Frecuencia de cuadro es el número de imágenes transmitidas por

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Frecuencia de cuadro es el número de imágenes transmitidas por segundo. En
cine, el número de fotogramas por segundo es 24 y en Televisión debe ser un
número similar, de forma que el tiempo transcurrido entre imagen e imagen se
encuentre dentro del tiempo de integración temporal del ojo, que según se vio en el
capítulo primero, es inferior a 50 msg.
Lo lógico hubiese sido elegir la misma frecuencia de cuadro que la frecuencia
de fotogramas utilizada en cine, con objeto de facilitar la conversión de uno a otro
soporte, pero no se ha elegido ese valor. En el momento de la implantación de los
Sistemas de Televisión, un parámetro importante era la frecuencia de la red de
suministro de energía eléctrica, ya que afectaba de dos maneras diferentes:
a) La frecuencia de la red es muy estable y podía ser utilizada para que todas
las cámaras y demás elementos integrados en un Sistema completo se enganchasen
con dicha frecuencia. Era un sistema barato y cómodo de forzar a que varias cámaras
que se integrasen para formar un programa de Televisión estuviesen sincronizadas
entre sí de una forma muy estable.
b) La frecuencia de la red inevitablemente se introduce como interferencia
dentro de la señal de video y el batido entre la frecuencia de imágenes y dicha
frecuencia de red, se hace visible sobre la imagen como una interferencia de valor la
frecuencia diferencia entre ambas.
Estas dos consideraciones hicieron que en su momento la frecuencia de
cuadro se supeditase a la frecuencia de red. En Europa la frecuencia de la red es de
50 Hz y se eligió como frecuencia de cuadro justamente la mitad, 25 imágenes por
segundo. En América la frecuencia de la red es de 60 Hz, por lo que se decantaron
por una frecuencia de 30 imágenes por segundo.
Esto dará algunos problemas en los telecines, al convertir películas filmadas
a razón de 24 imágenes por segundo, a una velocidad distinta de esa. En Europa, la
pequeña diferencia es posible absorberla, asociando cada fotograma a una imagen
de Televisión, sin que sus efectos se noten demasiado (ligera disminución del tiempo
de duración y ligera elevación en el tono del sonido), pero en América es imposible
absorber esa diferencia y forzosamente se habrá de complicar la circuitería de los
telecines.
En el momento actual de la técnica, el parámetro de la frecuencia de red no
sería tan importante si el Sistema de Televisión se diseñase en este momento, tanto
porque no se necesita enganchar la frecuencia de cuadro con una referencia externa,
como porque la frecuencia de red se puede evitar que interfiera problemáticamente
en la señal de video. La realidad es que en su momento se tuvieron en cuenta estas
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consideraciones y ahora no es conveniente modificarlas. Se verá posteriormente que
en América, cuando se incorporó el color a los sistemas monocromos, tuvo que ser
desplazada la frecuencia de cuadro al valor de 29,94 imágenes por segundo para
evitar una interferencia que se hacía visible por el batido entre la subportadora de
color y la portadora de sonido. En esto se comprueba que la dependencia de la
frecuencia de red fue importante en su momento, pero no es algo imprescindible en
el momento actual.
2.4.1 .- DEPENDENCIA DEL PARPADEO CON LA FRECUENCIA DE CUADRO
Para una determinada frecuencia de cuadro, si el brillo de la imagen es
pequeño, la sensación de parpadeo (flicker) es menor que si la imagen tiene un brillo
considerable. Esto es lógico, teniendo en cuenta que entre dos imágenes con poco
brillo, la pérdida entre imagen e imagen será menor que entre dos imágenes muy
luminosas, en la que la pérdida entre una y otra será apreciable.
Se han llevado a cabo experimentos con objeto de valorar cuantitativamente
este fenómeno, y han culminado en la pronunciación de la denominada ley de FerryPorter, que se expresa de la siguiente forma:
Para un determinado valor del brillo "B", la frecuencia crítica de imágenes, por
debajo de la cual se aprecia parpadeo, viene dada a través de la expresión:
estando dado B en foot-lamberts y fc en Herzios.
fc = 37 + 12,6 log B
Con objeto de poder apreciar el gran incremento de brillo máximo que se
puede conseguir con un ligero incremento en la frecuencia de repetición de las
imágenes, en la figura 2.7 se representa gráficamente la expresión anterior.
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Fig. 2.7. Ley de Ferry-Porter
S i
la frecuencia de repetición de imágenes se establece en 25 imágenes por segundo,
el brillo máximo que se le puede dar a las pantallas sin que se aprecie parpadeo es
de 0,11 foots-lamberts, que para los no conocedores de esta magnitud puede decirse
que es un valor muy pequeño, de forma que si no se tomara ninguna medida, habría
que mantener cerradas las ventanas para poder apreciar la imagen del televisor. Si
se le diera más brillo a la pantalla, en las partes de la escena que se alcanzase ese
valor de brillo, se produciría parpadeo en la imagen.
Al duplicar la frecuencia de imágenes, pasando a 50, el brillo que se podría
tener en la imagen sin apreciarse ningún tipo de parpadeo en ella, pasa a ser 10,8
foot-lamberts, donde puede comprobarse que ha pasado a ser 100 veces mayor que
en la situación de 25 imágenes por segundo.
Si se pasase a 100 imágenes por segundo, el brillo permitido sin producir
parpadeo es de 100.000 foot-lamberts, valor enormemente grande, lo que indica que
con ese número de imágenes (y con menos también) nunca se produciría parpadeo.
Como es sabido, en cine se toman 24 fotogramas por segundo, lo que quiere
decir que si se proyectase de forma simple, una vez cada fotograma, el brillo de la
pantalla debería ser muy pequeño. Aunque en las salas cinematográficas se
permanece en ambientes de gran oscuridad, el brillo permitido apenas sería captado
por los espectadores, por lo que se ha decidido proyectar dos veces cada fotograma,
de manera que aunque son 24 imágenes distintas por segundo, al repetir dos veces
cada fotograma el número de imágenes proyectadas sobre la pantalla es de 48, lo
que ya permite valores de brillo aceptables sin que se produzca parpadeo.
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2.5 .- EXPLORACION ENTRELAZADA
Se acaba de ver que con 25 imágenes por segundo, el brillo máximo de la
pantalla de un monitor de Televisión es muy pequeño, puesto que al intentar darle
más brillo, se produciría el nada deseado parpadeo de la imagen.
Incrementar el número de imágenes por segundo sería la solución idónea, pero
habría que pagar el enorme precio de que el ancho de banda necesario para la
transmisión se dispararía peligrosamente, puesto que al mandar más información en
el mismo tiempo el ancho de banda aumentaría.
En cine se soluciona el problema proyectando dos veces cada fotograma y
algo parecido es lo que se hace en los receptores denominados "receptores de 100
Hz", pero en los receptores clásicos y en el momento de su diseño, hubo que recurrir
a técnicas más ingeniosas, ya que no se puede memorizar la imagen y hay que
trabajar en tiempo real.
La solución a este problema consiste en no explorar la imagen de forma
continua, una línea detrás de otra, sino en explorarla de forma que en una "primera
pasada" se exploran las líneas 1,3,5,7,9,11......y en la "segunda pasada" se exploran
las líneas que antes habían quedado sin explorar, es decir, las líneas
2,4,6,8,10,12.....
Aunque se tarda 40 msg. en explorar la imagen completa (el período
correspondiente a 25 imágenes por segundo), se analiza la primera parte de la imagen
en 20 msg. y se analiza la segunda parte en otros 20 msg., lo que proporciona 50
semiimágenes por segundo.
Como la separación en distancia entre líneas es muy pequeña, el ojo humano
no es capaz de diferenciarlas entre sí, por lo que aunque la segunda semiimagen se
ha dibujado en una posición ligeramente inferior a la primera, da la impresión de que
se ha dibujado prácticamente encima, lo que le induce a ser engañado y aprecia como
si fuesen 50 imágenes por segundo. De esta forma tan ingeniosa no es necesario
incrementar el ancho de banda (se transmite la misma información en el mismo
tiempo) y sin embargo la sensación de parpadeo se elimina completamente.
La situación creada por la exploración entrelazada se aprecia claramente en
la figura 2.8. A cada una de las semiimágenes en el argot televisivo se la denomina
campo (field en inglés), mientras que a la imagen completa, en este mismo argot, se
la denomina cuadro (en inglés frame) y algunas veces también recibe el nombre de
trama. Al primero de los campos se le suele denominar campo 1 o campo impar (a
veces también campo A) y el segundo de los campos recibe el nombre de campo 2,
campo B o campo par.
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Fig. 2.8. Obtención de un cuadro a partir de dos campos
Naturalmente, este sistema de exploración entrelazada tiene también algún
inconveniente. Uno de ellos es el de que en las transiciones en sentido vertical se
aprecia un ligero parpadeo, efecto conocido como vibración interlínea (interline
twitter), consistente en que en dichos bordes horizontales se aprecia un efecto de
parpadeo con la mitad de la frecuencia de trama.
Otro efecto también creado por la exploración entrelazada consiste en lo que
se denomina desplazamiento de línea (line crawl), cuyos efectos se dejan notar en
la visualización de unas líneas toscas que se desplazan en sentido vertical en los
momentos en los que existe desplazamiento vertical en la escena.
Aparte de estos dos efectos, el mayor inconveniente de la exploración
entrelazada es el de una gran pérdida de resolución vertical respecto de la que se
podría obtener con ese mismo número de líneas si se utilizase exploración continua.
Esta situación fue comprobada experimentalmente por Kell y será comentada
posteriormente.
A pesar de estos inconvenientes, la exploración entrelazada puede
considerarse como un gran logro, sin el cual hubiese sido imposible o al menos muy
difícil llevar a la práctica la transmisión de imágenes de Televisión en el momento en
que comenzaron a llevarse a cabo.
En el momento actual, la solución al problema del parpadeo se hubiese
enfocado de forma diferente, ya que es posible utilizar memorias que almacenen una
imagen completa, para posteriormente repetirla las veces que se desee, de forma
similar a como se actúa en el cine. Esta forma de actuación ya se viene utilizando
desde hace tiempo en los sistemas de proyección en gran pantalla, cuya exposición
se efectúa al aire libre y se necesita una gran cantidad de brillo.
Al terreno doméstico se ha incorporado esta técnica no hace mucho tiempo,
dada la gran cantidad de memoria necesaria y la gran velocidad a la que es necesario
almacenar y leer la información. En el momento actual, en los equipos de gama alta
ya se empiezan a utilizar estas técnicas.
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Básicamente consisten en digitalizar y almacenar la imagen según va llegando,
de forma que la última imagen en llegar va almacenándose encima de la anterior. En
la memoria siempre está almacenada la última imagen y se la puede leer las veces
que se desee, pero como ya se ha visto, tampoco es necesario generar un gran
número de imágenes por segundo, puesto que a partir de un cierto valor, el brillo
permitido sin efecto de parpadeo es altísimo.
Pueden utilizarse dos técnicas. La primera, utilizada normalmente en los
receptores domésticos, consiste en repetir dos veces cada campo, continuando
efectuando exploración entrelazada. Debido a esto, teniendo en cuenta que la
transmisión es de 50 campos por segundo, se pasará a 100 campos por segundo,
siendo precisamente por esto por lo que en la publicidad de estos equipos se les
denomina como receptores de 100 Hz.
La segunda técnica consiste en almacenar la imagen completa para
posteriormente repetirla sin efectuar exploración entrelazada, con lo que se
representarían 50 imágenes completas por segundo. No se mejora mucho con esta
forma de presentación de imágenes, toda vez que en origen la imagen se encuentra
explorada mediante la técnica de entrelazado y la limitación se encuentra
precisamente en ese aspecto, todo lo que se haga después no puede evitar esa
limitación de origen.
2.6 .- ELECCION DEL NUMERO DE LINEAS
Al diseñar un Sistema de Televisión, hay que conseguir que el espectador no
distinga las líneas horizontales mediante las cuales se explora la escena, puesto que
en caso contrario se apreciaría la imagen como si se la estuviese viendo detrás de un
enrejado de barras horizontales.
La solución a este problema es obvia, elegir un gran número de líneas para que
el ojo sea incapaz de distinguir unas de otras, teniendo en cuenta que su agudeza
visual es limitada. Si se actuase así, se llegaría a enfrentarse con el mismo problema
de siempre, el de que el incremento de información enviada en los 40 msg
correspondientes al tiempo de exploración de una imagen, se traduce en un
incremento del ancho de banda y este parámetro ha de procurarse que se eleve lo
menos posible, ya que encarece tanto el equipamiento necesario para procesar las
imágenes como el propio canal de transmisión.
La situación es tal que se presentan dos intereses contrapuestos. Por una
parte, cuantas más líneas se utilicen, más resolución se tendrá en la imagen. Por otra
parte, al incrementar el número de líneas, aumenta el ancho de banda de transmisión.
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Ha de adoptarse una solución de compromiso, con un número de líneas tal que le
parezca al ojo que la imagen no está muestreada en sentido vertical y que no tenga
un ancho de banda exagerado.
En este apartado se va a localizar con razonamientos geométricos el mínimo
número de líneas que debe tener una imagen para que se supere la agudeza visual
del ojo, de forma que la imagen proporcionada le parezca completamente continua
en sentido vertical, aunque en realidad se encontrará en forma discontinua.
Lo primero que hay que plantearse es cual es la distancia a la que se colocará
el espectador frente a la pantalla, puesto que si se coloca muy cerca por muchas
líneas que se coloquen, siempre las verá distanciadas entre sí. La experiencia
demuestra que si la pantalla es pequeña el espectador se coloca próximo a ella, pero
si la pantalla es grande se coloca más alejado de ella para visionar las imágenes.
Para valorar la distancia a la que el espectador se coloca cuando pretende
visualizar una imagen no se tendrán en cuenta las disponibilidades de espacio del
recinto donde se coloca el monitor, ya que entonces se estaría condicionado a otros
aspectos diferentes del que aquí se contempla. Se parte de la hipótesis de que el
espectador elige libremente la distancia a la que se va a colocar y esa distancia es la
que se tendrá en cuenta.
Esta distancia se deduce de la conocida como "regla de los pintores", que
consiste en efectuar una valoración estadística de las posiciones adoptadas por los
observadores de cuadros cuando se encuentran en los museos. La distancia a la que
se colocan, depende tanto de la anchura del cuadro como de la altura, pudiéndose
comprobar que la mayoría de las personas eligen una distancia de observación
equivalente a cuatro veces la diagonal del cuadro que se encuentran observando.
Esta regla no debería llamarse regla de los pintores, sino regla de los observadores
de los cuadros pintados por los pintores, pero así es como se la conoce normalmente.
En el caso de los cuadros no es fácil expresar esta distancia en función de la
altura del cuadro, ya que su relación de aspecto puede ser muy diversa, pero en el
caso de la pantalla de Televisión, la relación de aspecto se encuentra perfectamente
establecida, siendo de un valor 4:3. En este tipo de formato, la relación entre la altura
de la pantalla y su diagonal es:
Aplicando la regla de los pintores a las pantallas de Televisión puede afirmarse
que los espectadores se colocarán a una distancia de las pantallas equivalentes a
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6,66 veces la altura de dicha pantalla, situación que se encuentra reflejada en la
figura 2.9.
Si se intenta conocer cual es el valor del ángulo con el que el observador
abarca toda la pantalla en sentido vertical (denominado $ en la figura) es posible
calcularlo sin ningún tipo de problema. Se supone que el espectador se coloca
perpendicularmente al plano de la pantalla para una mejor observación, y en esas
condiciones el ángulo $ será el doble del ángulo ", resaltado también en la figura.
Fig. 2.9. Angulo con el que se observa la pantalla de TV
El valor de este ángulo es muy fácil de calcular, ya que forma parte de un
triángulo rectángulo. Sobre él se puede establecer la siguiente relación:
El ángulo " resulta ser independiente de la altura de la pantalla, lo cual es
lógico, toda vez que si la pantalla es grande el espectador se colocará lejos y si la
pantalla es pequeña la visualizará desde una posición más cercana.
Conocida la tangente de este ángulo según se acaba de calcular, su valor
resulta ser de 4,29º, por lo que $ tendrá el valor de 8,58º.
Sabiendo que este es el ángulo con el que se abarca toda la pantalla en
sentido vertical, y conociendo que la agudeza visual del ojo es tal que efectúa la
mezcla aditiva espacial dentro del ángulo de un minuto, no existe problema en
calcular el número de veces que un minuto de grado se encuentra comprendido en
el ángulo de 8,58º, resultando ser un valor de 515, tal como puede apreciarse en la
figura 2.10.
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Fig. 2.10. Mínimo número de líneas que debe tener una pantalla de TV
Este es el valor mínimo del número de líneas que debe tener una imagen de
Televisión para que el ojo no aprecie separadas entre sí las diferentes líneas que
componen la imagen. En el caso de que sea superior, redundará en mayor resolución
de la imagen, pero por debajo de ese valor nunca deberá descender. A la hora de
elegir el número definitivo de líneas que se van a utilizar, se deben atender a varios
aspectos, enumerados a continuación:
a) El número de líneas visibles sobre la pantalla deberá superar el valor de
515, tal como se acaba de calcular.
b) Por motivos que luego serán estudiados, el número de líneas debe ser
impar.
c) Conviene que se oculten en la parte superior de la pantalla algunas líneas
visibles, lo mismo que en la parte inferior. Esto se hace para prevenir que alguna
pequeña bajada de tensión o causa similar haga aparecer franjas negras en la parte
superior e inferior de la pantalla, que ocasionarían en la mayor parte de los casos que
el usuario acudiera al técnico para eliminarlas. En previsión de esto, no conviene
trabajar tan al límite y se deja un margen de seguridad de varias líneas ocultas por las
partes superior e inferior. Esto hace que el número de líneas con imagen deba ser
mayor de 515, para que sobre la pantalla queden algo más de esas 515 líneas.
d) Cuando se acabe de barrer una pantalla, antes de barrer la siguiente, hay
que retroceder a la parte superior, en lo que se emplea cierto tiempo, que medido en
líneas será del orden de más de una decena. Lo que se transmite en ese momento
también se entiende que son líneas, lo que ocurre es que no llevarán contenido de
imagen, sino que serán líneas negras. Su valor también se contabilizará, al evaluar
el número total de líneas por imagen.
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e) Para mantener perfecto el entrelazado, entre el número de líneas por
segundo y el número de imágenes por segundo debe existir una relación muy rigurosa
( número de líneas por imagen). Las frecuencias de línea y de campo se obtendrán
de un único oscilador, dividiendo posteriormente a la frecuencia de dicho oscilador
por los valores adecuados para obtener las frecuencias deseadas. Para ello, la
frecuencia del oscilador de partida será el mínimo común múltiplo de ambas y a partir
de ella será posible obtener las frecuencias buscadas.
La frecuencia del oscilador de partida siempre será el doble de la frecuencia
de línea, por lo que para obtener dicha frecuencia será necesario dividir por 2. Para
obtener la frecuencia de campo habrá que dividir la frecuencia de partida por el
número de líneas que contiene una imagen. Los divisores por un número alto se
obtienen a partir de divisores más pequeños, de forma que cuanto más pequeño sea
el valor por el que hay que dividir la frecuencia, mayor es la fiabilidad obtenida del
circuito. Por esto y como los valores por los que se divide siempre serán primos, ya
que si no lo fuesen se descompondrían en otros, no se utilizan prácticamente
divisores nada más que por 2, por 3, por 5, por 7, por 9, por 11 y casi nunca ya por
13.
Si nos ponemos a buscar valores en el entorno entre 600 y 650 encontramos
que el valor idóneo es el de 625, toda vez que es posible descomponerlo en factores
de pequeño tamaño. En efecto, descomponiendo los números impares comprendidos
en esos márgenes, llegamos a las descomposiciones en números primos efectuadas
en la siguiente tabla, donde se ha colocado encima el número que se pretende
descomponer y debajo la descomposición conseguida, expresada en números primos:
601
601
611
47.13
621
23.3.3.3
631
631
641
641
603
67.3.3
613
613
623
89.7
633
211.3
643
643
605
11.11.5
615
41.5.3
625
5.5.5.5
635
127.5
645
43.5.3
607
607
617
617
627
19.11.13
637
13.7.7
647
647
609
29.7.3
619
619
629
37.17
639
71.3.3
649
59.11
En los Sistemas americanos, diseñados algún tiempo antes, se eligió el valor
de 525 líneas, que también admite descomposición sencilla (525 = 7.5.5.3). En
Francia durante algún tiempo se intentó trabajar con 819 líneas (13.7.3.3), pero en
el momento actual se ha optado por utilizar también el Sistema de 625 líneas.
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Al tener 625 líneas en cada imagen y haber elegido 25 imágenes por segundo,
el total de líneas ubicadas dentro de un segundo es de 15.625, valor que se conoce
como frecuencia de línea.
flínea = 625 . 25 = 15625 Hz.
El período de línea es el tiempo asignado a cada una de las líneas y
lógicamente es el inverso de la frecuencia de línea. En nuestro Sistema de Televisión
el período de línea tiene un valor:
Este valor de tiempo es muy importante en Televisión, ya que muchas
magnitudes son múltiplos de este tiempo y se suelen expresar en función de él.
2.7 .- ANCHO DE BANDA DE UNA SEÑAL DE VIDEO
El ancho de banda de cualquier señal es función de las variaciones que
experimente dicha señal en el dominio del tiempo. Si las variaciones son pocas, su
ancho de banda será pequeño, pero si tiene gran variación, el ancho de banda se
elevará considerablemente.
En el caso de una señal de video, las variaciones de la señal se encuentran
condicionadas al tipo de imagen que transporten en cada momento. La imagen más
sencilla posible es cuando la imagen es totalmente uniforme, en cuyo caso la señal
de video será una tensión continua y su ancho de banda será nulo.
Si se sigue complicando la imagen, cada vez su variación temporal será mayor
y su ancho de banda aumentará. La imagen más compleja que se pueda imaginar es
un tablero de ajedrez con el máximo posible de casillas blancas y negras y para esta
imagen se va a efectuar una valoración de la frecuencia correspondiente a la señal
de video, con objeto de obtener una ideal del orden de magnitud de las frecuencias
que puede llegar a tener dicha señal.
La imagen a la que se está haciendo referencia es la de la figura 2.11 y en la
misma figura se ha dibujado a la izquierda la imagen observada en pantalla y a la
derecha la señal de video a la que se va a calcular su frecuencia.