Teoría de la Luz, Color y Sistemas de Televisión y Sensores de Captación Óptica

1. Física de la Luz y Óptica Fundamental

La relación fundamental de la onda electromagnética viene definida por la ecuación λ = c / f, donde la velocidad de propagación de la luz en el vacío es c = 300.000 km/s.

• Espectro visible: La luz visible por el ojo humano comprende longitudes de onda situadas entre los 400 nm y los 780 nm, ubicándose entre el infrarrojo (longitud de onda superior) y el ultravioleta (longitud de onda inferior).
• Ley de Snell: Al incidir un haz de luz blanca sobre un prisma óptico, el ángulo de refracción varía en función directa de la longitud de onda de cada radiación, produciendo la descomposición del haz en su espectro cromático.

2. Atributos de la Luz y Percepción Visual

Atributos del Color

• Tinte (Matiz / Tono): Determina la longitud de onda dominante y define propiamente el color de la imagen.
• Saturación: Representa la pureza espectral o vivacidad del color (ausencia de mezcla con blanco o gris).
• Luminancia: Cantidad objetiva de luz reflejada o emitida por una superficie (brillo o intensidad lumínica).

Fisiología del Ojo Humano

• Fotorreceptores: Los conos son responsables de la visión en color en condiciones diurnas, mientras que los bastones responden ante la intensidad lumínica en condiciones de baja luminosidad.
• Sensibilidad relativa: El sistema visual humano es significativamente más sensible a los colores luminosos (con un pico de sensibilidad centrado en el espectro verde-amarillo).
• Integración del espectro: Capacidad de fusionar dos longitudes de onda distintas para percibir un nuevo estímulo cromático compuesto.
• Resolución espacial: Límite físico que impide discriminar dos fuentes de color puntuales cuando se sitúan a una distancia extremadamente reducida entre sí.

3. Teoría de la Mezcla Cromática

• Mezcla aditiva: Combinación directa de haces de luz de diferentes colores (colores primarios: Rojo, Verde y Azul - RGB).
• Mezcla sustractiva: Mezcla física de pigmentos, pinturas y tintas (primarios: Cian, Magenta y Amarillo - CMY), donde cada sustancia absorbe ciertas longitudes de onda.
• Mezcla por yuxtaposición: Efecto óptico generado al situar micropuntos de colores distintos muy próximos entre sí, logrando que el sistema visual los confunda e integre como un tono unificado.

4. Sistemas de Transmisión y Estándar de Televisión PAL B/G

La transmisión de imágenes puede estructurarse mediante:

• Transmisión simultánea: Característica del cine, donde el fotograma completo se proyecta a la vez.
• Transmisión secuencial: Propia del video y la televisión, donde la imagen se descompone en líneas horizontales transmitidas sucesivamente en el tiempo.

Características Técnicas del Estándar PAL G

• Modulación: Video en Amplitud Modulada (AM) y sonido en Frecuencia Modulada (FM) a 15 kHz.
• Definición temporal y espacial: 625 líneas en total, a razón de 25 imágenes por segundo.
• Anchos de banda: Ancho de banda de video base de 5 MHz; banda lateral vestigial de 0,75 MHz; portadora de sonido desplazada a 5,5 MHz respecto a la de video; ancho de banda total por canal de 8 MHz.
• Exploración entrelazada (2:1): Diseñada para eliminar el parpadeo perceptible (efecto flicker o variación de luminosidad), subdividiendo cada imagen en dos campos alternos (líneas pares e impares), totalizando 50 semicampos por segundo.
• Borrado de campo (Intervalo de borrado vertical): Ocupa 25 líneas reservadas, distribuidas en impulsos de preecualización (2,5 líneas), impulsos anchos de sincronismo vertical (2,5 líneas), impulsos de posteualización (2,5 líneas) e inserción de datos auxiliares como Teletexto, VITS y VPS (17,5 líneas).

5. Procesamiento de la Señal de Video y Color

Ley de Grassmann y Luminancia

La luminancia (Y) se calcula ponderando las sensibilidades del ojo según la ecuación fotométrica:
Y = 0,30·R + 0,59·G + 0,11·B

Señales Diferencia de Color y Crominancia

Para economizar el ancho de banda y garantizar la compatibilidad con emisiones monocromáticas, se transmiten señales diferencia de color:

• V = R - Y
• U = B - Y
• El ancho de banda original de 6,5 MHz se filtra y reduce a aproximadamente 1 MHz.

Modulación en Cuadratura y Cadena de Procesamiento

La crominancia se añade a la luminancia mediante modulación en cuadratura (QAM) sobre una subportadora de color fija a 4,43 MHz:

• Cuadratura: Permite modular dos señales independientes sobre una misma frecuencia portadora mediante un desfase de 90º.
• Portadora suprimida: Dado que la portadora pura no contiene información útil, se elimina para ahorrar energía de transmisión.
• Banda lateral vestigial: Se limita la banda lateral superior del espectro modulado.

Esquema de procesado: [Diferencia 6,5 MHz] → [Filtrado a 1 MHz] → [Modulación en cuadratura] → [Suma de subportadora de color] → [Supresión de portadora] → [Limitación de banda superior] → [Crominancia resultante] + [Luminancia].

Ajustes Técnicos de Transmisión

• Señal compuesta de video (CVBS): Integra Color (Crominancia) + Luminancia (Y) + Sincronismos (línea y campo).
• Ponderación de crominancia: Evita la sobremodulación atenuando las componentes diferencia: U' = 0,493 · (B - Y) y V' = 0,877 · (R - Y).
• Sincronismo de color (Burst o Salva): Ráfaga de referencia de aproximadamente 10 ciclos de la subportadora para sincronizar el demodulador del receptor.
• Compensación del error de fase: Mientras NTSC recurre a un control manual de matiz (hue), el sistema PAL lo corrige de forma automática invirtiendo la fase de la componente V' (±90º) en cada línea sucesiva.

6. Tipología de Receptores de Televisión Digital

• Sintonizador externo (Set-Top Box): Conexión periférica acoplada a un televisor analógico convencional para recibir y descodificar señales digitales.
• Televisor digital integrado: Receptor híbrido con circuitería analógica y digital; comparte la sintonización y procesamiento primario de video, diferenciándose en las etapas de Frecuencia Intermedia (FI).
• Televisor digital puro (TDT): Receptor íntegramente digital que incorpora etapas especializadas de descodificación de fuente y descodificación de canal.

7. Estructura y Funcionamiento de la Cámara de Video

Bloques Principales de la Cámara

• Grupo óptico: Convierte la escena tridimensional en una proyección óptica bidimensional enfocada sobre el plano focal.
• Sensor de imagen: Convierte la proyección luminosa en señales eléctricas proporcionales.
• Sistema de lectura y acondicionamiento: Gestiona los sincronismos y controla los mecanismos automáticos y manuales de la óptica.
• Visor: Monitor interno que permite el encuadre y control operativo de la imagen registrada.
• Sistema de registro: Soporte de almacenamiento de datos o grabación de la señal.
• Sistema de entrada/salida: Distribuye y extrae la señal de video y audio hacia dispositivos externos.

Componentes y Ajustes del Grupo Óptico

• Lente principal y lentes de enfoque: Permiten ajustar la nitidez de la proyección en función de la distancia al objeto.
• Diafragma o Iris: Ajusta la apertura física controlando la cantidad de flujo luminoso que alcanza al sensor.
• Zoom: Sistema mecánico que permite variar de forma continua la distancia focal.
• Distancia focal: Distancia existente entre el centro óptico de la lente y el plano de convergencia de los haces luminosos.

8. Sensores CCD (Dispositivos de Acoplamiento de Carga)

El sensor CCD basa su principio de funcionamiento en celdas fotosensibles compuestas por condensadores de tecnología MOS. Cada píxel almacena y transfiere cargas mediante tres fases fundamentales:

1. Conversión fotoeléctrica: La incidencia de los fotones genera pares electrón-hueco proporcionales a la luz recibida.
2. Acumulación de cargas: Mediante tensiones de polarización aplicadas, las cargas eléctricas quedan confinadas en pozos de potencial.
3. Transferencia de carga: Modificando secuencialmente las tensiones de los electrodos contiguos, la carga se desplaza progresivamente hacia las etapas de lectura.

Arquitectura de Sensores CCD

• Estructura interna: Integra un fotosensor, un registro de desplazamiento vertical, un área de almacenamiento temporal, un registro de desplazamiento horizontal y una puerta de salida de señal.
• Sistemas multisensores y mosaicos de color:
  • Sistemas 3CCD (Profesional): Utilizan un prisma dicroico para desviar y descomponer el haz de luz hacia tres sensores independientes (uno para Rojo, otro para Verde y otro para Azul).
  • Sistemas 1CCD (Doméstico): Emplean un único sensor recubierto por un filtro de mosaico tipo Bayer (con el doble de elementos verdes para emular la agudeza visual humana: RGBG) o mediante filtros de colores complementarios: G (Verde), Mg (Magenta = R + B), Cy (Cian = G + B) y Ye (Amarillo = R + G).