Fundamentos de la Percepción y Reproducción del Color en Sistemas Visuales

Sensores

Percepción del Color

Los conos perciben distintas bandas de longitudes de onda y con distinta amplitud (no son filtros paso banda abruptos). La interpretación que hace el cerebro permite establecer la sensación de color global.

• Existen tres tipos de conos que perciben el rojo, el verde y el azul.
• El sistema retina-cerebro no es capaz de distinguir si el color que están viendo proviene de una fuente única o si se ha obtenido por mezcla aditiva de tres fuentes.

Reproducción del Color

1ª Ley de Grassman: Por síntesis aditiva del color es posible conseguir todos los colores percibidos mezclando tres franjas del espectro visible (roja, verde y azul) en la proporción de intensidad adecuada, siempre que ninguno de los tres iluminantes (primarios) o valores elegidos pueda obtenerse por mezcla de los otros dos.

Reconstrucción de Imágenes en Color

• Cada punto o píxel de la pantalla se subdivide en tres subpíxeles, cada uno emitiendo un primario con la intensidad correspondiente.
• Gracias a la integración espacial, se puede dividir:
  • Una imagen en líneas horizontales
  • Cada línea en píxeles
  • Cada píxel en los tres puntos de color.
• Existe por tanto una distancia crítica de visionado.

Memoria Visual o Integración Temporal

• El ojo es incapaz de distinguir como distintos varios sucesos luminosos que ocurran con un intervalo menor de 50 ms (valor promedio): “integración temporal”.
• Una excitación lumínica persiste en la retina (memoria visual) durante un tiempo del orden de 50 ms (por eso un flash que sólo destella 1 ms se ve de larga duración) y luego empieza a decrecer exponencialmente.
• Si al ojo se le presentan “pantallazos” de imágenes cada 100 ms, verá que se oscurece la pantalla entre pantallazos y notará parpadeo o flicker.
• Si se le presentan “pantallazos” cada 30 ms no notará parpadeo, tendrá sensación de imagen continua y se podrá recrear el movimiento.

Barrido Progresivo

Se escanea entero el cuadro o imagen.

Barrido Entrelazado

• Considerando el uso de 2 campos para presentar un cuadro en las pantallas, se aprovechó para paliar limitaciones tecnológicas en los sensores, introduciendo el barrido entrelazado.
• El sensor capta la imagen o cuadro en “dos tiempos” (dos campos consecutivos), en cada uno capta la imagen con la mitad de líneas horizontales, estando desplazadas verticalmente una respecto a la otra el alto de una línea.
• Defecto del entrelazado:
  1. Un sensor actual puede hacer esto respetando el alto de una línea, pero los sensores iniciales no lo respetaban y solapaban líneas.
  2. Este solapamiento disminuye la resolución vertical, pero también el ancho de banda requerido y se evalúa con el “factor de Kell”.

Señales de Sincronismo

• Para facilitar a la pantalla la correcta disposición de las líneas y píxeles respecto a lo captado por el sensor, se añade al final de los datos de cada línea horizontal, una señal de sincronización (ISH). Lo mismo ocurre al final de cada campo o cuadro (ISV).
• En vídeo analógico estas señales tienen forma de pulsos y en vídeo digital son tramas de bits específicas.
• En cualquier caso, el tiempo requerido para estas señales va incluido dentro del tiempo de línea y cuadro respectivamente.

Señales de Video

1. Captación y reproducción: R G B: 3 señales independientes eléctricamente pero sincronizadas entre sí.
2. Señales de producción y transmisión: Componentes Y Cb Cr:
   • 3 señales independientes y sincronizadas pero menos sensibles a descompensaciones entre canales.
   • Luminancia Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B
   • Diferencias de color: Cb= Kb (B-Y) = 0,564 (B-Y). Cr = Kr (R-Y) = 0,713 (R-Y)

Resolución de Pantalla

Resolución Horizontal

• Nº de líneas verticales blancas y negras que se distinguen en sentido horizontal en el cuadrado central de una pantalla (en una anchura igual a la altura de la imagen) NO en el ancho total.
• Relacionada directamente con el ancho de banda.
• Factor de resolución (Líneas/MHz). El factor de resolución incluye el efecto sobre el ancho de banda de otros parámetros de la imagen (frecuencia de cuadro, número de líneas de barrido horizontal, relación de aspecto). O el efecto del ancho de banda de transmisión.

Resolución Vertical

• Nº de líneas Horizontales blancas y negras que se distinguen en sentido vertical en el cuadrado central (en la altura de la imagen).
• Como mucho es el número de líneas horizontales de barrido.

Cámaras

Resumen de Diagrama de una Cámara

El lente capta la escena a registrar, permitiendo operaciones tales como la restricción de la luz entrante mediante el iris o diafragma (a parte de los controles para encuadre de la imagen). La luz pasa por el filtro de temperatura de color para realizar la parte óptica del balance de blancos. El prisma dicroico divide el haz principal en función de la longitud de onda para seleccionar la información correspondiente a los tres primarios. Tres sensores de iguales características captan la luz y generan una carga eléctrica proporcional a la señal incidente. Los preamplificadores adaptan los niveles de señal y permiten realizar ajustes preoperativos tales como balances de negro y de blanco y ajuste de negro. La etapa de procesado permite realizar ciertos ajustes sobre la señal (como compresiones de señal, knee) que pueden variar en función del tipo de cámara. El generador de sincro permite temporizar operaciones tales como el barrido de los sensores y otras. El codificador adapta la señal al formato requerido para la aplicación. El generador de barras genera dicha señal de test. El adaptador permite la conexión con la CCU que se realiza mediante el cable triax, pero se puede implementar con otro tipo de conexión, como FO, por ejemplo.

Las dos tecnologías básicas son CCD (Charge Coupled Device) y CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Se diferencian en el mecanismo de sacar la carga de los fotodiodos durante el escaneo. Ambos obtienen una señal continua en amplitud (proporcional a la carga de cada fotodiodo) y discreta en espacio, de modo que con un sencillo filtro paso bajo se puede convertir en analógica. Si se quiere procesar digitalmente la señal que sale de un sensor, deberá digitalizarse la señal analógica de salida o simplemente discretizar la amplitud de la señal discreta en espacio de salida. En ambos casos se dice que se realiza una conversión A/D. Existen mejoras en los sensores que no suponen tecnología distinta, como son HAD (Hole Accumulation Diode), Hyper-HAD, SuperCCD, Foveon, etc. Un CCD (Charge Coupled Device) es una estructura, integrada en un semiconductor, de celdas capaces de contener una cantidad de carga y de traspasarla a la celda contigua según se aplican tensiones de control. En el sensor CCD la carga electrónica de un fotodiodo se almacena en una celda y luego va pasando de forma secuencial por diversas celdas CCD contiguas, hasta la celda del registro de salida y de ella al dispositivo que la convierte en voltaje. Los sensores CCD tienen distintas soluciones de volcado de la información:

• Frame Transfer.
• Interline Transfer.
• Frame-Interline Transfer.

En los Interline, las celdas CCD de extracción son adicionales a las celdas CCD de carga de los fotodiodos. En un sensor CMOS, la carga de cada fotodiodo se extrae directamente por un hilo conductor al registro de salida. Cada fotodiodo lleva anexo una celda, que actúa como condensador, para acumular la carga y un transistor CMOS que al activarse conecta el condensador a los hilos conductores y permite la descarga hacia el condensador del registro de salida.