,mientrasqueenelsegundocaso,elproveedordelservicioinformadepreciodecada programa y factura al abonado de acuerdo con la programacin que ste ha seleccionado. El concepto depagarporverrequiereunaciertainteractividadentreelusuarioyelcentroservidor.LaCATV tambinhasidoprecursoradeesteconceptodetelevisin interactiva ya que, desde sus orgenes, ha proporcionado un canal de retorno que permite establecer una comunicacin directa con el servidor. Con ello se permite que el espectador participe en encuestas de opinin pblica, solicite los vdeos que desea ver o efecte una compra inmediata de los productos anunciados (telecompra). La extensin del conceptodetelevisininteractivaasistemasunidireccionales,comolatelevisinporsatliteo terrestre,requierequeelusuariodispongadeunmdemtelefnicoqueseutilizacomocanalde retorno auxiliar. Enlarecepcindelasealysupresentacinalespectadorintervienenvariossubsistemasque dependen del tipo de distribucin de la seal utilizado. La antena es el elemento encargado de recoger laenergaradioelctricadelassealesdetelevisinensistemasderadiodifusinterrestreypor satlite.EnelprimercasosueleserunaarraydeltipoYAGIqueseorienta hacia el repetidor ms cercano y que tiene una ganancia moderada (unos 14 dBs). En el caso de televisin por satlite, suele Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.1Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual19 tratarsedeunaantenaparablicadegranganancia(30dBs)queseapuntahacaelsatliteque transmite las seales y que incorpora un subsistema demodulador que convierte las seales recibidas ensealesdevdeoquepuedanserinterpretadasdirectamenteporunreceptorconvencional.En sistemas de CATV la seal de TV se obtiene directamente del cable de suministro y tambin requiere que el usuario disponga de un demodulador que acondicione las seales al receptor. En el caso en que elusuarioestabonadoacanalesdetelevisindeaccesocondicional,tambinesnecesarioun decodificador o desencriptador de la informacin. Los receptores actuales suelen admitir, dependiendo del pas, uno o varios de los formatos analgicos convencionales (NTSC, PAL, SECAM, PALplus) y con varios tipos bsicos de entradas de vdeo: la seal de radiofrecuencia, la seal RGB, la seal de vdeocompuestoobandabaseyelformatoSVideo.Laprimerasecorrespondeconlassealesde vdeo moduladas que son recibidas en la antena de un sistema de radiodifusin terrestre. Estas seales sonsintonizadasydemoduladasporelpropioreceptor,pudiendomemorizarlaposicindevarios canales.Elresultadodeestamodulacineslasealdevdeocompuestoosealdevdeoenbanda base que contiene la informacin de luminancia y de color. Las seales RGB son seales de vdeo ya demoduladasprocedentesdeunmagnetoscopiodomsticoodeundemoduladordeCATVova satlite y son introducidas en el receptor a travs de una entrada especfica denominada euroconector. Finalmente,lasealS-Vdeoesunformatoutilizadoenmagnetoscopiosdomsticosycmaras porttilesenlaquelainformacindebrilloydecolorseproporcionanencablesseparados. Actualmente,muchosfabricantesdetelevisoresestnincorporandodemoduladoresdigitalesenel propioreceptor, por lo que se espera que muy pronto sea posible recibir las seales de radiodifusin digital sin necesidad de utilizar un decodificador externo. Elobjetivodeestecaptuloesdefinir,desdeunpuntodevistapuramenteconceptual,losdistintos elementosquetienenunaincidenciadirectaenlaobtencindeunasealelctricaqueproporcione informacinsobrelaescena.Sepresentarunaperspectivageneralsobrelasdistintasalternativas posibles y se definirla seal de vdeo en blanco y negro como primera aproximacin a un sistema de televisin.Ladescripcindetalladadeotrosconceptoscomolaintroduccindelainformacinde sincronismo y de color, la televisin digital y de alta definicin se realizar con detalle en captulos posteriores. 1.3De la escena a la seal de televisin Enelcasomsgeneral,unaescenapuedeserrepresentadacomounafuncinde5variables independientes: ) , , , , ( t z y x (1.1) donde x, y, z representan la posicin de un punto genrico del espacio que radia con un determinado espectro radioelctrico visible y que, posiblemente debido al movimiento de los objetos, se modifica a lo largo del tiempo t. El principio en el que se basan todos los sistemas de televisin actuales consiste en hacer un muestreo sobre esta funcin de cinco variables en el modo adecuado para obtener una funcin unidimensional (seal temporal) que pueda ser transmitida utilizando los sistemas de modulacin convencionales. Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.20Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital Algunos sistemas de televisin se han apartado de este criterio general y han propuesto la transmisin simultnea de varias seales que son recompuestas en el receptor. Entre estos sistemas cabe destacar una de las primeras tentativas de televisin en color y algunos sistemas de televisin con definicin mejorada(EDTV-EnhancedDefinitionTV)propuestosaprincipiosdelosnoventa.Enestasltimas propuestas, se pretenda transmitir una seal de televisin convencional junto un canal auxiliar, que al ser demodulado por el receptor permitira obtener informacin sobre lneas adicionales de la imagen que no se transmiten en un sistema estndar de televisin. No obstante, ninguna de estas alternativas ha sido explotada comercialmente ni tampoco se prev que sean usadas en el futuro. Enelprocesodeconversindelaescenaaunafuncintemporalintervienendistintosprocesosde proyeccinymuestreoquedeunouotromodosupondrnunaprdidaparcialdeinformacin respectoalcontenidodelaescenaoriginal.Enlaseleccindeestosparmetrosdemuestreoy proyeccindebentenerseencuentalascaractersticasdelsistemavisualhumano,queeselque finalmente decidir si la calidad de la imagen es adecuada. En consecuencia, al disear un sistema de televisin,esnecesarioconocercondetallelascaractersticasdelavisinhumana,yaquenos permitirndeterminarqupartesdelainformacinnorequierensertransmitidasporcuantono aportanningunamejorasubjetivasobrelacalidaddelaimagen.Conello,elancho de banda de la sealtransmitidasereduciralestrictamentenecesarioparapoderreproducirimgenesdecalidad aprovechando al mximo el espectro radioelctrico. En las secciones sucesivas presentaremos por una parte los procesos de proyeccin y muestreo de la escenaquesedefinenencualquiersistemadetelevisinyporotralascaractersticasvisualesque permiten ajustar los parmetros de estos procesos. Consideraremos nicamente aquellos aspectos de la visinquetenganunaincidenciadirectasobrelosparmetrosdemuestreodelaescena,dejando algunos aspectos, como la interpretacin detallada del movimiento, para captulos posteriores en los que estos factores tengan una repercusin directa en la definicin del sistema de televisin. A continuacin resumimos las distintas etapas de muestreo y su funcin bsica: a)Separacinencomponentesdecolor:Todalainformacincontenidaenlavariable puede representarse mediante tres componentes discretas que corresponden a los colores primariosrojo,verdeyazul.Esteprocesodemuestreonorepresentaunaprdidade informacinaparenteenelsistemavisualhumano.Analizaremoscondetallelos mecanismos de visin y percepcin del color, su representacin analtica y los principios fsicos usados para la descomposicin del color en tres componentes. b)Proyeccin plana de la imagen: La escena se proyecta mediante un sistema ptico sobre un plano de imagen. Esta proyeccin representa una prdida significativa de informacin espacialyreducelastresvariablesespacialesdelaescenaalasdosvariablesdela imagen.Enestaseccinconsideraremosdiversaspropuestasparalarepresentacinde imgenes en tres dimensiones. c)Lmitesdelsensor:Laimagendelaescenasloseconsideradentrodeloslmites del sensorporloquesusvariablesespacialesestnacotadasdentrodeestoslmites. Veremos que el tamao del sensor y su relacin de aspecto tienen una incidencia directa sobre la resolucin del sistema y la integracin del espectador en la escena. Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.1Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual21 d)Muestreo temporal: Las imgenes pueden presentarse al espectador como una secuencia defotogramas.Siestasecuenciaessuficientementerpidanopuededistinguirsedela informacin original. La variable temporal, de naturaleza continua, puede sustituirse por unasecuenciadeimgenessinprdidaaparentedeinformacin.Consideraremoslos fenmenos de persistencia y parpadeo de imgenes en la retina. e)Muestreoespacial(Lneas):Cadaunadelasimgenessedescomponeenunnmero finito de lneas. Si este nmero es suficientemente elevado, el espectador ser incapaz de percibirladiferenciaconlaimagenoriginal.Lossistemasdetelevisinanalgicos surgen de manera natural a partir de este muestreo. f)Muestreoespacial(Retcula):Enestecasolaimagensemuestreatantoenelsentido horizontalcomoenelvertical.Lasmuestrasobtenidasconstituyenlabasedelos sistemas de televisin digitales. 1.4Componentes de color RGB La primera transformacin que se realiza de la escena original consiste en sustituir su dependencia con la variable continua longitud de onda por tres muestras correspondientes a los colores primarios rojo, verde y azul: ) , , , , ( ) , , , () , , , , ( ) , , , () , , , , ( ) , , , (B BG GR Rt z y x t z y xt z y x t z y xt z y x t z y x (1.2) El principio en el que se basa esta descomposicin es que a partir de la combinacin adecuada de los trescoloresprimariospuedeobtenersecualquiersensacindecolor.Deestemodo,sereducela dimensionalidad de la escena de una funcin de cinco variables a tres funciones de cuatro variables. Podemos entender este proceso como un muestreo de la escena en la variable . Las caractersticas de lavisinhumananospermitenasegurarqueusandonicamentetresmuestrasdeestavariable, correspondientesaloscoloresrojo,verdeyazuladecuadamenteponderados,podremosrepresentar todos los colores sin que ello suponga ninguna prdida de informacin visual. Paracomprendermejorestefenmenodebemosconsiderardiversosaspectosrelacionadosconla naturaleza de la luz y la percepcin de los colores en el sistema visual. 1.4.1La luz y el color La luz puede considerarse, para los fenmenos de visin que nos ocupan en este texto, como una onda electromagntica con longitudes de onda comprendidas entre 780 nm y 380 nm. En la figura 1.2 se representa la situacin en el espectro radioelctrico de las ondas visibles y los colores asociados a las distintas longitudes de onda. La longitud de onda ms larga corresponde al color rojo y la ms corta al violeta.Msalldelmargenvisiblesesitanlasfrecuenciascorrespondientesalinfrarrojoyal Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.22Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital ultravioleta. El color blanco esta formado como la superposicin de todas las frecuencias del espectro visible mientras que el negro supone que no existen componentes espectrales en la banda visible. Los coloresindicadosenelmargenvisiblesecorrespondenconlosqueseobtendranparaunaluz formada por una nica frecuencia pura y se denominan colores monocromticos. Las tonalidades rojas tienen longitudes de onda que van desde los 760 nm hasta los 650 nm, las tonalidades amarillas estn situadas en el margen de 630 nm a 560 nm, las verdes de 540 nm a 500 nm, las azules de 500 nm a 420 nm y las violetas de 420 nm a 400 nm. Fig. 1.2Espectro de radiofrecuencia y frecuencias del visible En la figura 1.3 se representa un experimento que permite descomponer una luz blanca, es decir una luzconunespectroplanoentodoelmargenvisible,enlosdistintoscoloresmonocromticos.El experimento consiste en hacer pasar la luz blanca a travs de un prisma que, al tener un coeficiente de refraccin dependiente de la frecuencia, desva cada componente frecuencial en una direccin distinta. Loscoloresmonocromticos se corresponden con los colores del arco iris. Algunos colores, como el prpuraoelmagenta,slopuedenobtenersemediantelasuperposicindedistintascomponentes espectrales. As, el magenta es una sensacin coloreada obtenida a partir de la combinacin del rojo y el azul. En general, el color observado por el sistema visual humano depende de dos factores: el espectro de la luzincidenteylascaractersticasdereflexinyabsorcindelasondasvisiblesdelosobjetos.La composicinespectraldelaluzquerecibeunespectadorpuedeexpresarsecomoelproductodel espectro de la luz incidente por el coeficiente de reflexin de los objetos: Longitud de onda10Km1Km100 m10 m1 m10 cm1 cm1 mm100 m10 m1 m1 m100 nm10 nm1 nm100pm10pm1pmOndas largasOndas mediasOndas cortasFM -VHFUHFSHFEHFMicroondasInfrarrojoUltravioletaRayos XRayos gammaRayoscosmicos780 nm700 nm600 nm500 nm380 nmInfrarrojoRojoRojoNaranjaAmarilloVerdeAzulUltravioletaLongitud de onda10Km1Km100 m10 m1 m10 cm1 cm1 mm100 m10 m1 m1 m100 nm10 nm1 nm100pm10pm1pmOndas largasOndas mediasOndas cortasFM -VHFUHFSHFEHFMicroondasInfrarrojoUltravioletaRayos XRayos gammaRayoscosmicos780 nm700 nm600 nm500 nm380 nmInfrarrojoRojoRojoNaranjaAmarilloVerdeAzulUltravioleta Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.1Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual23 Fig. 1.3Descomposicin de la luz blanca en colores monocromticos Fig. 1.4Espectro de luz incidente y espectro observado ) ( ) ( ) ( r l linc obs (1.3) donde lobs( ) es el espectro de la luz observada, linc( ) el de la luz incidente y r( ) el coeficiente de reflexindelosobjetos(verfigura1.5).Deacuerdoconestaecuacin,cuandolaluzincidentees blanca (la luz solar es una buena aproximacin a la luz blanca), el espectro de la luz reflejada por los objetostienelamismaformaquesucoeficientedereflexinyaquepodemosconsiderarquelinc() =Kte.As,unobjetocuyocoeficientedereflexinseaprximoalaunidadenlaregin correspondiente al color verde y prcticamente cero para el resto de frecuencias ser observado como decolorverdecuandolaluzincidenteseablanca.Sinembargo,cuandoincidasobrelunaluz monocromticadecoloramarillo,absorbertodalaenergaincidente,adoptandounaaparienciade colornegro.Enlafigura1.5seilustracomounmismoobjetopuedeobservarsedecoloramarillo Luz blancaPrismaColores monocromticosLuz blancaPrismaColores monocromticosObservadorObjetoCoeficiente reflexinr()Luz incidentelinc()lobs()ObservadorObjetoCoeficiente reflexinr()Luz incidentelinc()lobs() Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.24Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital cuando la luz incidente es blanca, rojo cuando el espectro de la luz est situada en la regin de baja frecuencia del visible, o verde cuando la iluminacin corresponde a un espectro situado en la regin de alta frecuencia. En general, pues, el color de los objetos depende de las caractersticas espectrales de la iluminacin a la que estn sometidos. Cuando nos referimos, de una manera genrica, al color de un objeto suele entenderse que hablamos del color que observaremos cuando est expuesto a una luz blanca. Fig. 1.5El color de los objetos depende de las caractersticas de la luz incidente 1.4.2Percepcin del color en el ojo humano Elsistemavisualhumanoescapazdediscriminarunelevadonmerodecolores.Suresolucinen colores monocromticos depende de la frecuencia y puede estimarse que en las bandas del azul, verde y amarillo pueden distinguirse dos colores siempre que su longitud de onda difiera en al menos 1 nm. Enlasregionesextremasdelabandavisible,correspondientesalrojoyalvioleta,lacapacidadde discriminacin de colores se reduce, y puede estimarse que se requiere una diferencia de 10 nm para distinguirlos. Estas medidas son aproximadas y representan un valor medio para sujetos sin problemas de visin. Se obtienen proyectando colores monocromticos en las dos mitades de una pantalla en la quediversosespectadoresindicansisoncapacesdediferenciarlosdoscolores.Desdeunpuntode vistacualitativo pueden definirse tres atributos para describir el color: el brillo, el matiz o tono y la saturacinopureza.Elbrillo indica la intensidad de la luz que percibe el ojo. El matiz o tono es la propiedadquepermiteclasificarloscolorescomodistintos,distinguiendoentreelrojo,verde, amarillo,etc.Lasaturacinindicaenquegradouncolorseacercaoseapartadelblanco.As, podemos hablar de un rojo ms o menos claro entendiendo que todos ellos corresponden a una misma tonalidadroja.Diremosqueuncolorespurocuandonocontieneblanco.Veremosqueesposible establecer medidas cuantitativas directamente relacionadas con estos atributos. Adems de los colores monocromticos, el sistema visual humano es capaz de distinguir otros tonos decolorformadosporlasuperposicindevariasfrecuenciasyapreciarcoloresconmayoromenor Luz IncidenteCoeficienteReflexinLuz observadaLuz blancaLuz rojizaLuz verde-azuladaObjetoAmarilloRojoVerdeLuz IncidenteCoeficienteReflexinLuz observadaLuz blancaLuz rojizaLuz verde-azuladaObjetoAmarilloRojoVerde Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.1Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual25 purezadependiendodelespectrofinaldelaluzincidente.Engeneral,laluzprocedentedelos objetosnoescasinuncauncolorespectralmentepuro,sinounamezclacompuestademuchas longitudes de onda distintas. 1.4.3El ojo humano En la figura 1.6 se representa una seccin transversal de un ojo humano en el que pueden apreciarse losprincipaleselementosqueintervienenenelprocesodeformacinycaptacindeimgenes.El glbulo ocular tiene una forma aproximadamente esfrica, de unos 20 mm de dimetro medio que est recubierta por un tejido fibroso de gran resistencia denominado membrana esclertica. Esta membrana es opaca en sus superficies posterior y lateral. El segmento frontal de la membrana esclertica recibe el nombre de crnea y es transparente para permitir el paso de la luz hacia el interior de la cavidad ocular.Lacrneaactacomoelementoprotectordelaspartesinterioresdelojoypresentauna curvatura superior al resto del glbulo ocular. Justo debajo de la membrana esclertica hay una capa de tejido vascular, denominada coroides, que es la responsable de proporcionar nutrientes a todos los elementos del ojo. La coroides est fuertemente pigmentada para ayudar a reducir la cantidad de luz exterior que entra en el ojo y absorber la luz difundida en su interior. Fig. 1.6Seccin transversal del ojo humano Enelinteriordelacrneasesitalacmaraanterior,queestrellenaconunliquidodenominado humor acuoso. En el interior de esta cavidad est situado el iris, que es una cortina muscular, de forma aproximadamentecircular, que permite regular la cantidad de luz que incide en la parte interior del ojo. El color de este msculo determina el color de los ojos de una persona. La luz incide a travs de la pupila, que es una obertura circular situada en el centro del iris. El dimetro de la pupila se regula medianteeliris,quedejaaldescubiertounasuperficiemayoromenordestadeacuerdoconlas condicionesdeluzambientales,permitiendoquelossensoresdeluzsituadosenelinteriordela cavidadocularpuedanoperarenunampliomargendinmicodecondicionesdeiluminacin.El MembranaEsclerticaCorneaCristalinoIrisPupilaNervio pticoRetinaHumor acuosoHumorvitreoSensores:Conos y bastonesFoveaEjevisualMembranaEsclerticaCorneaCristalinoIrisPupilaNervio pticoRetinaHumor acuosoHumorvitreoSensores:Conos y bastonesFoveaEjevisual Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.26Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital tamao de la pupila depende nicamente de las condiciones de iluminacin externa y se controla de forma automtica sin que intervenga la voluntad del observador. Su dimetro puede oscilar entre unos 8 mm (en el caso de poca iluminacin) hasta unos 1.5 mm (para condiciones de gran iluminacin) por loquelasuperficietotaldelorificioporelqueentralaluzpuedemodificarseenunfactorde aproximadamente 28, dependiendo de las condiciones de luz exteriores. Detrsdelapupilaseencuentraelcristalino. Su funcin bsica es la de actuar como una lente que enfocalasimgenesenlaretina,queeslasuperficieinteriordelojoenlaqueseencuentranlos sensores de luz. La forma del cristalino se controla a travs del cuerpo ciliar, una estructura muscular queformapartedelacoroideyquepermitevariarladistanciafocalylaposicindeestalente.El cristalinoseadaptaparaquelosobjetossobrelosqueelsistemavisualquierecentrarsuatencin permanezcanenfocadosenlaretina.Laluzinfrarrojaylaultravioletasonabsorbidas,ensumayor parte, por las protenas que forman la estructura del cristalino, ya que en cantidades excesivas podran daarelojo.Lacmarasituadaentrelapupilayelcristalinosedenominacmaraposterioryest rellena con el humor acuoso. Entre el cristalino y la retina se encuentra una cmara rellena de un lquido gelatinoso y transparente quesedenominahumorvtreo.Estelquidoproporcionaunequilibriodepresionesparaqueel glbulo ocular mantenga su forma esfrica. Laretinaesunacapadetejidonerviosoquecubreaproximadamentelasdosterceraspartesdelojo interno. En ella se encuentran las clulas sensibles a la luz que proporcionan la informacin bsica de visinqueposteriormenteseranalizadaeinterpretadaenelcerebro.Dehecho,laretinapuede interpretarsecomounaramificacindelcerebroyaquesustejidosnerviosostienenlamisma constitucin, y est conectada al mismo a travs del nervio ptico. La retina es por tanto la parte ms importantedelojo,pudiendoconsiderarquelafuncindelrestodeelementoses,porunaparte proporcionarlenutrientes,yporotraenfocarlaluzenlareginapropiada.Esuntejidodecierta complejidad, formado por varias capas, de las cuales nicamente una capa intermedia contiene clulas sensiblesalaluz.Estasclulasreaccionanalasdistintaslongitudesdeondaincidentesgenerando impulsos nerviosos. La luz debe atravesar las capas superficiales hasta alcanzar estas clulas. La capa ms interna de la retina est formada por complejas interconexiones entre las clulas (sinapsis) en las que se combina la informacin recibida por estos elementos sensibles y se direcciona hacia el nervio ptico.Estainformacinesposteriormenteprocesadaenlacortezavisualdelcerebrodondese analizan e interpretan las imgenes. 1.4.4Clulas sensibles: conos y bastones Existendostiposdeclulassensiblesalaluz,quesedenominan,comoconsecuenciadesuaspecto fsico externo, conos y bastones. Los bastones son elementos cilndricos, con un dimetro inferior a 1 m, que terminan con una ligera curvatura y que presentan una elevada sensibilidad a la luz. Son muy abundantesenanimalesconvisinnocturna,yenelhombresonlosresponsablesdelavisinen condicionesdebajaluminosidad,tambindenominadavisinescotpica.Surespuestamuestra dependencia de la frecuencia de la luz incidente, teniendo un mximo de sensibilidad para frecuencias prximasalos500nm.Lasealquetransmitenalcerebronoproporcionainformacinsobrela composicinespectraldelaluz,demodoqueunailuminacinmonocromticade500nmconbaja Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.1Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual27 intensidad puede provocar la misma respuesta que una iluminacin de 600 nm de mayor intensidad, siendoambassealesindistinguiblesporlosrganosdevisin.Losbastones,portanto,no proporcionan informacin sobre el color de los objetos. Los conos presentan una menor sensibilidad a la luz y slo se activan en condiciones de iluminacin normalodiurna(tambindenominada,visinfotpica).Sonclulasdeaspectocnicoconun dimetro medio que oscila entre 1 m y 5 m. Presentan una sensibilidad mxima en la longitud de ondade555nmyproporcionaninformacinbsicasobrelacomposicinespectraldelaluzporlo quesonlosresponsablesdelapercepcindelcolor.Lascurvasdesensibilidaddelosconosylos bastones se representan, de manera aproximada y en tanto por ciento respecto al mximo, en la figura 1.7.Estascurvasseobtienenproyectandoenunapantalladoslucesmonocromticasdedistinta frecuenciayamplitudypidiendoqueelobservadorindiquecundoconsideraqueambastienenel mismobrillo.Encasoenquelaintensidaddelaluzseaelevada(visinfotpica),elespectador observarlasdossealesconcoloresdistintos,perodeberdecidirbasndosenicamenteenla sensacin de brillo que le producen las imgenes. Fig. 1.7Curvas de sensibilidad espectral de los conos y los bastones El desplazamiento relativo que existe entre las curvas de visin escotpica y fotpica se conoce con el nombre de desplazamiento de Purkinje y es el responsable de algunos fenmenos psicofisiolgicos de cambio de luminosidad aparente que se producen al anochecer. As, al oscurecer, las tonalidades rojas tiendenaperderbrillomientrasquelasazulesparecequeaumentansuluminosidaddebidoal desplazamientoexistenteentrelascurvasdesensibilidadcorrespondientesalosconosyalos bastones. Este efecto es debido a que, al reducirse la iluminacin, la visin cambia gradualmente de fotpica a escotpica de manera que la sensibilidad del ojo al color rojo disminuye (volvindose ms oscuro)mientrasquelasensibilidadalazulaumenta(apareciendomsbrillante).Estaregin intermedia entre la visin fotpica y la escotpica, en la que operan simultneamente los conos y los bastones, se conoce con el nombre de visin mespica. Sensibilidadrelativa100 %50 %0 %380 nm 720 nmVisin EscotpicaBastonesVisin FotpicaConos500 nm 550 nmSensibilidadrelativa100 %50 %0 %380 nm 720 nmVisin EscotpicaBastonesVisin FotpicaConos500 nm 550 nm Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.28Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital Ladistribucindelosconosylosbastonesenlaretinanoesuniforme.Losprimerostienenuna concentracin mxima en la zona central de la retina, denominada fvea central, donde se sita el eje devisin.Mantienenunaconcentracinelevadaenlasproximidadesdelejevisual,enunaregin circular de aproximadamente 1 cm de dimetro denominada maculea lutea, que rodea la fvea central. Losbastonessesitanprincipalmenteenlaperiferiadelaretina,teniendounaconcentracin prcticamente nula en la fvea. Enlafigura1.8serepresentadeformaaproximadaladensidaddeconosybastonesenlaretina respecto al eje visual; se observa que los bastones presentan una concentracin mxima en una regin circular que forma un ngulo de unos 20 respecto al eje visual y que prcticamente son inexistentes enlafvea.Ladistribucindelosbastonesesaproximadamentesimtricarespectoalafvea, exceptuandoeldenominadopuntociego,quecorrespondealpuntodelaretinadedondeparteel nervioptico,sobreelquenoseencuentranniconosnibastones.Seestimaqueelnmero aproximado de conos en individuos con visin normal es de unos 7 millones de sensores, mientras que el de bastones es del orden de los 120 millones. Fig. 1.8Distribucin y densidad de los conos y los bastones en la retina En condiciones de iluminacin normal o alta, la percepcin de la visin es debida fundamentalmente a losconos,yaquelosbastones,demayorsensibilidad,sesaturanynoproporcionaninformacinal cerebro.Encondicionesdepocailuminacin,lapupilasedilatapermitiendoquelaimagenquede enfocada sobre la regin perifrica de la retina, obteniendo una respuesta debida fundamentalmente a los bastones. Los conos, al recibir poca energa lumnica, no se excitan, por lo que las imgenes que se percibennocontieneninformacinsobreelcolordelosobjetos.Porello,encondicionesdebaja iluminacin,esdifcildistinguirelcolordelosobjetos,yaquelosconosnolleganaexcitarseyla visinesfundamentalmenteenblancoynegro.Adems,esenlareginprximaalafveadonde quedan correctamente enfocadas las imgenes, por lo que la percepcin del detalle de los objetos no serbuenasilossensoressituadosenestazonanoresponden.Porello,resultadifcilleeren condiciones de baja iluminacin. En otras palabras, podramos decir que la frase De noche, todos los gatossonpardos,quedaampliamentejustificadaapartirdeladistribucinylarespuestadelos elementos sensores de luz en el ojo. 0 2040 -20 -40100200300Densidad (miles/mm2)Angulo respecto al eje visual270bastonesconosPuntociego0 2040 -20 -40100200300Densidad (miles/mm2)Angulo respecto al eje visual270bastonesconosPuntociego Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.1Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual29 Algunosproblemasdevisincomolamiopa o la hipermetropa se producen como consecuencia de un incorrecto enfoque de las imgenes en la fvea. En el primer caso, el cristalino enfoca las imgenes dentro de la regin del humor vtreo, antes de que incidan sobre la retina, mientras que en el segundo caso, el punto de enfoque de las imgenes queda ms all de la retina. En ambos casos, las imgenes que se forman en la retina quedan desenfocadas. Esto explica tambin que el problema de la miopa se acente en condiciones de baja iluminacin, puesto que en este caso, el desenfoque de la imagen en la periferia de la retina es mayor, con lo que la resolucin de las imgenes cuando solo estn operativos losbastonesesconsiderablementeinferioralaqueseobtieneenlareginprximaalafvea.El astigmatismoesunproblemavisualqueseoriginacomoconsecuenciadeunadeformacindela crnea. La percepcin del color se debe a que existen tres tipos distintos de conos que presentan una respuesta dependientedelalongituddeondadelaluzincidente.Lasensacindecolorseproducecuandoel cerebrointerpretalassealesenviadasporcadaunodeestoselementos.Laexistenciadeestostres tiposdereceptoresfuepostuladaen1802porThomasYoung,aunquenofueverificada experimentalmentehasta1964porbiofsicosamericanos.ElpostuladodeYoungfuedesarrollado tericamenteporHermannL.F.vonHelmholtzyseconocecomolateoratricromticadeYoung-Helmholtz.Estateorasefundamentabaenelfenmenodemezcladecolorespreviamentedescrito porNewton,quienhabarealizadoelexperimentodedescomposicindelaluzblancaencolores monocromticosdescritoenelapartadoanterior.Newtontambinobservquesialgunoscolores monocromticos se volvan a hacer pasar a travs de un prisma, podan obtenerse, como resultado de sumezcla,sensacionesdecolordistintasalasdeloscoloresmonocromticos.Lamezclade pigmentoselementalestambinerautilizadadesdeantiguoenpinturaparaobtenerdistintas tonalidades y matices de color a partir de pocos colores bsicos. Entrminosmodernos,existentrestiposdeconosconrespuestasfrecuenciales distintas dentro del margenvisibleycuyamximasensibilidadsecorrespondeaproximadamenteconloscoloresrojo, verdeyazul.Lascurvasdesensibilidadparacadaunodelostiposdeconosserepresentan esquemticamenteenlafigura1.9.Obsrvesequelacurvacorrespondientealreceptorazulest ampliada en un factor 20 para que pueda compararse con las curvas asociadas a los receptores rojo y verde, ya que estos ltimos tienen una mayor sensibilidad. Fig. 1.9Sensibilidad espectral de los diferentes tipos de conos. La sensibilidad del color azul est multiplicada por un factor 20 para que su amplitud sea comparable a la de los otros sensores Sensibilidadrelativa100 %50 %0 %380 nm 720 nmazulverderojoamarilloSensibilidadrelativa100 %50 %0 %380 nm 720 nmazulverderojoamarillo Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.30Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital Estascurvaspuedeninduciraciertaconfusincuandosecomparanconlacurvadesensibilidad espectralasociadaalavisinfotpicapresentadaenlafigura1.7.Enesteltimocaso,sibienlos mecanismos de combinacin de las seales recibidas por los distintos tipos de conos no son conocidos conexactitud,podramosdecirquelacurvadevisinfotpicasecorresponderaaproximadamente con la suma de cada una de las curvas asociadas a los distintos receptores. Recurdese que la curva de visin fotpica se obtiene pidiendo al observador que valore nicamente el brillo de la imagen y que no tenga en cuenta su color, por lo que incorpora la valoracin conjunta de cada uno de los receptores al brillo global de la imagen. Lapercepcindelcolordelosobjetosdependedeltipodeconosqueseactivanalincidirun determinadoestmuloluminosoenlaretina.As,porejemplo,cuandolaluzincidenteesuna componentemonocromticacorrespondientealamarillo,seactivarnlosreceptoresrojoyverde (vase la grfica de la figura 1.9) que la corteza visual interpretar como una sensacin de amarillo. Si bien la teora tricromtica de la existencia de tres tipos de sensores lumnicos en la retina ha sido verificadapordistintosexperimentos,annoestcompletamenteclarocmosetransmitenestas sealesalcerebronicomostelasinterpreta.Lapresenciadelostrestiposdeconossehapodido comprobar con distintas pruebas y experimentos. Una de estas experiencias consiste en examinar la luz reflejada por la retina bajo diversas condiciones de iluminacin. Cuando la iluminacin es de baja intensidad, de manera que puede considerarse que solo estn activos los bastones, la luz reflejada tiene un espectro en el que se detecta una fuerte absorcin de las componentes azules (longitudes de onda prximas a 500 nm). Esto es debido a que los bastones absorben preferentemente estas componentes frecuenciales, como se deduce de la curva de sensibilidad escotpica. En condiciones de iluminacin diurna, donde puede considerarse como buena aproximacin que slo estn operativos los conos, la luz reflejada por la retina muestra una fuerte absorcin energtica en las longitudesdeondacorrespondientesalrojoyalverdedebidoalapresenciadelospigmentos erythrolabeychlorolabeexistentesenlosconossensiblesaestasfrecuencias.Laabsorcinenla componenteazulesmsdifcildedetectardebidoalamenorsensibilidaddeestoselementos.Otra experiencia con la que se ha conseguido verificar la presencia de estos tres tipos de sensores consiste enexaminaratravsdelmicroscopiounaescisindelaretinahumana,observandoquelosconos adoptan los colores correspondientes a los tres colores primarios postulados en la teora tricromtica. Recientementesehapostuladolaexistenciadehasta7tiposdeconosqueson sensibles a distintas longitudes de onda. No obstante, esta hiptesis no est completamente verificada ni aceptada, ya que slolos3tiposprincipalestienenunadensidadimportanteenlaretina.Porloquerespectaalos sistemasdetelevisinnoparecenecesariohacerusodeestosresultadosparaobtenerunabuena calidad de imagen. La densidad de conos en el ojo humano es muy superior al nmero de seales que se envan al cerebro atravsdelnervioptico.Dehecho,elnmerodefibrasdelnerviopticoesslodelordende decenas de miles mientras que el nmero de conos es del orden de millones. Est plenamente aceptado que una parte importante del procesamiento de seales implcito en el sistema de visin humano se realiza directamente en la retina, combinando las seales sensadas por los conos para enviar al cerebro informacinpreprocesada.Estaetapadelsistemavisualsedenominavisindebajonivelynoest clarohastaqupuntosetratadeunainterconexindesealeshereditariaosiserealizauncierto aprendizaje en las primeras etapas despus del nacimiento. Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.1Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual31 1.4.5Estmulos de los fotoreceptores: sensacin de color Laconclusinmsrelevantedeestemecanismodevisinesquelasensacindecolordepende nicamentedelassealesrecibidasporlosconosytransmitidasalcerebro.Losrganosdevisin sernincapacesdediferenciardosimgenesqueproduzcanelmismopatrndeexcitacinenlos conos. Hemos visto que una luz monocromtica pura correspondiente al color amarillo provocar una cierta respuesta de los conos correspondientes al rojo y al verde, ya que ambas curvas muestran cierta sensibilidad a esta frecuencia. La sensacin de color obtenida podr reproducirse combinando una luz rojayunaluzverdequeproduzcanlamismarespuestaenlosconosquelaluzamarillaoriginal, siendo imposible distinguir, para el sistema visual, la composicin espectral de ambos estmulos. Si el objeto radia un espectro visible arbitrario Ci(), podemos calcular la respuestas de cada uno de los sensores construyendo un modelo de percepcin del color basado en las curvas de sensibilidad de lafigura1.9.Segnestemodelo,elestmuloobtenidoporlosdistintostiposdereceptorespuede expresarse como: maxminmaxminmaxmin) ( ) ( ) () ( ) ( ) () ( ) ( ) (d C S Cd C S Cd C S Ci B i Bi G i Gi R i R(1.4) donde R(Ci), G(Ci), B(Ci) representan la respuesta de cada uno de los receptores al espectro visible Ci()ySR(),SG(),SB()correspondensuscurvasdesensibilidadespectral.Loslmitesde integracin, min y max son las longitudes de onda extremas en el margen visible. Atendiendoaestemodelo,podemosconcluirquedosespectrosvisiblesdistintosC1()yC2() producirn la misma sensacin de color en el observador siempre que: ) ( ) () ( ) () ( ) (2 12 12 1C CC CC CB BG GR R (1.5) Es evidente que esta condicin puede verificarse sin necesidad de que los dos espectros C1() y C2() sean iguales. As por ejemplo, para que las componentes R coincidan, basta con que las reas bajo las curvasSR()C1()ySR()C2()seaniguales,loquepuedecumplirseauncuandolosdosespectros sean distintos. La conclusin directa de este resultado es que, debido a que el sistema visual humano no identifica el espectrovisiblecompletodelosobjetos,sinoquenicamenteutilizaestastrescomponentes ponderadas, es posible que objetos con espectros completamente distintos puedan producir las mismas sensacionesdecolor.Estojustificaquetodoslossistemasderepresentacindeimgenesutilicen Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.32Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital nicamente tres muestras del espectro de la escena sin que ello represente una prdida de informacin desde el punto de vista del espectador. Esta idea es el principio bsico sobre el que se basa la sntesis de los colores: para reproducir el color deunobjetoquetieneunespectroC1()bastaconsintetizarunespectroC2()queproduzcalos mismos estmulos visuales que el original. Veremos los detalles de esta idea en el siguiente apartado. Resumiendo,podemosobtenercualquiersensacindecolorcombinandoloscoloresprimariospara que la respuesta de los tres tipos de conos coincida con la que se obtiene con los estmulos del mundo real,demodoquecualquierestimuloluminoso,seacualseasucomposicinespectral,puedeser sustituidoporunamezclaadecuadaconloscoloresprimariosrojo,verdeyazulsinquesea perceptualmentedistinguibleladiferenciaentreambosestmulos.Aspues,laescenaoriginal (x,y,z,t,)puedesustituirse,sinprdidaaparentedeinformacinparaunobservadorhumano,por tresfuncionesquerepresentanlastrescomponentesdecolordelaescenatalycomohabamos postulado en la ecuacin 1.2. Visin dicromtica Eldaltonismo es un defecto de la visin relacionada con la carencia de respuesta de uno de los tres tipos de conos. Alrededor de un uno por ciento de los varones son dicromticos, es decir, utilizan slo dosdeloscoloresprimariosparalapercepcindelcolor.Losindividuosconcegueraenla componente roja son incapaces de distinguir entre las tonalidades rojas, naranjas, amarillas y verdes resultantesdelamezclaentreloscoloresrojoyverde.Todasestastonalidadeslasobservancomo verdes.Lacegueraenlacomponenterojatampocopermitediscriminarentrelastonalidades anteriores,aunqueenestecasoseobservancomorojas.Estosdostiposdedaltonismoslopueden diferenciarentreloscoloresverde,rojoyamarillobasndoseensubrillo,porloquetienen dificultadesparadistinguirloscoloresdeunsemforoodedistintoselementoshabitualesen seguridad vial. La luz blanca la observan coloreada debido a la falta de respuesta en uno de los colores primarios. La ceguera en la componente azul es ms rara y slo afecta a un individuo de cada 50000. En este caso pueden distinguirse las distintas tonalidades entre el rojo y el verde y la capacidad global de discriminacin de colores es bastante superior a los otros dos tipos de daltonismo. 1.4.6Tradas RGB en displays de TV En sistemas de televisin en color las imgenes se descomponen en sus tres colores bsicos mediante filtrospticoscuyosprincipiosdefuncionamientodescribiremosen un apartado posterior. La seal que se enva al receptor contiene informacin sobre las tres componentes de color pero no describe el contenido espectral completo de los objetos. Las imgenes se presentan al espectador en un display, que normalmente es un tubo de rayos catdicos (o ms recientemente displays de cristal lquido), en el que se superponen los tres colores bsicos y a partir de los cuales, el sistema visual recompondr la informacin de color completa. En el caso de los tubos de rayos catdicos, la imagen que se presenta al espectador se obtiene iluminando tres tipos distintos de fsforos que emiten en longitudes de onda prximasaloscoloresbsicos.Losfsforossondetamaoreducidoyseencuentrandistribuidos Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.1Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual33 uniformemente en toda la superficie de la pantalla de modo que al observarlos desde cierta distancia el ojo integra sus contribuciones observando la mezcla de colores y no sus colores individuales. Enlafigura1.10serepresentaunesquemadeladistribucindelosfsforosenlapantalladeun receptor. Cada grupo de tres fsforos se denomina trada y, para el caso representado en la figura, los fsforos tienen forma aproximadamente circular y su distribucin es tal que la trada tiene una forma triangular. Existen otras posibles formas y distribuciones, como en el caso de los tubos de imagen del tipoTrinitron, en las que los fsforos se distribuyen en bandas verticales y que permiten aprovechar una mayor rea de iluminacin en la pantalla. En el captulo dedicado a los displays analizaremos con ciertodetallelasdistintasalternativasexistentesenelmercadoydiscutiremossusventajase inconvenientes. Fig. 1,10Disposicin en delta de los fsforos en un display Loscoloresexactosdelosfsforossonmuyimportantes.Enprincipio,eligiendoundeterminado conjuntodetresfsforos,cuyasradiacionesestncentradasaproximadamenteenlasfrecuenciasde loscoloresrojo,verdeyazul,puedenobtenerse casi todas las sensaciones de color. Para obtener un determinado color bastar con ajustar el nivel de radiacin de cada fsforo para que activen los conos de la retina en la proporcin adecuada. Sin embargo, si se sustituye uno de los fsforos por otro cuyo espectroderadiacinnoseaexactamenteigual,lasensacindecolorsemodificaapreciablemente, siendonecesariorecalcularlasintensidadesderadiacindetodoslosfsforos.Porello,enlos sistemas de televisin debe establecerse a priori las caractersticas de radiacin y los colores bsicos de los fsforos para que todos los receptores vean los mismos colores. 1.4.7Sistemas de coordenadas para la representacin del color: principios de colorimetra Hemos visto que es fundamental definir sistemas de coordenadas que permitan representar los colores sinambigedadyconarregloaalgnconveniopreestablecido.Conellopodremoscuantificarla informacin de color y estableceremos las bases para transmitir esta informacin a los receptores. La medida, cuantificacin y representacin grfica de los colores y sus posibles combinaciones se conoce con el nombre de colorimetra. Ladefinicindeunsistemadecoordenadasparacuantificarloscoloresexigeespecificarcon exactitud las caractersticas espectrales primarios, de modo que un color pueda identificarse como una tripleta de nmeros que establece en que proporcin debe intervenir cada uno de estos primarios en su R GB R GB R GB R GB R GB R GB R GB R G B RRR GB R GB R GB R GB R GB R GB R GB R G B RR Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.34Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital sntesis. Una vez fijado el conjunto de primarios, la obtencin de la tripleta de coordenadas asociadas aundeterminadoespectroC1()requierelaresolucindeunsistemadelinealecuaciones.El planteamiento del problema es el siguiente: Supongamos que pR(), pG(), pB() representan los espectros de radiacin asociados a cada uno delostrescoloresconsideradoscomoprimariosydenotemoscomoR,G,B las coordenadas asociadas a un color C1() representado sobre el anterior conjunto de colores primarios. El color que obtenemos ponderando los primarios mediante estas coordenadas es: ) ( ) ( ) ( ) (2 + + B B G G R Rp p p C (1.6) Esevidentequesilascoordenadasanterioresrepresentancorrectamenteelcolor,losestmulos producidos por C1() y C2() en los tres tipos de receptores visuales deben coincidir. Esto implica que deben verificarse las siguientes ecuaciones: ) ( ) ( ) ( ) ( ) () ( ) ( ) ( ) ( ) () ( ) ( ) ( ) ( ) (2 12 12 1B B B G B G R B R B BB G B G G G R G R G GB R B G R G R R R R Rp p p C Cp p p C Cp p p C C + + + + + + (1.7) donde hemos aplicado que la relacin integral que define el clculo de la respuesta de los receptores de la retina es lineal. Ntese que los trminos de la derecha son escalares que, una vez conocidos el espectro del color a sintetizar C1() y las curvas de sensibilidad de cada uno de los receptores, podran ser calculados a partir de la ecuacin 1.4. Los trminos X(pZ) corresponden a ecuaciones anlogas que tambin podrancalcularseapartir del espectro visible de los primarios y las curvas de sensibilidad. En este caso, las expresiones vendran dadas por: maxmin) ( ) ( ) ( d p S pZ X Z X(1.8) donde los subndices X y Z se utilizan para denotar cualquiera de las componentes R,G,B. La ecuacin 1.7 puede expresarse en forma matricial como: ]]]]]

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BGRB B G B R BB G G G R GB R G R R RBGRp p pp p pp p pCCC) ( ) ( ) () ( ) ( ) () ( ) ( ) () () () (111(1.9) que en forma vectorial escribiremos: rrP (1.10) Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.1Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual35 dondePrepresentalamatrizasociadaaloscoloresprimariosquedefinenestesistemade coordenadas,ylosvectoresylosestmulosdelossensoresylascoordenadasdelcolor respectivamente. Esta relacin algebraica simple tiene un gran inters terico, puesto que establece que la relacin entre las coordenadas de color y los estmulos recibidos por los conos es lineal (siempre de acuerdo con el modelo simplificado que estamos utilizando). Esto permite establecer dos resultados importantes: 1)Las coordenadas de un color obtenido como superposicin de dos espectros C1() y C2() se corresponden con la suma de las coordenadas asociadas a cada uno de los espectros. 2)Silaamplituddelespectroincidenteaumentaenunfactor,lascoordenadasdelcolor asociado tambin quedan afectadas por este mismo factor. Estosdosresultadospermitenquepodamosoperarconlascoordenadasdeloscolorescomosise tratara de vectores algebraicos. La suma de dos tripletas de coordenadas representar la combinacin de dos colores y el producto de una tripleta por un escalar, un aumento o disminucin de luminosidad, ya que, en este caso, la composicin espectral de la luz no se modifica. 1.4.8Normalizacin de las coordenadas de color: coeficientes triestmulo Eshabitualtrabajarconcoordenadasdecolornormalizadas,demaneraqueelcolorblanco correspondaalatripleta(1,1,1).Conelloseconsiguequelastrescomponentestenganrdenesde magnitud parecidos, simplificando la interpretacin de las posibles mezclas de colores. El proceso de normalizacinpuedeconsiderarsecomounajustedeamplituddelosespectrosprimariosquese utilizan como patrn. Los sistemas de coordenadas en los que el color blanco queda representado con todas las componentes igual a la unidad son los ms utilizados y reciben el nombre de componentes triestmulo. 1.4.9Cambio de sistema de coordenadas Veremosqueexistendiversossistemasdereferenciaparaexpresarcuantitativamente los colores. El uso de uno u otro sistema de coordenadas depende de la problemtica que estemos considerando, por loquesueleserhabitualtenerquerealizarcambiosdecoordenadasparaexpresarloscoeficientes triestmulo en diferentes sistemas. Elcambiodecoordenadasserealiza,entodosloscasos,multiplicandoelvectordecoeficientespor una matriz 3 3. En efecto, supongamos que t y t son los coeficientes triestmulo que representan a un mismo color en dos sistemas distintos que vienen caracterizados por las matrices Q y Q: ' ' ) () (t Qt Qrrrr CC(1.11) La relacin entre los coeficientes triestmulo en los dos sistemas viene dada por: Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.36Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital t R t Q Q' tr r r 1) ( ' (1.12) dondeRrepresentalamatrizdecambiodesistemadecoordenadas.Evidentemente,larelacin inversa se obtiene multiplicando por la inversa de esta matriz: '1t R tr r (1.13) Esevidentequeaunqueslohemosdeducidoestasecuacionesparaprimariosnormalizados (coeficientes triestmulo), el tipo de relacin se mantiene aun cuando estemos considerando un sistema de coordenadas no normalizado. Estas transformaciones lineales entre distintos sistemas de coordenadas tienen una gran importancia desdeelpuntodevistatecnolgico,pues,enprincipio,permitendesvinculareltipodefsforos utilizadosenrecepcindelassealestransmitidas.Asporejemplo,siundeterminadofabricante decide introducir un nuevo tipo de fsforos en sus receptores, slo requerir realizar la transformacin lineal que relaciona su sistema de reproduccin con el codificado en la transmisin para adaptarse a las caractersticas de los nuevos elementos. 1.4.10Sistema de coordenadas con primarios monocromticos En1931elC.I.E.(CommissionInternationaledeLEclairecomitinternacionaldedicadoala establecer normativas sobre la representacin del color) propuso utilizar como sistema de coordenadas pararepresentarloscoloresunconjuntodeprimariosmonocromticos.Laslongitudesdeondade estos primarios son de 700 nm, 546.1 nm y 435.8 nm para el rojo, verde y azul respectivamente. Al tratarse de colores monocromticos, pueden expresarse analticamente como: ) 10 8 , 435 ( ) () 10 1 , 546 ( ) () 10 700 ( ) (999 BGRppp(1.14) donde()representalafuncinDeltadeDirac,demodoqueenestecaso,loscoeficientesdela matriz P asociada a este sistema de coordenadas representan muestras sobre las curvas de sensibilidad de los tres tipos de receptores de la retina. En efecto, podemos escribir: ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (maxminmaxminZ X Z X Z X Z XS d S d p S p (1.15) demodoqueparticularizandolosvaloresdeXyZalasdistintascomponentesdecolorR,GyB, obtenemos una matriz P en la que cada fila est formada por tres muestras de la curva de sensibilidad de un tipo de conos en las frecuencias asociadas a los colores considerados como primarios: Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.1Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual37 ]]]]]

) ( ) ( ) () ( ) ( ) () ( ) ( ) (B B G B R BB G G G R GB R G R R RS S SS S SS S SP (1.16) Esteconjuntodeprimariossenormalizarespectoaunblancodereferenciaquetieneunespectro planoentodoelmargenvisible.Loscoeficientestriestmuloobtenidosporestanormalizacinse denotaran como RC, GC y BC. 1.4.11Sistema de coordenadas basado en los fsforos del receptor NTSC LaseleccindelosfsforosparaelsistemaNTSCserealizen1953teniendoencuentalos materialesexistentesenaquellapocaylastendenciasfuturas.Loscoloresseleccionados,sibien estncentradossobrelasregionesroja,verdeyazuldelespectrovisible,nofueronpuramente monocromticos por cuanto el rendimiento luminoso de este tipo de materiales es muy bajo y hubiera sidonecesarioaplicargrandespotenciasdesealparaexcitarlosadecuadamente.Enestecasolos primariosestnnormalizadosparaque,conlostrescomponentestriestmuloigualalaunidad,se obtenga un color aproximadamente blanco que se utiliza como referencia.Este blanco de referencia esligeramentedistintoqueeldefinidoporelCIE.Loscoeficientestriestmuloutilizadoseneste sistema de coordenadas se denotan como RN, GN y BN. Larelacin matricial entre las componentes del receptor NTSC y los primarios monocromticos del C.I.E. viene dada por: ]]]]]

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CCCNNNBGRBGR897 . 0 069 . 0 008 . 0203 . 0 320 . 1 129 . 0091 . 0 156 . 0 842 . 0(1.17) Evidentemente, la relacin inversa puede obtenerse invirtiendo la matriz de cambio de coordenadas. A pesar que la tecnologa de fabricacin de fsforos ha evolucionado considerablemente desde 1953, este sistema de coordenadas sigue siendo uno de los ms utilizados para referirse a las seales que se envan a travs de cualquier sistema de televisin. De hecho, veremos que aunque tanto en el sistema NTSC como en el PAL, las seales de informacin de color no se corresponden directamente con las componentesRN,GNyBN,siempresesuelenexpresarenfuncindeestesistemadecoordenadas. Debido a su gran uso, siempre que nos refiramos de manera genrica a las componentes R, G, B, sin hacer referencia a ningn subndice,entenderemos que se trata de este sistema de coordenadas. Desde 1953 hasta la aparicin de los primeros sistemas de televisi