Sistemas de TV: Formatos, Digitalización y Estándares de Televisión Digital

1. Relación de aspecto y compatibilidad de formatos

Definimos la relación de aspecto como el cociente entre el ancho y el alto de la pantalla. En los sistemas de televisión antiguos era de 4:3 y actualmente es de 16:9. Se elige más ancho que alto porque nuestros ojos están situados en sentido horizontal.

La compatibilidad entre ambos formatos es uno de los principales problemas con los que se enfrentan los proveedores de señal de TV a medida que se empieza a usar el 16:9.

2. Frecuencia de cuadro mínima y máxima

La sensación de continuidad que se percibe cuando se nos presenta una secuencia de imágenes a una frecuencia suficientemente rápida se debe a la acción conjunta de la persistencia de las imágenes en la retina y al fenómeno phi. El fenómeno phi es el responsable principal de que el sistema visual humano sea capaz de interpolar movimientos de los que solo dispone de información fraccionada y producir sensación de que son continuos.

En conclusión:

• Necesitamos 18 fps para ver movimientos continuos.
• Necesitamos 20 fps para garantizar la sensación de movimiento y que el ojo no perciba el paso de una imagen a otra.
• Necesitamos 40 fps para no percibir el parpadeo.

Algunos efectos, como el estroboscópico, son debidos a que la frecuencia de muestreo resulta suele ser insuficiente para la correcta interpretación del movimiento.

En la práctica se usan 24 fps en cine y 25 fps en Europa para 625 líneas, y 30 fps para 525 líneas.

3. Exploraciones de imagen: cine, TV y entrelazado

En el cine se usa una cadencia de 24 fps. Para proporcionar una cadencia doble y que el cerebro perciba 48 fps, cada fotograma se obtura una vez más durante la proyección.

El efecto de parpadeo es muy notable en TV. Para solventar el problema se usa la exploración entrelazada: la imagen completa se barre cada 40 ms, pero como las líneas están muy juntas y debido a la exploración entrelazada, da la impresión al ojo de que la imagen se refresca cada 20 ms.

El entrelazado de dos campos permite reducir el parpadeo de pantalla, aunque introduce cierta degradación sobre la calidad de las imágenes. Los efectos más conocidos son la vibración interlínea y el arrastre de línea.

La exploración progresiva es cada vez más habitual en producción.

4. Selección del número de líneas de resolución espacial

El número de líneas debe elegirse como un compromiso adecuado para conseguir una buena calidad de imagen y, a la vez, mantener el ancho de banda de la señal dentro de límites razonables. El número de líneas queda determinado por tres parámetros:

• Resolución del ojo humano: la agudeza visual muestra una fuerte dependencia con la iluminación. Con iluminación diurna intensa puede llegar a un máximo de 2 unidades; en condiciones de iluminación diurna normales se sitúa en torno a la unidad, y en iluminación nocturna en 0,04 unidades. Solo pueden distinguirse 2 líneas cuando están separadas por un ángulo de 1′.
• Distancia óptima de visionado: el número de líneas de la imagen viene determinado por el ángulo vertical con el que se observa la altura de la pantalla de TV, de modo que el número de líneas necesario para una correcta calidad coincidirá con dicho ángulo.

El número de líneas en pantalla no puede ser inferior a 515. Además, hay que tener en cuenta que:

• El número de líneas debe ser impar para que el entrelazado sea correcto.
• La frecuencia de líneas debe ser múltiplo de la frecuencia de campo.
• El número de líneas totales debe ser mayor que las visibles.

5. Relación señal/ruido

La relación S/R se expresa en dB y permite determinar cuántas veces la señal de imagen está por encima del ruido (rayas, interferencias) que se introducen en la imagen. Cuanto mayor sea la relación, mejor será la señal.

6. Sistemas de televisión analógica

PAL

Fue introducido en los años 60 en los laboratorios de Telefunken para corregir los problemas de viraje de color del NTSC. Se altera la fase de la subportadora de color línea a línea para conseguir la corrección de los errores de color. Se extendió en 1967 y España lo adoptó en 1973.

NTSC

Primer sistema de color que hubo. Se basaba en la captación, a partir de la escena original, de tres señales de color que se combinaban posteriormente para obtener la señal de luminancia. Los colores rojo, verde y azul son los primarios para TV, y la señal de luminancia corresponde al brillo de la imagen, siendo la señal monocromática. Se creó el concepto de modulación de amplitud en cuadratura para transmitir simultáneamente dos señales en la misma portadora. Este sistema presentaba problemas de transmisión, ya que cualquier distorsión de fase originaba alteraciones en el tono y errores de amplitud en la subportadora.

SECAM

Cada señal diferencial de color se transmite por turno en líneas alternas, en una subportadora modulada en frecuencia. En el receptor, una línea de retardo almacena alternativamente la señal diferencia de color transmitida, de modo que siempre están presentes las dos señales diferencia de color, evitando la intermodulación entre ambas. Al estar siempre presente la subportadora, la relación S/R no es buena, y para evitarlo se incrementa la amplitud de la subportadora. Las dificultades provocaron la desaparición de este sistema, y los países que lo usaban pasaron a PAL.

7. Procesos para la digitalización de la imagen

Tamaño de cuadro

Indica el tamaño de la imagen, medido en píxeles horizontales por verticales. Los tamaños más comunes son:

• 160x120 (vídeo web)
• 320x240 (VHS)
• Analógicos: NTSC (siempre 30 fps, 525 líneas y 4:3) y PAL (siempre 25 fps, 625 líneas y 4:3)
• HD NTSC (30 fps, 720) y HD PAL (25 fps, 720)
• Full HD NTSC (1080) y Full HD PAL (1080)
• UHD NTSC o 4K TV (2160) y UHD PAL (2160)
• 2K DCI (24 fps, 1080, 17:9)
• 4K DCI (24 fps, 2160, 16:9)

Velocidad de cuadro

Se mide en imágenes por segundo. Para un movimiento suave entre escenas, la norma PAL utiliza 25 cuadros por segundo. Las opciones más comunes son:

• Vídeo web: 10 cps
• Videocámara doméstica: 15 cps
• Cine: 24 cps
• TV (PAL, B/G/H, TDT): 25 cps
• NTSC: 30 cps

Profundidad de color

Define el número de colores posibles que puede tener cada píxel:

• 8 bits (256 colores): vídeo web
• 16 bits (65 536 colores): vídeo de ordenador
• 24 bits (16,7 millones): TV y VHS
• 32 bits (4 300 millones de colores): HD

Muestreo

Determina el número de muestras de luminancia y de color que se toman al rastrear cada imagen. Y es la señal de luminancia, y (R-Y) y (B-Y) son las señales de diferencia de color en componentes. Los cuatro sistemas típicos son:

• 4:2:2: Cr y Cb muestreados saltando una línea.
• 4:1:1: Cr y Cb cada 4 píxeles en cada línea.
• 4:2:0: Cr y Cb muestreados alternativamente.

8. Sistemas de televisión digital

• ATSC: es el más robusto en un canal gaussiano y tiene un mejor aprovechamiento de la eficiencia del espectro. Puede ser más ventajoso en la implementación de redes de frecuencias múltiples para TV en HD.
• ISDB-T: diseñado para operar en redes de frecuencia única a gran escala y para recepción móvil.
• DMB-T: el último en salir, diseñado para recepción fija y móvil, funciona tanto en redes de frecuencia única como múltiple.
• DVB-T: tiene ventajas de rendimiento frente a distorsiones creadas por retrasos por multitrayectoria. Es el más ventajoso en la implementación de servicios que requieren redes de frecuencia única a gran escala.

El estándar DVB tiene varias subdivisiones según el medio de transmisión:

• DVB-C: diseñado para transmitir por cable.
• DVB-MC: la misma distribución que por cable, pero a frecuencias de 10 GHz, para aplicaciones de TV directa por microondas.
• DVB-MS: la versión de microondas con los principios básicos del sistema de transmisión DVB.
• DVB-S: diseñado para transmitir por satélite canales de 36 MHz de ancho de banda; equivale a la actual transmisión de satélite digital.
• DVB-T: versión digital para transmisiones terrestres; aprovecha las mismas antenas que actualmente se usan en las casas.
• DVB-H: transmisión de TV para dispositivos móviles.
• DVB-IPI: transmisión de datos (internet, TV) mediante paquetes de datos IP.

9. Óptica y parámetros de cámara

Ecuación de las lentes

1/F = 1/u + 1/v

• Lente divergente / negativa / cóncava: imagen virtual.
• Lente convergente / positiva / convexa: imagen real.

T = Tl − Tc, donde:

• Tl = u / (1 − U·C·N/f²)
• Tc = u / (1 + U·C·N/f²)

Donde U es la distancia focal, C el diámetro del círculo de confusión, N el número f (apertura relativa) y f la distancia focal.

Aumento lineal

I/O = V/U, donde I es el tamaño de la imagen que sale, O el tamaño del objeto real, V la distancia a la imagen y U la distancia al objeto.

Profundidad de campo

H = f² / (N·C), donde H es la distancia hiperfocal, f la distancia focal, N el número f y C el diámetro del círculo de confusión.

• Límite próximo = H·U / (H + U)
• Límite lejano = H·U / (H − U)

Ancho de banda y relación señal/ruido

Bw = (W / L) · Lh² · fps · (1/2) (solo si es entrelazado)

SNR = 20 log(S/R)

Bw real = Bw · K (factor de Kell)