Fundamentos Esenciales de Hardware e Imagen Digital: Píxeles, Color, Formatos y Compresión

Conceptos Fundamentales de Hardware y Software

Definiciones Básicas

Software: Se refiere a los programas y aplicaciones, es decir, la parte lógica e intangible de un sistema informático.

Hardware: Corresponde a los componentes físicos internos y externos de un ordenador o dispositivo electrónico.

Elementos Básicos del Hardware

• Unidad de Entrada (UE): Permite introducir datos al sistema (ej. teclado, ratón).
• CPU (Unidad Central de Procesamiento): Procesa los datos y ejecuta instrucciones.
• Unidad de Almacenamiento: Guarda datos de forma temporal o permanente (ej. disco duro, SSD, RAM).
• Unidad de Salida (US): Muestra los resultados del procesamiento (ej. monitor, impresora).

Componentes Clave del PC

Placa Base

Es la tarjeta de circuitos principal donde se conectan todos los dispositivos internos del PC.

CPU (Unidad Central de Procesamiento)

Es el cerebro del ordenador. Se encarga de controlar y ejecutar todos los procesos. Físicamente, es un chip que contiene millones de transistores (interruptores diminutos que operan en estados On/Off). Cuenta con un sistema de memoria primaria muy rápida llamada memoria caché, que se sitúa entre el procesador y la memoria RAM (no exclusivamente entre el Disco Duro y el procesador, aunque existen cachés a nivel de disco).

Memoria ROM (Read-Only Memory) / BIOS

(El texto original describía la ROM/BIOS bajo el epígrafe de RAM).

Contiene una serie de rutinas básicas (firmware) que permiten que el procesador se comunique con los distintos periféricos al arrancar el sistema. Esta memoria, tradicionalmente, no se borra al apagar el equipo y su contenido es uno de los primeros que el microprocesador lee cuando se enciende el ordenador. (Nota: La Memoria RAM -Random Access Memory- es volátil y se usa para el trabajo activo del sistema operativo y las aplicaciones, almacenando datos e instrucciones temporalmente mientras el ordenador está encendido).

Unidad de Almacenamiento (Secundario)

Sirve para almacenar grandes cantidades de datos de forma permanente (o semipermanente). La capacidad del disco duro (HDD o SSD) dependerá de la cantidad de información (programas y archivos) que se necesite guardar.

Medios Ópticos

• CD-ROM (Compact Disc - Read-Only Memory): Discos compactos cuyos datos son de solo lectura, con capacidades típicas hasta 700-800 MB.
• CD-RW (Compact Disc - ReWritable): Discos compactos regrabables.
• DVD (Digital Versatile Disc): Discos con mayor capacidad, típicamente 4.7 GB (una capa) o más.

Periféricos

Unidades de Entrada

Permiten introducir información al ordenador. Ejemplos: teclado, ratón, escáner, micrófono, fax (como entrada).

Unidades de Salida

Muestran o exteriorizan la información procesada por el ordenador. Ejemplos: monitor, impresora, altavoces, tarjeta de red (para comunicación), tarjeta de sonido (para audio), tarjeta gráfica (para visualización).

Magnitudes y Unidades Informáticas

Las magnitudes en informática se basan en el código binario (sistema de base 2, usando dígitos 0 y 1).

Unidades de Medida de Almacenamiento

• Bit (b): La unidad más pequeña de información (un 0 o un 1).
• Byte (B): Conjunto de 8 bits.
• Kilobyte (KB): 1024 bytes (en sistema binario) o, a veces, 1000 bytes (en sistema decimal).
• Megabyte (MB): 1024 KB o 1000 KB.
• Gigabyte (GB): 1024 MB o 1000 MB.
• Terabyte (TB): 1024 GB o 1000 GB.

Fundamentos de la Imagen Digital

Metaformatos (Formatos Contenedores Multimedia)

Son formatos utilizados en aplicaciones de vídeo o animación, como AVI, MPEG, MOV, etc. Estos formatos actúan como contenedores para gráficos multimedia, permitiendo disponer de un vídeo compuesto por muchas imágenes sucesivas (fotogramas) que se reproducen de forma sincronizada junto con el sonido y otros datos.

Tipos de Gráficos Digitales

Imágenes de Mapa de Bits (Bitmap o Raster)

Una imagen de mapa de bits está compuesta por una rejilla de pequeños puntos o píxeles, cada uno con sus propios valores de color y luminancia. El conjunto de estos píxeles compone la imagen total. Para que un ordenador dibuje un gráfico de mapa de bits, debe procesar la información de cada uno de los puntos que constituyen la imagen. Son dependientes de la resolución: al ampliarlas pueden perder calidad y mostrarse pixeladas.

Imágenes Vectoriales

Se representan mediante trazos geométricos (líneas, curvas, polígonos) controlados por cálculos y fórmulas matemáticas. Estos objetos toman algunos puntos de la imagen como referencia para construir el resto. Las imágenes vectoriales son independientes de la resolución, lo que significa que pueden escalarse a cualquier tamaño sin perder calidad.

Conceptos Clave de la Imagen de Mapa de Bits

Píxel

Es la abreviatura de la expresión inglesa "Picture Element" (Elemento de Imagen). Es la unidad más pequeña que compone una imagen de mapa de bits. El píxel es la unidad mínima en que se divide la retícula de la pantalla del monitor, y cada uno de ellos muestra un color específico. Generalmente se considera de forma cuadrada y tiene una posición relativa al resto de píxeles en el mapa de bits. Cada píxel almacena información de color, cuya cantidad se define por la profundidad de color (expresada en bits).

Resolución

La resolución es la densidad de píxeles que tiene una imagen, o el número total de píxeles que la componen. Se puede expresar de varias maneras:

• Resolución total: El número total de píxeles, a menudo expresado como anchura x altura (ej. 1920x1080 píxeles).
• Densidad de píxeles: Indica la cantidad de píxeles que hay en una determinada medida de longitud, usualmente una pulgada (1 pulgada = 2.54 cm). Se mide en PPI (Píxeles Por Pulgada) o, a veces, PPP (Puntos Por Pulgada, aunque PPP se refiere más a menudo a la resolución de impresión). Raramente se usa píxeles por centímetro.

Si conocemos las dimensiones físicas de la imagen y su densidad de píxeles, podemos averiguar la cantidad total de píxeles que la componen.

Ejemplo de Cálculo de Píxeles Totales

Si una imagen cuadrada mide 3 pulgadas de lado y tiene una resolución de 72 PPI:

• Píxeles por lado = 72 píxeles/pulgada * 3 pulgadas = 216 píxeles
• Píxeles totales de la imagen = 216 píxeles (ancho) * 216 píxeles (alto) = 46,656 píxeles.

(El cálculo original (72 x 3)² = 216² = 46,656 es correcto si se interpreta como (píxeles por lado)² para una imagen cuadrada de 3 pulgadas de lado).

Profundidad de Color

La profundidad de color (también denominada profundidad del píxel o profundidad de bits de una imagen) se refiere al número de bits utilizados para representar el color de un solo píxel. Determina la cantidad de colores diferentes que puede contener cada uno de los puntos o píxeles que forman un archivo gráfico. En otras palabras, la profundidad de color depende de la cantidad de información (bits) que puede almacenar un píxel.

Cuanto mayor sea la profundidad de bits en una imagen, más colores habrá disponibles y, generalmente, más exacta será la representación del color en las imágenes digitales.

Tabla de Profundidad de Color y Tonos Posibles

(Nota: El valor "5 bits" del texto original fue interpretado y corregido a "8 bits" para corresponder a 256 tonos, que es un estándar común. 5 bits serían 2⁵ = 32 tonos).

Modos de Color

No hay que confundir la profundidad de color con los modos de color. La profundidad de color es la cantidad máxima de datos (bits) que puede almacenar un píxel para definir su color. El modo de color, por otro lado, es un sistema para organizar y describir los colores en una imagen digital, definiendo cómo se interpreta la información de color almacenada en los píxeles y, a menudo, la cantidad máxima de datos de color que se puede almacenar en un determinado formato de archivo.

Principales Modos de Color

Modo de Color Indexado

Este modo utiliza una paleta de colores limitada, con una profundidad de color máxima de 8 bits por píxel, lo que permite un máximo de 256 colores. Cada imagen en modo indexado tiene su propia tabla de consulta de colores (CLUT). Es común en formatos como GIF.

Limitaciones (ej. en Photoshop):

• Muchas herramientas de edición de color no son operativas con una paleta tan restringida.
• La mayoría de las imágenes del mundo real (fotografías) se componen de muchos más de 256 colores, por lo que la conversión a color indexado puede suponer una pérdida de calidad visible.

Modo Escala de Grises

Ofrece una imagen monocromática que representa los colores como tonos de gris, desde el blanco puro hasta el negro puro. Estas imágenes suelen estar construidas con 8 bits por píxel, lo que permite 256 tonos de gris. En software como Photoshop, la mayoría de las herramientas funcionan en este modo, excepto aquellas específicas para la aplicación de color (como pinceles de color, ajustes de tono/saturación, etc.).

Modo de Color RGB (Rojo, Verde, Azul)

Ofrece una imagen tricromática (tres colores) compuesta por los colores primarios de la luz: Rojo (Red), Verde (Green) y Azul (Blue). Es el estándar de imagen de color utilizado en dispositivos que emiten luz, como monitores de vídeo, pantallas de ordenador, cámaras digitales y escáneres.

El modelo de color RGB es aditivo: la suma o adición de los tres colores primarios en su máxima intensidad produce el blanco; la ausencia de todos produce el negro. Estas imágenes se componen de tres canales, uno para cada color primario (R, G, B). Comúnmente, cada canal tiene 8 bits, resultando en 24 bits por píxel (8+8+8 = 24 bits).

Modo de Color CMYK (Cian, Magenta, Amarillo, Negro)

Ofrece una imagen cuatricromática (cuatro colores) compuesta por los cuatro colores primarios para impresión: Cian (Cyan), Magenta (Magenta), Amarillo (Yellow) y Negro (Key/Black). Este modo se utiliza principalmente en la preparación de imágenes para la impresión profesional.

El modelo de color CMYK es sustractivo: los pigmentos absorben ciertas longitudes de onda de la luz y reflejan otras. La suma teórica de cian, magenta y amarillo puros debería producir negro, pero en la práctica resulta en un marrón oscuro. Por ello, se añade una tinta negra (K) para lograr negros más profundos y ahorrar tinta. Para cada canal (C, M, Y, K) se suelen usar 8 bits, resultando en 32 bits por píxel.

Modo de Color Lab

El modo de color CIE Lab (o L*a*b*) se basa en la percepción humana del color y es independiente del dispositivo. Consiste en tres canales:

• L (Luminosidad): Representa el brillo del color (de 0 negro a 100 blanco).
• a: Eje cromático que va del verde (-a) al rojo (+a).
• b: Eje cromático que va del azul (-b) al amarillo (+b).

Cada uno de los tres canales puede tener diferentes rangos de valores, pero en implementaciones digitales como Photoshop, a menudo se representan con 8 bits por canal. El color Lab está diseñado para crear colores coherentes independientemente de los dispositivos (monitores, impresoras, ordenadores) utilizados para crear o reproducir la imagen. Es útil para correcciones de color avanzadas.

Modo Duotono (Monotono, Tritono, Cuadritono)

Permite crear imágenes en escala de grises a las que se añaden una o más tintas planas (hasta cuatro: monotono, duotono, tritono, cuadritono, además del negro implícito en la escala de grises original) con el fin de colorear distintas gamas de grises o añadir riqueza tonal. Con este método, podemos obtener una fotografía en blanco y negro (B/N) virada al color o colores que deseemos, o mejorar su rango dinámico en impresión.

Modo Multicanal

Las imágenes en modo multicanal están compuestas por múltiples canales, cada uno con 256 niveles de grises (8 bits por canal). Este modo es útil para trabajos de impresión especializados o análisis científico de imágenes. Al convertir una imagen a modo multicanal (por ejemplo, en Photoshop), una imagen RGB se descompone en tres canales de escala de grises (Rojo, Verde, Azul como canales individuales), y una CMYK se descompone en cuatro canales (Cian, Magenta, Amarillo, Negro como canales individuales).

Modelo HSB (Tono, Saturación, Brillo)

El modelo HSB (Hue, Saturation, Brightness) describe el color basándose en tres características perceptuales:

• Tono (Hue): Es el color puro en sí mismo (rojo, amarillo, verde, azul, etc.), tal como se percibe en el espectro visible o en un círculo cromático. Se suele medir en grados (0-360°).
• Saturación (Saturation): Es la intensidad o pureza del color. Un color con alta saturación es vivo y rico; un color con baja saturación es apagado y se acerca al gris. Se mide como un porcentaje (0-100%).
• Brillo (Brightness) o Valor (Value): Es la claridad u oscuridad del color. Indica cuánta luz parece emitir o reflejar el color. Se mide como un porcentaje (0-100%), donde 0% es negro y 100% es el color en su máxima luminosidad.

(Nota: El texto original presentaba una descripción confusa de "TONO", que ha sido corregida para reflejar su significado estándar en HSB/HSV).

Aumentar la Resolución por Interpolación

Cuando se aumenta el tamaño (dimensiones en píxeles) de una imagen de mapa de bits, el software debe crear nuevos píxeles. Este proceso se llama interpolación. Aumentar la resolución por interpolación, especialmente de forma significativa, casi siempre supone una disminución perceptible de la calidad de la imagen, ya que los nuevos píxeles se "inventan" basándose en los existentes.

Métodos Comunes de Interpolación

Por Vecindad (Nearest Neighbor / Aproximación)

Es el método de interpolación más rápido pero el menos preciso. Simplemente duplica los píxeles existentes. Produce bordes nítidos pero puede generar un efecto dentado o "pixelado", especialmente al escalar significativamente la imagen o al realizar múltiples manipulaciones en una selección. Es útil para gráficos con bordes definidos que no deben suavizarse (ej. pixel art).

Bilineal

Este método calcula el valor de cada nuevo píxel promediando los valores de los cuatro píxeles vecinos más cercanos en la imagen original. Es un método de calidad media, más lento que "Por Vecindad" pero más preciso, produciendo resultados más suaves.

Bicúbica

Es un método más complejo y generalmente más preciso. Examina los valores de los 16 píxeles vecinos más cercanos (una matriz de 4x4). Genera gradaciones de tonos más suaves y suele ser el método preferido para ampliar fotografías, aunque es el más lento de los tres. Existen variantes como "Bicúbica más suavizada" (para ampliaciones) y "Bicúbica más enfocada" (para reducciones).

Formatos de Archivo de Imagen y Técnicas de Compresión

Formatos de Archivo Comunes

PSD (Photoshop Document)

Es el formato nativo de Adobe Photoshop. Permite guardar todos los elementos y propiedades de edición del proyecto: capas, canales alfa, máscaras, trazados, selecciones, estilos de capa, objetos inteligentes, etc. El principal inconveniente es que los archivos suelen ocupar mucho espacio de almacenamiento.

GIF (Graphics Interchange Format)

Es un formato de archivo diseñado para mostrar imágenes de color indexado (hasta 256 colores) y animaciones simples. GIF utiliza compresión sin pérdida LZW, optimizada para reducir el tiempo de transferencia de archivos, especialmente en sus orígenes en la web. Photoshop puede guardar imágenes de mapa de bits, escala de grises o colores indexados en formato GIF. Soporta transparencia de un solo nivel (un color puede ser transparente).

JPEG (Joint Photographic Experts Group)

Se utiliza ampliamente para mostrar fotografías y otras imágenes de tono continuo en la web y en almacenamiento digital. A diferencia de GIF, el formato JPEG puede conservar toda la información de color de una imagen RGB (típicamente 24 bits). La compresión JPEG es con pérdida, lo que significa que se descartan datos de la imagen para reducir el tamaño del archivo. El nivel de compresión es ajustable: una opción de calidad máxima resultará en un archivo menos comprimido y de mayor tamaño (y mejor calidad) que uno comprimido con calidad baja. Importante: Cada vez que se abre, edita y vuelve a guardar un archivo JPEG, se aplica de nuevo la compresión, lo que puede degradar progresivamente la calidad.

PDF (Portable Document Format)

Desarrollado por Adobe, este formato es versátil y puede representar tanto gráficos vectoriales como imágenes de mapa de bits, además de texto, fuentes, y elementos interactivos. Se utiliza para compartir documentos de forma que mantengan su apariencia y estructura independientemente del software, hardware o sistema operativo del destinatario. Puede incluir varios métodos de compresión para sus elementos internos (JPEG, LZW, ZIP, etc.).

TIFF (Tagged Image File Format)

Es un formato flexible que se utiliza para intercambiar archivos entre diferentes aplicaciones y plataformas de ordenadores, común en la industria gráfica y la fotografía profesional. Soporta una amplia gama de modos de color, profundidades de bits, capas, canales alfa y metadatos. Puede utilizar compresión sin pérdida (como LZW o ZIP) o con pérdida (como JPEG dentro del contenedor TIFF). Si se usa compresión sin pérdida, no se eliminan detalles de la imagen.

Compresión de Imágenes

La compresión es el proceso de reducir el tamaño de los datos de un archivo para que ocupe menos espacio de almacenamiento o se transmita más rápidamente por redes. Existen dos tipos principales de compresión:

Compresión sin Pérdida (Lossless)

Reduce el tamaño del archivo sin descartar ninguna información original. La imagen original puede ser perfectamente reconstruida desde el archivo comprimido. Es ideal para imágenes donde la fidelidad es crítica (ej. imágenes médicas, archivos maestros).

RLE (Run-Length Encoding)

Es un esquema de compresión sencillo basado en sustituir secuencias de datos idénticos y consecutivos (corridas o "runs") por un código que indica el valor del dato y el número de veces que se repite. Por ejemplo, "AAAAA" se podría codificar como "5A". Este método es muy eficaz para imágenes con grandes áreas del mismo color (ej. gráficos simples, iconos). En imágenes complejas con muchos colores diferentes, la compresión puede ser mínima o, en casos raros, incluso resultar en archivos de mayor tamaño que el original.

LZW (Lempel-Ziv-Welch)

Es un algoritmo de compresión sin pérdida más sofisticado que RLE. Construye una tabla de cadenas de datos y reemplaza las secuencias repetidas por códigos más cortos. Utilizado en formatos como GIF, TIFF y PDF. Es eficaz con imágenes que contienen áreas de color de gran tamaño o patrones repetitivos.

ZIP

Es un popular algoritmo de compresión sin pérdida (basado en DEFLATE, que combina LZ77 y codificación Huffman) diseñado para ser empleado con todo tipo de ficheros, no solo gráficos. Tiene la ventaja de ser ampliamente soportado en la mayoría de las plataformas. Se utiliza comúnmente dentro de formatos contenedores como PDF y TIFF (como opción de compresión).

Compresión con Pérdida (Lossy)

Reduce el tamaño del archivo descartando permanentemente parte de la información de la imagen. Se intenta eliminar datos que son menos perceptibles para el ojo humano. La imagen original no puede ser perfectamente reconstruida desde el archivo comprimido. Ofrece ratios de compresión mucho mayores que los métodos sin pérdida.

JPEG

Es el sistema de compresión con pérdida más conocido para imágenes. Consigue altos niveles de reducción de tamaño, especialmente para fotografías. Permite la compresión de imágenes a color y en escalas de grises. Funciona transformando la imagen a un espacio de color diferente, cuantificando (descartando información) los datos de frecuencia y aplicando codificación entrópica. Modifica la imagen eliminando datos considerados redundantes o menos importantes visualmente, y puede suavizar bordes y áreas con colores similares. Es, pues, un compresor con pérdidas que hace que la calidad de la imagen se degrade (la cantidad de degradación depende del nivel de compresión elegido) a cambio de un alto índice de compresión. Se utiliza con formatos .JPG/.JPEG y puede ser una opción dentro de .PDF y .TIFF. Como se mencionó, la edición y re-guardado repetidos de archivos JPEG pueden acumular pérdida de calidad.