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Revolución audiovisual: del blanco y negro a la alta definición
Del Blanco y Negro a la Alta Definición Pedro Vicente del Fraile En este artículo se trata de ofrecer una rápida visión del proceso evolutivo que la televisión ha seguidot desde sus inicios en ablancoy negro basta la aplicación de técnicas digitales que permiten mejoras sustanciales de la calidad ofrecida por los actuales y futuros receptores de televisióiu E 1 artículo consta ele cuatro partesi en unaentender mejor el empico tic técnicas digitales primera se describen los principales motN luí la tercera se hace una introducción de las vos que dieron lugar a la elección de técnicas digitales en el receptor actual CIY mejo parámetros en los distintos sistemas actualesI En radaX Por último1 en la cuarta parte se comeiv la segundal se hace una somera descripción de tan las distintas propuestas de TV de alta dcllnr la TV en el dominio frecuencias que ayudará a ción ÍHDTVX M O N O G R A F I C Obit 76 moo Elección de parámetros Cuando se introdujo el servicio de TV en blanco y negro UVrO hubo que elegir una serie de parámetros para configurar el sisteiruL Desgraciadamente por desacuerdos más o menos justificados en la elección de estos pará metroSj no surgió un sistema universaL sino varios sistemas localesj lo cual lia obligado a sufrir muchas penalidades cuando hubo que transmitir informaciones televisivas entre países con diferentes sistema Veamos el proceso de elección de parámetros 1 Para disminuir en lo posible la percepción de los defectos en las imágenes reproducidas1 cai sados por falta de regulación de la fuente de al mentacióiv era recomendable tomar un número de imágenes por segundo frecuencia de íitu ge que fuera múltiplo de la frecuencia de red Al mismo tiempOj para tener una sensación de parpadeo dilckerí tolerable se han de visualizar más de 40 imágenes por segumkx Esto llevó a adoptar una frecuencia de imagen igual a la de red Í50 Hz ó 60 Hz1 según el paísh En la elección del número de líneas para explorar la imagenl se tuvo en cuenta que este número de líneas NL determina al máxima defih nición de la imagen en sentido vertical y que fijada la frecuencia de imageiL también determN na la frecuencia de líneas número de líneasXsegunck Debido a fenómenos de itu netostricción1 tanto la bobina de desviación como los transformadores de salida de líneasI vibran produciendo un sonido apreciable y PHILIPS LANZA UNA NUEVA GENERACIÓN DE TV COLOR Durante el verane saldrán a la venta en el mercado español aparatos con los Hz y Digital Scar con un breve intervalot tras su presentación a los consum dores alemanesÉ Kl precio para los modelos de 28 pulgadas rondará las 220 000 pías mientras que los de 36 con panu lla de 1679 costarán 600 000 ptas1 TV EN COLOR EN EUROPA Dos o más aparatos I I Un aparato m molesto si no se toma la frecuencia de líneas en el extremo alto de la gama audible Considerando el poder de resolución del siste ma visual humanol la distancia más probable del espectador a la pantalla y las características del oídol todos los sistemas de TV eligieron una frecuencia de líneas de alrededor de 15Xi Khz teniendo 525 Iíneas7imagen el grupo de 60 imágyseg1 y 625 el de 50 imág7seg La relación de aspecto íanchura7altunO se tomó igual a la que el cine usaba en aquellos días1 473 Actualmente en los futuros sistemas de alta definidora la tendencia es tomar una relación de aspecto de 1679 dando una imagen más panorámica como lo ha hecho también el cine Si tomamos para I7 valores de 50 ó 60 imáge nes por segundo1 la anchura de banda resulta demasiado grande por lo que se recurrió a hacer una exploración entrelazada 2iL que coiv siste en descomponer una imagen en dos canv poSj uno formado por las líneas impares y otro por las líneas pares y enviarlos secuendalmefr te5 tomando para cada campo 1750 ó 1760 segundos1 lo cual permite dividir por dos el ancho de bandal conservando una sensación de parpadeo tolerable Desgraciadamente el entre lazado produce una sensación de temblor de líneas11 dione flickerí en las partes de imagen con variaciones bruscas de brillo en sentido ve tical Cbordes horizontalesh En cuanto a la transmisión de la información de audiOj todos los sistemas existentes eligieron la modalidad de modular en AM o FM con la señala de sonido1 a una subportadora cuya fi cuencia está situada inmediatamente por encN ma del extremo superior de la banda de vídeo1 habiéndose elegido 43 Mhz en el grupo de 60 Hz y 5t5 Mhz en el de los 50 H7 wLa tendencia es tomar una relación de aspecto de 1679 dando una imagen más panorámica bit 16MONOGRÁFICO La TV en color wCon el desarrollo de circuitos integrados VLSI7 se ha alcanzado el nivel de rapidez y complejidad exigidos para la aplicación de técnicas digitalesw A finales de la década de los 40 se iniciaron las transmisiones de TV color En el primer sis tema usado se transmitían seciiencialmente tres campos completoSj pertenecientes a cada uno de los tres componentes de colorí rojoI verde y azuL Este sistema tenía el inconveniente de no ser compatible con los sistemas de blanco y negro ya existentes Tras unos años de laboik sas investigaciones los americanos adoptaron en 1953 el sistema NTSC CNational Televisión System CommittecO compatible con la TV monooroiTUL Este sistema logra dividir la infop mación de una imagen1 en dos señalesl una que contiene la información de brillantez duminaiv cia Y aprovechada por la TV en B7N y otra que contiene la información de color ícrominancia CX Dado que el ojo humano tiene un poder de resolución aproximadamente cuatro veces menor para discernir detalles de colorido que detalles de brillo1 es posible reducir el ancho de banda de la señal de dominancia en un factor de cuatre Con esta señal de crominancia redi cida1 se modula en amplitud y fase una subpoi tadora cuya frecuencia está situada dentro de la pane superior del espectro de la señal de nancia y se añade a ella para formar la señal compuesta YC En el sistema NTSC la fase de la subportade ra de crominancia lleva la información del tinte del color recuperadoI por tanto distorsiones de fase se traducen en variaciones de tinte que degeneran la imagen notablemente Para evitar esta desventaja Francia propuso un nuevo sistema llamado SECAM CSequentiel A Memoi que transmite las dos componentes de crominancia seciiencialmente línea a línea1 usando una portadora modulada en frecuencia1 Alemania propuso el sistema PAL CPhase Alternation on Lines que como el NTSC usa una modulación en fase y amplitud para trans mitir la crominancia1 pero con la diferencia que una de las componentes cambia de signo línea a líncL con lo que logra convertir los errores de tinte del NTSC en errores de saturación mucho menos notables para el ojo humane Desgraciadamente una vez más1 no se llegó a un acuerdo en la adopción de un sistema único de TV en color coexistiendo en este momento tres sistemas mutuamente incompau blesi NTSC SECAM y PAL SIEMENS Funciona bien su intercambio de datos7 jEI K1100 comprueba todos los interfacesl El intercambio de datos entre redes diferentes es cada vez más intenso Ejemploi la LAN de una planta de producción automatizada conectada a una WAN y a RDSL En esta aplicación incluso los pequeños errores pueden tener fatales consecuencias Es preciso comprobar continuamente el cumplimiento de los protocolos establecidos Una difícil tarea que ahora se puede resolver con un único analizador de protocoloiel K1100l con sus módulos intercambiables para LAN1 WAN y RDSL Estos son sus puntos fuertesi D Estadísticas1 pruebas y análisis de protocolos1 ü Posiciones de conexión para acomodar simultáneamente dos módulos de interfaz D Un único modo de presentación para todas las aplicaciones1 D Pruebas preparadas de servicie fáciles de realizar y sin necesidad de conocimientos especiad G Muy adecuado para todo tipo de servicio gracias a su reducido pese Le interesa7 Envíe este cupón ai Siemens1 S A Dr Telecomunicaciones Í Pza Carlos Trías BertránT7 28020 Madrid TeL555 00 02 íext 3325J Siemens1 analizadores de protocolo para comunicaciones fiables1 M O N O G R A F I C O76 Los tres sistemas tienen en común que las señales de luminancia LV y dominancia nC comparten la misma banda de frecuencias1 au que con distribuciones espectrales diferentes dentro de dicha banda1 formando la llamada señal compuesta YC Esto permite compatibil dad con los sistemas de blanco y negro I pero implica problemas de información cruzada entre Y y C ícrosstalk Las componentes de alta frecuencia de luminancia pueden ser interprc das como señales de crominancia ícrossoloiO produciendo irisaciones coloreadas superput tas en las zonas de la imagen con detalle muy fino1 la señal de dominancia puede ser intei pretada como luminancia dando un granulado en la imagen ícrossuminanciaX DImejorado fprocesado digital de vídeoí Con el reciente desarrollo de circuitos inte grados VLSL se ha alcanzado el nivel de rapidez y complejidad exigidos para la aplicación de técnicas digitales en los decodificadores de irru gen1 sonido y teletexux Las ventajas que se esperan obtener del uso de técnicas digitales en televisión soni D Mayor economía i 2 Mejor calidacL 3 Nuevas prestacionesI Deseo mayor información sobre el analizador cié protocolo K1100 EmpresayOrganismo Direccior Código Postaldudafl Provincia 0O bit 76MONOGRÁFICO wLa mejora de calidad se hará notar en la casi total eliminación de las efectos indeseadosw Distribución espectral de la señal de TV NTSC La mayor economía se obtendrá reduciendo el número de componentes y sustituyendo los componentes relativamente caros Cpor ejemplo1 las líneas de retardo analógicas de cristaD por otros más baratos ünemorias digitalesX Por otra partel los costes de producción bajarán gracias a la mayor Habilidad de los productos y a la sinv plificación de los procedimientos de ajuste La mejora de claridad se hará notar en la casi total eliminación de los efectos indeseados producN dos por la interacción entre la luminancia y la crominancia1 en la reducción de ruido y de los efectos negativos debidos a la forma de barrido usada 1 tales como el parpadeo causado por el escaso número de imágenes por segundo Í25 ó 30 y el temblor de líneas debido a la explora ción entrelazacku Esta clase de defectos resultan mucho más molestos con imágenes mayores y más brillantes Ccaso de las futuras pantallas pk nas y actuales tubos de alto brilloh Las nuevas prestaciones que se pueden obte ner están íntimamente relacionadas con la apln cación de las memorias digitales de campo o de imagen Algunos de los ejemplos soni nimagen parada11 que posibilita hacer copias sobre papel u otros soportes MultHmagen en imagenn1 de visualización de varias imágenes captables en un momento dnuy conveniente para la selec ción de programad y Teletexto de adquisiciófr mulUpáginanI de respuesta instantánea al seleo cionar una páginaI PAL t i i1256 MHz0 12 3 A 6 MHz f H Las emisoras1 por su parte están obligadas a atenerse a las especificaciones propias del siste mar pudiendo hacer muy poco para evitar los efectos de Icrossolor crossuminancia parpadeo11 y Btemblor de líneas11 y por tanto las mejoras han de llevarse a cabo en el receptor La mejora de calidad de imagen está prinev palmente basada en la distribución espectral de la señal de TV CVer figura í 1 Una vez digitalizada la señal compuesta de vídeo YQ para separar sus componentes Y1 U y V se usan filtros clijíiii lesI Si sólo se pretende lograr el grado de seix ración que alcanzan los televisores analógicos actualeSj bastaría con usar filtros digitales paso Ixmda y bandaliminadaI Con estos filtros no se obtiene una mejora significativa del llcross talk puesto que las componentes de alta frecuencia de luminancia siguen estando en la señal de crominancia sepa rachu No obstanteI se mejora por la exactitud de esta clase de filtros y principalmente por su res puesta de fase lineal ícosa difícil de lograr con filtros analógicosL Para obtener un mayor grado de separación a nivel de paquetes especiales hemos de usar filtros cuyas respuestas tengan polos y ceros separadoSj una frecuencia de línea para NTSC y media frecuencia de línea para PALI lo que exige filtros con unidades de retardo de un peiv odo de línea TL en NTSC o dos períodos de línea 2TL en PAL Puesto que en estos filtros se combina el valor de una muestra correspoiv diente a un determinado elemento de imagen ípixelX con el valor de la muestra correspoiv diente a otro pixel retardado justamente un período de línea y por tanto situado debajo del anterior a este filtrado se la llama filtrado vert caL Para un grado de separación superior aúnl a nivel de componentes espectralesI hemos de emplear filtros cuyos polos y ceros estén sepa rados una frecuencia de imagen fp para NTSC y media frecuencia de imagen para PAL5 lo cual requiere filtros con unidades de retardo de uno o dos períodos de imagen respectivamente En estos filtros se combina la muestra correspoiv diente a un pixel con la correspondiente al mismo pixel de la imagen o imágenes siguieiv tesj a este filtrado se le denomina filtrado tenv poraL Las unidades de retardo usadas en los filtn dos verticales y temporales suelen ser memorias lógicas del tipo FIFO y están organizadas como larguísimos registros de desplazamiento en las que en cada célula se almacena la información correspondiente a una muestra y esta infonru ción pasa a la célula siguiente a cada período de muestreoI Por tanto1 la capacidad de memoria MO N OG RA F I CO necesaria será proporcional a la frecuencia de muestreo fs y al tiempo de retardo de la unidad de retardo que requiera el filtra Reducción del parpadeo Actualmente debido a la introducción con el mercado que los tubos de imagen de alto brillo y con pantallas de mayores dimensiones1 ífoi mato 1679X el parpadeo CfilckeiO es mucho más acusador Una forma de reducir este efecto es visualizar cada campo dos veces1 para lo cual se emplean dos memorias de campo de tal forma que mientras una se gravat la otra se lee a doble velocidad recirculando la información Esta acción lleva consigo el tener que duplicar la fre cuencia de líneas en los circuitos de barrido horizontal y duplicar también el ancho de banda de los amplificadores de vídeo1 Reducción del temblor de líneas Como ya se ha dicho antes1 debido al entrek zadol en imágenes con cambios bruscos de luminancia paralelos a las líneas de barrido i bordes horizontales se aprecia un temblor del límite de transición Esto se puede evitar pasaiv do a exploración progresiva mediante una inter polacióiL lo cual exige memorizar tres campos consecutivos e insertar por ejemplo las líneas pares en un campo impar promediándolas líneas de los dos campos pares adyacentes y lo mismo con los campos pares1 Todas estas mejoras están siendo introducN das actualmente en los receptores de alta caln dad y en un futuro inmediato estarán en cuaU quier televisor En la publicidad se anuncian con distintos nombres llDigivisionllI 100 ciclos sin parpadeo etc Formato 1679 Actualmente han aparecido en el mercado receptores que incorporan pantallas con 4 reh ción de aspecto11 igual a 1675 Estos receptores suelen estar dotados de complicados circuitos de conmutación que los capacitan para exhibir una imagenl recibida en 473 en distintas nuxL lidades a elección del usuariol por ejemplo mostrando todas las líneas útiles y dejando una franja sin imagen a cada ladol o bien mostrando toda la pantalla llena pero escondiendo líneas útiles en las partes superior e inferior y otras más1 entre ellas por supuesto las captadas en formato 1679 con sus verdaderas dimensionesI Estos receptoreSj sólo si van dotados de un decodificador MAC adecuado1 serán capaces de captar las emisiones en MAC 1679 y las emiskv nes de HDMAC de alta definiciónI pudiendo en este caso mostrar los programas HIMAC con una calidad lige ramente inferior fprc sencia de algunos artefactos debidos al shuffling y al sulv muestreo foldingí que la de un progre ma emitido en MAC normaL Sistemo MAC La aparición de los satélites de radiodifusión directa ÍDBSJ hizo que los radiodifusores recoiv siderasen la forma de reestructurar la señal de televisión En 191 EBU propuso el sistema MAC CMultiplexed Analogue ComponenO que sobrepasaba las limitaciones del PAL y cubría las necesidades de la distribución por satélite y cable1 ofreciendo ventajas como la eliminación de la distribución por satélite y cablej ofrecieiv do ventajas como la eliminación de las subpor tadoraSj evita el IlcrosstalkllI mantiene las 625 líneas permitiendol sin embargOj compatibilN dad con formatos de pantalla ancha 1679 y con señales de alta definición HDhMAG El parque actual de receptores MAC en Europa es relativamente bajo1 Se espera que este parque aumente rápidamente debido al aumento de programas emitidos en MAC que el cumplimiento de la Directiva Comunitaria Europea ocasionarán Este parque ha de servir de cuna para la implantación evolutiva del sistema Europeo de alta definición HDVIAC Alto definición El repon 801 de CCIR define la Alta Definición CHDTVO en comparación con los sis temas actuales PALI NTSC o SECAM como un sistema que tenga doble definición verticaL doble definición horizontal de alta1 señales de diferencia de color U y V separadas de la señal de luminancia Cno crosstalkX mayor relación de aspecto y sonido de alta fidelidacL El cumplimiento de estas prestaciones exige una anchura de banda del orden de 73 veces mayor que la usada en IV normal BR Está claro que si se quiere difundir HDTV por satélite tDBSÍ con 27 Mhz1 de canal y moduk ción en FMI hay que reducir la banda al menos en un factor de 4 Para transmisiones vía canales terrestreSj el factor de reducción ha de ser aún mayor Se emplean dos técnicas para reducir ancho bit 76MONOGRÁFICO Pedro Vicente del Fraile Doctor Ingeniero de Telecomunicación 1 Empezó su carrera profesional en 1961 en la empresa Iberia l dio1 donde ocupó el cargo de Jefe de la DU visión de Radio y Jefe de Laboratorio sut sivamentc lin 1967 se incorpora a Copresa1 SA también como Jefe de los Laborauv riosj desde 1978 es Asesor Técnico de D rección de dicha cm presal dedicándose al estudio y promoción de nuevas tecnologías1 en especial las relacio nadas con la telev Director de la re vista Minihwattl ha e crito más de 60 artíci los en ésta y otras pi blicaciones especia zadasi lis miembro del Consejo Asesor de Mundo Electrónica Profesor de la asig natura de Televisión en la ETSIT de Bai celona1 ha impartido también numerosos cursos y seminarios sobre temas afinen Kn la actualidad es miembro de la Junta Directiva y Presidente de la Comisión de Tee nologíal Normaliz ción y Homologación de ANIEI así como miembro del Comité Organizador de de Empleo de algoritmos de submuestreo1 Empleo de algoritmos de compresión digN taL Empleo de algoritmos de submuestreo Se aprovecha la baja capacidad del sistema visual humano para apreciar alta definición en imágenes con gran cantidad de movimientc Se subdivide la imagen en pequeñas subimágenes Obloques normalmente de 8 l 8 pixels1 se conv para cada bloque con el bloque que ocupa el mismo lugar y con los bloques adyacentes en las imágenes anterior y posterior y se estima asL si se ha trasladado este bloque Cdetección de movimiento bloqiO o cuanto se ha trasladado este bloque C estimación del vector movimieiv toX Los bloques que no acusen movimiento se envían con alta definición espacial Cse envían los 88 pixel pero se invierte más tiempo en enviar el bloque Por el contrariot los bloques afectados de movimiento son enviados con menos definición espacial dnenos pixels por bloqucO pero se envían más bloque por unidad de tiempo Hay dos formas de operar en el extremo receptor a El receptor va dotado de un detector de movimiento similar al del tran misor1 que dictamina el tratamiento que se ha de dar a cada bloque M El transmisor envía al receptor una información adicional DATV ÍDigitally Assisted Televisión que le va indica do el tratamiento que ha de dar a cada bloque Los sistemas japonés MUSE y europeo HI MAC utilizan esta tecnologíaI el MUSE en la forma a y el HdMAC en la forma bX Empleo de algoritmos de compresión digitaL En esta tecnología se trata de eliminar la redundancia estadística de las imágenesI En una imagen1 existe gran probabilidad de que un pixel sea igual o parecido a los que le rodean dedundancia espacialX también existe gran probabilidad de que un pixel sea igual o muy parecido a su homólogo de la imagen siguiente Credundancia temporalX En lugar de enviar los valores de las muestras obtenidas de una imagen se envían otras magn tudes deducidas de estos valoresI por lo cual es imposible obtener sistemas compatibles con los existentes1 Los algoritmos más empleados soni Técnicas predictivas CD P C M X Técnicas de transformación unitaria Las técnicas predictivas consisten en deducir el valor que va a tener un pixel a partir de los pixels anteriores y enviar la diferencia entre el valor estimado y el valor reaL El valor de esta diferencia es generalmente mucho menon con lo que se puede codificar con menos bite En el extremo receptor usando el mismo algoritmo de predicción se recupera el pixel original En las técnicas de transformación con las muestras de cada bloque de una imagen se forma una matriz CPX se premultiplica por una matriz unitaria de transformación A traspuesta y se postmultiplica por CAX La matriz resultante es la matriz de coeficientes CVX Estas transformaciones tienen la propiedad de conservar la energía y concentrarla en unos pocos coeficientesJ siendo los demás de valores despreciables1 Lo que se hace es enviar los a ficientes más signficativos despreciando los demá En el extremo receptor mediante una transformación inversa se recuperan los pixels del bloque con muy poco error Los sistemas que usan estos algoritmos han de usar transmisión digitaL Entre ellos está el proyecto Eureka 256 desarrollado por RTVE1 la Universidad Politécnica de Níadridl la RAÍ y TelettnL Los americanos tienen el objetivo de normalN zar un sistema de HDTV para transmisión terro nal con anchura de banda de 6M1 Actualmente se han presentado cuatro siste mas diferentes al FCC Advisory Committe on Advanced Televisión Service11 para ser evaliu dos1 Todos estos sistemas emplean algoritmos de compresión digitaL Ponoromo actvol Existen dos sistemas de HDTV totalmente desarrollados1 que basan la reducción de banda en técnicas de submuestrecx ambos usan tran misión analógica y multiplexado temporal de las componentes Yt U y Vi El MUSE por el pro cedimiento 1CI Cfime Compression Integrationí y el HdMAC mediante el procedimiento Uaira do shuffling pasa de una exploración progresiva 625 Isla una explotación entrelazada 625 2A y luego aplica una codificación MAC lo cual le hace compatible con este sistemal lo que hace suponer que los receptores MAC actualmente capaces de recibir imágenes de HDTV vayan evolucionando hasta convertirse en receptores de HDAC con todas sus prestacionesI Por otra parte en América se intenta tener un sistema terrestre de HDTV que ocupe una banda de 6 MhzI con transmisión digitaL actuaN mente se están evaluando 4 sistemasi El Digicipherr el DSOHDTVI el ADTV y el ATVA de los que probablemente saldrá uno definitivo que posiblemente integrará paites de cada une
30 oct 2015