Tema 2: Conceptos básicos

Tema 2: Conceptos básicos Televisión digital Interactiva 3º Grado en Ingeniería en Tecnologías de Telecomunicación Profesor: Alayn Loayssa

Objetivos del tema 2 Resultados de aprendizaje: Elementos de un sistema de comunicación de imágenes en movimiento (televisión) Etapas necesarias para convertir una escena en una señal de información y su justificación Relacionar las características tecnológicas de los sistemas de televisión con las características fisiológicas de la visión humana Introducir fundamentos básicos y filosofía general de los sistemas de televisión Conocer las características de las señales de TV analógicas que son relevantes en los sistemas de TV digital actuales.

Contenido 3 Tema 1: Introducción a los sistemas de televisión Elementos de un sistema de televisión De la escena a la señal de televisión: Separación en componentes de color. Percepción del color en la visión humana Proyección plana de la imagen. Relación de aspecto Muestreo temporal. Características temporales de la visión humana: persistencia y fenómeno Phi. Frecuencia de imagen. Muestreo espacial. Agudeza visual. Número de líneas. Factores tecnológicos. Entrelazado Introducción a la digitalización de la señal de TV Elementos de TV analógica Tubo de rayos catódicos Corrección de Gamma Señales de deflexión del haz Sincronismos de línea y de campo. Impulsos de sincronismo horizontal. Impulsos de sincronismo vertical Sincronización de los osciladores de barrido Señal de TV analógica completa Ubicación de las líneas sobre la pantalla Introducción de la información de color La señal luminancia Señales de diferencia de color (crominancia) Señal de video compuesto

Bibliografía 4 [Tar00] Sistemas Audiovisuales, Televisión Analógica y Digital Francesc Tarrés Ruiz, Ediciones UPC, 2000. Capítulo 1 Elementos básicos de los sistemas de televisión Capítulo 2: La señal de TV en blanco y negro Capítulo 3: La señal de TV en color: sistemas compatibles

Elementos de un sistema de televisión 5 producción Generación Distribución Recepción/ presentación

Conversión de una escena en una señal de televisión 6.000111001111010010010 01001010100100010010 01010010100101010101 01010101001001010010 10001000010010010010 101.. GIAC!

Conversión de una escena en una señal de televisión 7 Etapas en la conversión de una escena en una señal transmisible: Separación en componentes del color Proyección plana de la imagen Muestreo temporal Muestreo espacial

Separación en componentes del color: luz visible 8 Ultra- Short- Gamma X rays violet Infrared Radar FM TV wave AM AC electricity 10-12 10-8 10-4 10 4 1 10 8 Visible light Longitud de onda (m) colores monocromáticos 400 nm 500 nm 600 nm 700 nm Longitud de onda (nm) Luz Blanca colores monocromáticos

Distribución espectral de potencia 9 Cualquier luz tiene un cierto espectro que define que componentes o longitudes de onda la componen.

Color de los objetos 10 El color de los objetos depende de su coeficiente de reflexión, r( ) y del espectro de la luz incidente I ( )

Color de los objetos 11

Visión humana 12 Cristalino Iris Cornea Pupila Retina

bastones conos La retina 13 Luz

Bastones y conos 14 Bastones Detectan sólo intensidad de la luz (no color) Responsables visión nocturna (poca luz) porque son muy sensibles. ~ 120 millones en cada ojo Alta densidad en periferia retina Conos Dan información de color además de intensidad No muy sensibles Responsables visión diurna (luz normal) ~ 7 millones en cada ojo Alta densidad entorno a la fóvea

Tipos de conos 15 L-cones, + sensibles luz roja (610 nm) M-cones, + sensibles luz verde (560 nm) S-cones, + sensibles luz azul (430 nm) La sensación de color depende del grado de excitación de los 3 tipos de conos

Respuesta de los conos a la luz 16 Metamerismo La visión humana no puede distinguir entre luces que generen el mismo patrón de excitación en los conos

Síntesis de colores 17 Por tanto, se puede conseguir cualquier sensación de color combinando colores primarios

Separación en componentes de color 18 Cualquier escena puede sustituirse por tres escenas correspondientes con las componentes de rojo, azul y verde de la escena original

Filtros dicroicos 19 La separación de las tres componentes de color de una escena se realiza utilizando filtros dicroicos.

Proyección plana de la imagen 20 Plano imagen = superficie donde se sitúan sensores de imagen (matrices CCD o CMOS) Perdida de información 3D solución: displays 3D GIAC! detalles displlays 3D en [tar00] 1.5.1 -

Proyección plana de la imagen: Relación de aspecto 21

Muestreo temporal 22 Consiste en presentar una escena como una secuencia de fotogramas o cuadros Se basa en las características de la visión humana (persistencia y fenómeno phi )

Muestreo temporal: persistencia y fenómeno phi 23 Persistencia La percepción de la imagen se mantiene unas fracciones de segundo A partir de ~ 40Hz desaparece parpadeo Fenómeno phi La visión humana interpola movimientos fraccionados produciendo continuidad A partir ~18 imágenes/seg (18 Hz) se percibe continuidad en movimiento

Muestreo temporal: Frecuencia de imagen 24 Nº imágenes/segundo para reproducir una escena: > 40 (persistencia) > 18 ~ 20 (fenómeno phi) Solución cine: 24 fotogramas/seg, repetición 2 veces cada fotograma Solución TV: 25 imágenes/s (Europa), 30 imágenes/s (EEUU) 1/2 frecuencia red simplificación sincronización, reduce interferencias Entrelazado = dividir cada imagen en dos partes (campos) que se transmiten a x2 frecuencia imagen (50 Hz UE, 60Hz EEUU)

Barrido progresivo Vs entrelazado 25 Barrido Progresivo 40ms 40ms Barrido Entrelazado 20ms 20ms 20ms 20ms

Problemas del entrelazado 26 Vibración inter-línea (Interline twitter) Artefactos de movimiento

Muestreo espacial 27 Objetivo: obtener una señal unidimensional a partir de una bidimensional Y en digital? Y en TV color?

Muestreo espacial 28 Transmisión secuencial de líneas Número de líneas de imagen? Compromiso calidad - ancho de banda GIAC: por qué?

Número de líneas: Agudeza visual humana 29 Poder de resolución ángulo subtendido por dos líneas negras cuando patrón reticular situado a la máx. distancia en la que se aprecia detalle de líneas Agudeza visual (P.R.) -1 Agudeza visual humana tip. 1 uni. P.R=1 =1/60 º ángulo máximo subtendido entre dos líneas Distancia de observación (diseño) = 4xdiagonal= 6.66 x altura (H) sólo para 4:3! Número líneas mínimo ~ 514.69 Hacer este cálculo! Entregar el próximo día

Ejercicio 30 Resulta que te has comprado un televisor con pantalla plana de plasma con una resolución máxima de 1280x720 pixeles (alta definición 16:9). Está, por tanto, preparado para recibir y representar las señales de TV en Alta Definición (HDTV). Lo que se pide es explicar detalladamente cómo calcularías la distancia óptima a la que tendrías que colocarte de la tele cuando estés viendo una película en alta definición. Tener en cuenta para ello solamente las características de la visión humana y las del propio televisor que has comprado. Entregar el próximo día

Número de líneas: Factores tecnológicos 31 Simplificación de la sincronización: obtener las frecuencias relativas a la exploración de la imagen a partir de un único oscilador. Con 625 líneas y 50 Hz de freq. Campo: freq. línea = (freq. campo/2) x5x5x5x5= 15625 Hz Utilizando freq. osc=freq. línea x2 = 31250 Hz freq. línea = freq. Osc /2 freq. campo = freq. Osc / (5x5x5x5) 4 divisores de frecuencia por 5 En EEUU. 525 líneas 60 Hz freq. campo. freq. osc?

Inserción de señales de sincronismo 32 La señal de video incluye elementos de sincronización que permiten al receptor la correcta representación de la imagen

Digitalización de la señal de TV: Fundamentos 33 Muestreo ortogonal: mantiene fijas las posiciones en todas las líneas, imágenes y campos Cómo lo conseguimos? Ref. apartado digitalización de TV: [Ben04] 2.1-2.2 y [Tar00] 1.9

Digitalización de la señal de TV: Fundamentos 34 Habrá que elegir un número de muestras adecuado para percepción con calidad por sistema de visión humano. (condiciones análogas a resolución TV analógica)

Digitalización de la señal de TV: Fundamentos 35 Cuantificación Niveles de luminancia distinguibles por visión humana (experimentos subjetivos) 45 a 60 6 bits 1 byte (8bits) = 256 niveles 8 bits para señales diferencia de color También 10 bits/muestra

Ancho de banda de las señales de TV digital 36 Calcular BW de señal alta definición del ejercicio considerando que se trata de una señal entrelazada. y si fuera progresiva? GIAC!

Elementos TV analógica: receptor de TV 37

Tubo de rayos catódicos: tubo monocromo 38 Ref: [Tar00] sec. 2.2-2.4

Tubo de rayos catódicos: intensidad del haz 39 Relación entre intensidad del haz y tensión entre cátodo y rejilla g1: Si la tensión de control (señal imagen) se aplica al cátodo: Si se aplica a la rejilla: V dr tensión aplicada al terminal de control V co tensión de corte del haz D factor de penetración del fósforo K constante Consecuencia?

Tubo de rayos catódicos: Efectos de la Gamma 40

Tubo de rayos catódicos: corrección de gamma 41 Corrección en transmisor (cámara) En TV B/N: Y' A( Y ) 1/ I haz K( Y' ) cte Y En TV color: R' G' B' A( R A( G A( B 1/ 1/ 1/ ) ) ) normalizada ITU: = 2.2 (B/N) = 2.8 (color)

Tubo de rayos catódicos: Tubos color 42 cómo funcionará? GIAC!

Tubo de rayos catódicos: Tubos color 43

Tubo de rayos catódicos: Señales deflexión del haz 44 Caso ideal:

Sincronismos: Sincronismo de línea 45 Ref: [Tar00] 2.5-2.6, [Mar96] 2.12-2.23

Sincronismo de línea 46 Estructura del impulso de sincronismo horizontal (línea): Instante t=0 de la línea Tiempo total línea (64 s)= sincronismo línea (12 s ) + imagen (52 s )

Impulso de sincronismo vertical (ISV) 47

ISV completo 48 ISV total = impulsos igualación anteriores + impulso + impulsos igualación posteriores + 17.5 líneas en negro (tiempo de guarda) Campo impar = 25 línea/campo sin info imagen = 50 líneas/imagen sin info imagen Transmisión teletexto, señales de test, identificación emisora, etc. Campo par

Situación líneas sobre la pantalla 49 Criterio de numeración de líneas a partir del ISV posición en pantalla Si se considera barrido ideal (horizontal y vertical): Se ajusta barrido para que sólo zonas con imagen se representen en pantalla

Introducción TV color: Historia TV analógica 50 1936: Primera transmisión de TV en blanco y negro (Juegos olímpicos de Berlín) Primeras transmisiones BBC. 1939: Primeras transmisiones regulares TV B/N en EEUU 1941: Establecimiento del estándar TV B/N de 525 líneas y 30 imágenes/s (antes distintos formatos coexistiendo) en EEUU. 1946- : Tras la II guerra mundial la TV B/N inicia realmente su despegue comercial, en Europa distintos formatos con 25 imágenes/s. Introducción de la TV color: 1954: Introducción del estándar NTSC (National Television System Committee) color compatible en EEUU. 1958: Desarrollo del sistema SECAM en Francia. Adoptado por Rusia, Francia y países de influencia. 1964: Introducción del estándar PAL (Phase Alternation Line) en Europa como evolución del NTSC ( nº líneas y frecuencia imagen) y para superar problemas de distorsión de fase diferencial.

Transmisión de TV color: Planteamiento del problema 51 Captación y reproducción de imagen de TV color: Cómo se transmite la información de color? GIAC!

Transmisión de TV de color: Planteamiento del problema 52 Condicionantes: Conveniencia de transmitir señales derivadas de RGB y no RGB directamente Necesidad de multiplexar señales para transmitir por canal R G B Codificador x y z canal x y z Decodificador R G B Necesidad de compatibilidad con los sistemas de TV monocroma. En el momento de introducir TV color ( 50), razones comerciales implican: Compatibilidad directa: señal de color representable en receptor B/N Compatibilidad inversa: señal B/N existente representable en receptor color Necesidad de compatibilidad con canal de TV (RF) definido para televisión B/N

Transmisión de información de color: La señal luminancia 53 En sistemas TV blanco y negro se transmite la señal luminancia brillo Brillo dos objetos tienen el mismo brillo cuando, independientemente del color, producen en el observador la misma sensación de luminosidad En TV ByN: Luminancia reproduce sensación de brillo de la escena utilizando distintos niveles de gris En TV color: Obtención de la señal luminancia a partir de RGB (colorimetría): Y 0.3R 0.59G 0. 11B (Para primarios NTSC) Valores de luminancia, R, G, B normalizados entre 0 y 1 Para reproducir luminancia como niveles de gris R=G=B

Transmisión de información de color: Opciones 54 Opción 1: Transmisión directa de las tres componentes de color Sí es posible compatibilidad inversa: Receptor de color podría detectar llegada de Y y generar RGB adecuadas No compatibilidad directa: Receptor B/N necesita que le llegue Y Por tanto, se podría transmitir Y+RGB REDUNDANCIA! Derroche de BW! Ref: [Tar00] 1.4.19

Transmisión de información de color: Opciones 55 Opción 2: Transmisión de luminancia más dos componentes de color Sí compatibilidad directa Con transmisión de TV color YRB: Receptores B/N: Utilizan sólo Y (hay que conseguir que ignoren R,B) Receptores color: Se obtiene G a partir de Y,R,B Y 0.3R 11B Y 0.3R 0.59G 0.11B G 1.7Y 0.51R 0. 19B 0.59 En forma matricial: R 0 1 0 Y G B 1.7 0 0.51 0 0.19 1 Requerimiento adicional para la intro del color R B

Transmisión de información de color: Opciones 56 Opción 2: Transmisión de luminancia más dos componentes de color No compatibilidad inversa Con transmisiones TV B/N: Receptores B/N. Utilizan sólo Y (R,B no están) Receptores color. Representan: R 0 1 0 Y 0 G 1.7 0.51 0.19 0 1.7 Y B 0 0 1 0 0 Se recupera la información de brillo, pero en la componente verde! Realmente se necesita R=G=B=Y

Transmisión de información de color: Opciones 57 Opción 3: Transmisión de luminancia más dos señales diferencia de color Señales diferencia de color (R-Y), (G-Y) y (B-Y) Sí compatibilidad directa Con transmisión de TV color Y, (R-Y) y (B-Y): Receptores B/N. Utilizan sólo Y (hay que conseguir que ignoren R-Y, B-Y) Receptores color. Se obtiene RGB a partir de Y, (R-Y) y (B-Y): Y 0.3 0.59 0.11 R R 1 1 0 Y R Y 0.7 0.59 0.11 G G 1 0.51 0.19 R Y B Y 0.3 0.59 0.89 B B 1 0 1 B Y

Transmisión de información de color: Opciones 58 Opción 3: Transmisión de luminancia más dos señales diferencia de color Señales diferencia de color (R-Y), (G-Y) y (B-Y) Sí compatibilidad inversa Con transmisiones TV B/N: Receptores B/N: Utilizan sólo Y (R-Y,B-Y no están) Receptores color. Representan: R 1 1 G B 1 1 0.51 0 0 0.19 1 Y 0 0 Y Y Y Esta es la forma de transmisión del color que se utiliza! Realmente se necesita R=G=B=Y imagen en B/N correcta!

Transmisión de información de color: Opciones 59 Por qué no se utiliza la señal (G-Y)? (G-Y) tiene un nivel más reducido para casi todos los colores que (R-Y) y (B-Y) Y 0.3R 0.59G 0. 11B Más sensible al ruido Para obtener RGB sería necesario utilizan una matriz de decodificación con coeficientes mayores que la unidad (ganancia) Ejercicio! Obtener cuál sería esta matriz Ventajas de transmisión Y (R-Y) (B-Y) frente a RGB: Compatibilidad directa e inversa Optimización ancho de banda (BW) de transmisión: BW señales diferencia color < BW Y debido a características visión humana: Visión humana tiene más agudeza visual para distinguir niveles de brillo (Y) que colores próximos Si se transmite RGB (ej. en algunos sistemas digitales) no se puede aprovechar esta característica BW R= BW G= BW B BW Y

Señales diferencia de color en sistemas TV color 60 Las señales diferencia de color que se transmiten en los sistemas de TVC son transformaciones de las señales (R-Y) y (B-Y): PAL V U 0.877( R 0.493( B Y ) Y ) NTSC I Q 0.783( R 0.478( R Y ) Y ) 0.269( B 0.414( B Y ) Y ) SECAM D D R B 1.9( R Y ) 1.5( B Y ) Televisión digital E E CR CB 0.713( R 0.564( B Y ) Y )

Señal de video compuesto 61 Señal de video compuesto señal de video completa compuesta por la combinación de luminancia + crominancia (señales diferencia de color) Cómo se produce esta combinación cumpliendo todos los requerimientos de compatibilidad con TV B/N (BW, TV B/N ignora crominancia)? Respuesta: Modulación en cuadratura + Multiplexación en frecuencia

Representación vectorial del matiz de color 62 Representación vectorial del matiz de color: Vectorscopio

Cross-luma y cross-chroma 63