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Presentación de la asignatura
0. Presentación de la asignatura
0.1. Introducción a la digitalización de la señal de
vídeo.
Las señales son el soporte básico de información. Para establecer una comunicación, se
necesita generar una energía electromagnética en forma de onda. Estas señales se utilizan en
muchos campos relacionados con la comunicación: vídeo, voz, datos (multimedia). Las señales
también sirven para realizar medidas (instrumentación, sonar), sondear el terreno (radar,
seismología, exploración de recursos), exploraciones médicas (bioelectrónica).
La parte útil de la señal suele estar enmascarada de alguna manera, bién por ruido, por
otras señales, o bien por la propia codificación utilizada. Para extraer la información que se busca
en estas señales se utilizan las técnicas del tratamiento de señales. Los casos más típicos son:
Quitar el ruido en el canal de comunicación (mejora de la relación S/N)
Detectar una señal en un entorno ruidoso (radar, transmisiones digitales, etc.)
Separación de señales multiplexadas.
Extracción de la información relevante (Parametrización, compresión, simulación)
Compensación de distorsiones (ecualización)
Interpolación (Zoom digital)
Haciendo un poco de historia, hasta 1960 sólo se disponía de sistema analógicos, y
mediante ellos se conseguían osciladores, amplificadores, filtros y hasta mezcladores. A partir
de 1960, con el desarrollo de los microprocesadores y de la teoría del tratamiento digital de las
señales, comenzó a pensarse en la forma de tratar de forma digital a las señales comenzandose
a pensar en el desarrollo de los procesadores digitales de señal, conocidos como DSPs, que sería
un tipo especial de microprocesadores creados para procesar señales de una manera muy eficiente
El procesado digital de señales trabaja con muestras en las que la variable tiempo pasa a
ser discreta. Para nuestro estudio, generalmente la variable tiempo será siempre la variable
independiente (pensemos en el sonido: variable independiente el tiempo y variable dependiente
presión sonora), aunque esto no siempre tiene que ser así. De hecho en la digitalización de una
fotografía, las variables independientes son las magnitudes espaciales x e y y la variable
dependiente sería el nivel de gris, o color.
Las señales analógicas son señales continuas en el tiempo y en amplitud, pero para el
procesado digital de señales necesitamos que ambas variables sean discretas. Si queremos
discretizar señales analógicas tenemos que muestrear en el tiempo estas señales. Para esto
utilizaremos los conversores A/D, que además de discretizar la señal en tiempo tomando valores
en instantes concretos también cuantifica la amplitud resultando a la salida una amplitud discreta.
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Vídeo Digital
Si queremos procesar señales analógicas de forma digital debemos primero convertir a
digital nuestras señales mediante el conversor A/D; seguidamente podremos trabajar en el
dominio digital; y finalmente volver al dominio analógico mediante conversores D/A
Figura 1. Tratamiento digital de señales analógicas.
0.1.1. Digitalización de la señal de televisión.
Los sistemas de imagen que imperan actualmente en el mundo de la televisión son los
analógicos. Son conocidos los sistemas PAL, y SECAM, en Europa, y NTSC en Estados Unidos
y Japón, además de otros sistemas que son variantes de estos tres, en el resto del mundo.
Hace unos años, se vio la necesidad de adoptar un nuevo sistema de común acuerdo en
Europa, como sistema único de televisión para el futuro. Este sistema es digital.
Los principios fundamentales en que se basa la tecnología digital radican en el muestreo
de la señal analógica (vídeo y audio) y su posterior compresión, de tal manera que en el extremo
receptor pueda reconstruirse fielmente la señal original a partir de una serie de muestras
inteligentemente codificadas.
En este entorno, la informática y las telecomunicaciones están mezclándose a un ritmo
desenfrenado. La digitalización de la señal de video está absorbiendo todos los procesos de
tratamiento de la señal, tanto en producción como en la distribución.
El problema más difícil que se plantea, es dar el salto del antiguo sistema analógico al
moderno digital, de una manera flexible y adaptable a las necesidades particulares de productores,
radiodifusores y usuarios.
0.1.1.1. Digitalización de la señal compuesta o por componentes
Cualquier persona ligeramente introducida en la tecnología televisiva conoce la forma de
onda de la señal de televisión analógica compuesta que es la que llega a nuestras casas en la
actualidad.
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Presentación de la asignatura
Esta señal, podemos digitalizarla sin más, y obtener de ella una señal digital compuesta,
formada por ”unos” y “ceros”.
Figura 2. . Digitalización de la señal compuesta de vídeo
Por otra parte, sabemos que esta señal de video se compone a su vez de distintas
informaciones separadas que son: la luminancia, los colores de crominancia: R, G y B, el sonido
(mono + estéreo), y otras señales de control como el piloto de dual, estéreo...
Figura 3. . Digitalización de la señal de vídeo por componentes.
Centrándonos en las informaciones de imagen, es decir crominancia y luminancia,
podemos también digitalizar éstas y obtener una señal digital en componentes.
Dado que en los sistemas actuales la información que se manda es Y, R-Y y B-Y,
podríamos digitalizar estas señales y extraer las señal G a partir de ellas.
En principio se supone que es más práctica la codificación en componentes, pero aparece
el problema de la transición entre los sistemas actuales, donde el vídeo analógico está en su forma
compuesta, y los sistemas modernos, plenamente digitales.
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Vídeo Digital
0.1.1.2. Necesidad de compresión
La información pura de vídeo digital puro es enorme, y esto implicará ocupar un gran
ancho de banda del espacio radioeléctrico en transmisión, y la necesidad de una gran capacidad
para el almacenamiento de esta información en disco o cinta. Por ello, tanto la transmisión como
el almacenamiento suelen llevar implícita la necesidad de una compresión de la información.
En unas cuentas muy rápidas, si muestreamos la señal de luminancia con frecuencia de
13,5 MHz., las dos de crominancia con 6,75 MHz., y cuantificamos con 8 bits podemos
comprobar que necesitaremos un flujo binario de 216 Mbits / s.
13,5 MHz * 8 bits + 6,75 MHz * 2 señales * 8 bits = 216 Mbits / s
Los impresionantes avances de la tecnología de compresión de la señal de vídeo han
hecho posible, mediante algoritmos, el almacenamiento y la transmisión digital de imágenes de
una manera económica.
De la capacidad de compresión derivará el uso de flujos binarios bajos que permitirán
tratar, procesar y transmitir la imagen de TV por canales reducidos sin pérdida de calidad
subjetiva de la imagen. Esto hace posible el almacenamiento de programas de TV en un disco
duro y la multiplicación del espectro radioeléctrico, y de los sistemas físicos de transmisión.
Calidad y factor de compresión son dos propiedades irreconciliables en vídeo digital. Si
el factor de compresión es alto, como por ejemplo en la videoconferencia, la calidad se ve
mermada.
0.1.2. Ventajas y potencialidades del vídeo digital.
La implantación de una nueva tecnología en un campo de actividad ya establecido como
la televisión puede perseguir varios objetivos:
Economía.- En el mundo digital, todas las operaciones que se realizan son generalmente
más fáciles y en general económicas.
Eficacia y productividad.En los sistemas digitales, las técnicas de post-producción
se hacen más potentes por la variedad de posibles mezclas y por la facilidad operativa de
introducción de efectos.
Solución de problemas.- Existen determinados procesos que en el mundo analógico serían
inviables; pensemos por ejemplo, en una síntesis de imágenes virtuales en tres dimensiones.
Nuevas aplicaciones.- Introducción de información en el medio de transmisión, sonido
de alta calidad, multitud de canales libres o de pago, etc. A continuación veremos algunas de las
ventajas conseguidas.
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0.1.2.1. Inmunidad al ruido.
La imagen digital no se degrada durante todo el proceso, desde la captura por las cámaras
hasta su recepción final en los televisores. Una señal digital afectada por ruido puede regenerarse
electrónicamente de una manera sencilla, así el mantenimiento de la calidad de la señal se
consigue con independencia de la complejidad del equipo.
Gracias a esta posibilidad de regeneración, las copias digitales que se realizan serán
clónicas de las originales, ya que no sufrirán degradación aunque estén inmersas en un complejo
sistema de producción.
En el caso de que exista posibilidad de que la degradación sea tan grande como para
alterar un bit, es decir que aparezcan errores lógicos, existen distintas formas de codificación que
hacen posible detectarlos y corregirlos.
Un claro ejemplo de esto aparece en los criterios de calidad de la transmisión de imágenes.
En el caso analógico, los criterios de calidad para la transmisión de una señal de vídeo en formato
PAL (monocanal) imponen una relación portadora-ruido de 12 dB. Mientras que una transmisión
a 31 Mb/s es de 6 dB incluyendo una transmisión de TV multiprograma. Esto obviamente, lleva
implícito una reducción significativa de tamaño de la antena receptora, que actualmente es patente
en los sistemas de distribución vía satélite.
Otro aspecto muy importante en el caso de los sistemas digitales, es que estos no están
sometidos a ajustes o derivas con el tiempo, típicos en los sistemas analógicos. Las operaciones
digitales son generalmente funciones matemáticas o lógicas cuyos resultados son invariantes.
0.1.2.2. Facilidad de memoria
La capacidad informática de memorización digital de las imágenes hace posible una fácil
congelación de cuadros. Esto posibilita a su vez la visualización de secuencias de imágenes a
distintas velocidades sin una disminución de la calidad.
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Vídeo Digital
Con esto además, la calidad será siempre alta desde el origen de la producción ligera de
televisión. El ruido no afecta a la capacidad de memorización de los discos, reemplazando
posiblemente estos a las cintas. No obstante de momento las cintas siguen siendo útiles debido
a su alta capacidad y a lo económicas que son.
0.1.2.3. Efectos digitales
De la memorización de líneas y de cuadros derivan todo un mundo de efectos artísticos
muy rico, y a una amplia gama de manipulaciones electrónicas de las señales. Estos efectos son
posibles gracias a la capacidad de lectura y manipulación de datos de las memorias.
Cambios de tamaño en las imágenes fácil de conseguir. Por ejemplo, hacer que toda una
imagen aparezca en una porción de la pantalla
Mezcla no-lineal de imágenes: Imágenes que se van sustituyendo unas por otras con
diversos efectos:
Giros virtuales de la imagen sobre un eje horizontal o vertical de la pantalla,
Rotaciones respecto del centro o cualquier punto de la pantalla
Imágenes retorcidas, o deformadas, o
Dividir en fragmentos una imagen o juntar todos los fragmentos de esta, reconstruyendo
la imagen original
0.1.2.4. Cambios de formato
La existencia de distintos formatos ya es una realidad en los sistemas analógicos (PAL,
SECAM, NTSC, y otros derivados), y la posibilidad de crear una interfase analógica entre
formatos es compleja.
En el mundo digital, hay que tener en cuenta también varios aspectos diferentes. Cada
sistema que se diseña puede resolver los problemas que se plantean de distinta forma: Podemos
utilizar distintas diferentes frecuencias de muestreo, podemos codificar la señal compuesta o en
componentes, etc. No obstante, una posible interfase entre formatos digitales se antoja mucho más
sencilla que en el caso analógico. En definitiva, estaríamos hablando de un programa corriendo
en un ordenador, en un sistema con procesador digital de señal (DSP), o simplemente en un
sistema a medida mediante un microcontrolador.
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0.1.2.5. Síntesis de imágenes virtuales
Están íntimamente relacionadas con la tecnología digital. Podemos señalar en primer
lugar, la oferta de fondos virtuales, escenografía electrónica, etc.
Otro capítulo muy interesante también es el de la síntesis de imágenes por ordenador:
confección de subtítulos, infografía y grafismo electrónico, que incluye tanto el retoque
fotográfico en 2 dimensiones como las animaciones de escenas tridimensionales.
0.1.2.6. Incremento de prestaciones de los circuitos.
La tecnología digital aporta también otras características positivas en cuanto al hardware
que la soporta. Los circuitos digitales, en primer lugar son circuitos a los que se les puede aplicar
una alta escala de integración. Además, la velocidad y flexibilidad de los circuitos digitales, que
son programables, cada vez es más alta.
Estos avances, implican un abaratamiento de costes en las instalaciones digitales de
producción.
A estas características se le añade una disminución de peso, consumo y volumen de los
equipos. Esto ha facilitado el llamado periodismo electrónico y la producción ligera de vídeo. Ya
en la actualidad existen cámaras con magnetoscopio, editores de maleta, magnetoscopios
miniatura, capaces de cubrir las aspiraciones del periodista más exigente.
Con estas características, la tecnología digital supone un abaratamiento de los equipos y
en consecuencia una enorme popularización. Esto redunda en que estudios de producción de baja
calidad por falta de presupuesto puedan llegar a conseguir una alta calidad, comparable con el de
las economías más fuertes. Este panorama abre el mercado a las televisiones locales, canales
temáticos, etc.
0.1.2.7. Transmisión por redes estándar de telecomunicación.
El entorno digital creado facilita la transmisión de la imagen por las redes de
comunicación con un coste bajo y de forma instantánea. Únicamente habrá que decidir el factor
de compresión a utilizar, según la capacidad del canal que se utilice.
Esta transmisión se realiza sin interferencias ni ruidos, dando lugar a una imagen limpia,
como se suele decir una “imagen con calidad de estudio”
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Vídeo Digital
0.1.2.8. Transmisión de aplicaciones multimedia
Si entendemos como multimedia la integración de sistemas de comunicaciones,
ordenadores, electrónica de consumo, tecnologías de publicidad, y transferencias electrónicas,
entre otros, una de las potencialidades más importantes de la transmisión de vídeo digital en
televisión, y que se están poniendo muy en boga, es la transmisión de aplicaciones multimedia
como servicio de valor añadido a dicha señal. Ya existen en el mercado operadores de televisión
que ofrecen telefonía básica, internet, y otros servicios.
0.1.2.9. Introducción de sonido de alta calidad.
Otra ventaja es la posibilidad de disponer de sonido de alta calidad (CD) asociado a la
imagen, adoptando las formas estereofónica, envolvente (Dolby Surround), o multilengua.
0.1.3. Evolución de la televisión digital.
La evolución de los sistemas de televisión digital son el resultado de la unión de la
tecnología de la televisión convencional y la tecnología informática.
Los primeros ensayos de televisión datan de la década de los años 1920. Ya en los años
1940 la televisión se veía como espectáculo en los Estados Unidos. Los televisores de aquella
época eran en blanco y negro y estaban hechos a base de válvulas de vacío. La década de los años
1950 es la de el transistor y la de las primeras pruebas de sistemas en color.
Aunque los magnetoscopios comienzan a construirse en los años 1960, sería en la década
de los 1970 cuando se extenderían. En esta época, comienzan también a utilizarse técnicas
digitales pero para sistemas de control. En la década de los 1970 también asistimos al
lanzamiento de los primeros satélites de comunicación, al principio con un ancho de banda muy
limitado.
En la década de los 1980 comienzan a utilizarse las técnicas digitales en la televisión,
apareciendo así la televisión digital. Fue en el sector de la producción de programas donde se
encuentran las primeras aplicaciones de la televisión digital. Desde esta época (1980-83) llevan
en servicio varias islas digitales como los correctores de bases de tiempo (TBC) para la
estabilización de las lecturas de los magnetoscopios, los convertidores de normas, y sobretodo
los generadores de efectos. También surge un gran campo de aplicación, y es el de los equipos
ligeros, orientados sobretodo al periodismo electrónico.
Con la introducción de las técnicas digitales en la televisión en los años 1980 nacen
también los magnetoscopios digitales D1 y D2 (1983-87). La edición de vídeo sufre una auténtica
revolución con los generadores de efectos y los mezcladores no lineales. Nace también el
grafismo electrónico, aunque su mayor auge se produjo en la última década del siglo XX.
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En la década de los 1990, la televisión digital sale del ámbito de la post-producción y va
ganando terreno sin parar a los sistemas analógicos: producción, enlaces, e incluso distribución
por satélite y por cable. En esta década, la asociación del ordenador y la televisión es una realidad,
ampliando todavía más las posibilidades de la creatividad.
0.1.3.1. Recomendaciones del CCIR (UIT-R)
La estandarización de la televisión digital se produjo a través de varias recomendaciones
que intentaron delimitar los formatos de señal digital a utilizar, así como la estructura de los
interfaces entre equipos digitales: el interfaz paralelo, que data de 1987, y el interfaz serie, de
1993.
En el año 1983 se aprobó la recomendación CCIR 601. Esta recomendación tuvo tanto
éxito que pasó a obtener el rango de norma 4:2:2, conociendose actualmente como la norma
4:2:2. Este sería el inicio de la digitalización de la señal en el ámbito de la producción. Esta
norma marca un estándar en las señales de vídeo digital con calidad de estudio. Conforme a esta
norma se fabricaron multitud de equipos que han ido sustituyendo a los sistemas en componentes
analógicos y a los renombrados PAL, SECAM y NTSC.
Un tratamiento inteligente de la información de brillo (luminancia) y del color que percibe
el ojo humano ha permitido manejar flujos binarios capaces de ser tratados por los equipos más
exigentes de la producción, como son los magnetoscopios.
Esta norma resultó tener más aceptación de lo esperado y los grados de jerarquía de
calidad previstos en un principio, se multiplicaron según las necesidades. Así surgió la necesidad
de disponer de más información para ganar en resolución, y hacer más precisas las incrustaciones
y otros efectos gráficos. Surgieron así la supernorma 4:4:4, que otorga al color la misma
resolución que al brillo.
A la vez, surgió la necesidad de aliviar el flujo binario para reducir la densidad de
información, abaratar los equipos de producción, hacerlos más ligeros y manejables, y reducir el
consumo de energía. Estas ventajas suponen sacrificar ligeramente la resolución de los píxeles
de color, y así nace la norma 4:1:1 y 4:2:0 en la que se desarrollan los formatos digitales de
periodismo electrónico y de producción ligera de vídeo. Ejemplos de estos formatos son los
DVCAM de Sony y DVCPRO de Panasonic que compiten en este mercado.
Desde entonces, un conjunto de equipos, generadores de efectos, sincronizadores de
cuadro, paletas gráficas, cámaras digitales, etc. se han desarrollado a tal ritmo que lo que eran
antes “islas digitales” en un entorno analógico, se han ido convirtiendo en un continente digital
con algunas islas analógicas.
Así el mundo de la producción se volvió digital cuando se avanzó en el tema de las
interfases entre equipos. En 1993 se presenta el interfaz serie; un circuito de entrada-salida para
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Vídeo Digital
equipos digitales de producción, que procesan la información binaria que llega al equipo receptor
por un solo cable coaxial o de fibra óptica.
Como ejemplo, dos magnetoscopios se enlazan en el mundo digital de vídeo en sus tres
componentes de brillo y color, cuatro sonidos digitales, códigos de tiempo, y señales auxiliares
por un único cable coaxial o una fibra óptica. Esto supone una gran simplificación en las
instalaciones respecto del mundo analógico.
También de 1993 son los primeros magnetoscopios de producción según la norma 4:2:2:
los Betacam Digital y el D5. Los magnetoscopios conocidos ahora como DVCAM, DVCPRO,
Betacam SX, y Digital-S vieron la luz algo más tarde, después de 1995.
En esta historia es importante destacar el gran avance que desde 1993 han tenido las
técnicas de compresión, que hacen posible la transmisión de la señal de video digital en canales
de menor ancho de banda, o almacenar dichas señales de vídeo en soportes de menor tamaño.
0.1.3.2. El satélite y la televisión por cable.
En la actualidad, estamos viviendo la penetración de la tecnología digital en la difusión
de señales al público. Estamos viviendo la digitalización del último segmento, el de la difusión.
El mejor vehículo que aporta las mayores posibilidades de difusión es el satélite, por ser
relativamente virgen para cualquier nuevo ensayo tecnológico, y extraordinario para manejar
canales de nueva creación, que no están ocupados por otros servicios.
Las emisiones por satélite son recibidas por una antena parabólica individual o colectiva,
y una vez decodificadas en la “caja negra” asociada al receptor, entran en él por el euroconector,
como una emisión limpia y nítida.
La multiplicación de los canales que ofrece la compresión conduce a una televisión
temática con distintas formas de financiación, segmentando la audiencia y la publicidad.
Otro vehículo afectado por las tecnologías digitales es el cable. El cable, o la fibra óptica,
no hacen uso del espectro radioeléctrico y no utilizan ningún recurso limitado en ancho de banda;
el cable tiene capacidad sobrante para albergar cualquier proyecto futuro.
Estamos ya asistiendo a la aparición de televisiones digitales que además del servicio de
difusión de televisión, ofrecen servicio de internet. Podemos llegar además a ver otros servicios
interactivos como la telemedicina, el teletrabajo, la telecompra, asociados a este soporte.
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0.1.3.3. Digitalización de la televisión terrestre.
La digitalización a la televisión terrenal vía radio también llegará, más pronto que tarde.
Ya han comenzado las pruebas en varios países, incluida España. El gran problema aquí es la
transición entre el sistema actual analógico PAL, SECAM, y NTSC y el futuro digital.
Económicamente, el paso de la televisión convencional a la digital se hará en todo el mundo
siguiendo criterios de amortización. Es necesario sacarles partido a los sistemas analógicos que
existen en la actualidad en todos los ámbitos; desde el particular (que se ha comprado el nuevo
televisor con pantalla “nosecomo” y que es analógico) y los sistemas de difusión, que se han
estado modernizando para dar cobertura a todos estos particulares.
Parece que la filosofía de transición será la llamada “simulcast”. A todos los
radiodifusores de televisión analógica se les otorgará un canal adicional para emisiones digitales
por el que transmitirá la misma, u otra emisión durante el periodo de amortización, dejando libre
el canal analógico al final. En América el plazo está ya marcado para el año 2.006. En Europa la
fecha marcada es el año 2011; el gran problema es que la asignación de frecuencias nuevas es
difícil, sobretodo en aquellas zonas de pequeños países con distintos idiomas oficiales, o grandes
núcleos de población. Probablemente habrá que recurrir a que varios canales emitan
temporalmente utilizando la misma frecuencia y multiplexados en tiempo, lo que supondría una
complicación para el receptor.
0.1.3.4. La televisión de alta definición (HDTV).
En televisión digital se baraja también la posibilidad de ofrecer dos calidades distintas (la
televisión mejorada, y la televisión de alta definición). Para esto, los americanos ya tienen
diseñado el sistema para implantar ambos sistemas de forma compatible.
Parece ser, que en el caso de la alta definición, la producción de programas tiende a
realizarse en formato cine de 35 mm, por su alta calidad y coste relativamente bajo.
En cuanto al receptor, parecemos abocados a hacer desaparecer el tubo de rayos catódicos
y utilizar las pantallas planas de plasma, de unos pocos centímetros de espesor y formato 16/9.
En estas pantallas el espectador, a una distancia de tres veces la altura disfrutará de una visión
envolvente, asociada a varios canales de sonido digital que convertirán a la televisión en lo que
se ha llamado “el cine en casa”.
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0.1.4. Aplicaciones del vídeo digital.
La introducción de la televisión digital tienen una incidencia distinta dentro de cada
campo de la actividad televisiva:
La producción de programas que incluye la toma de imágenes, la reproducción de
filmaciones, grabación magnética, edición y procesos de post-producción.
La transmisión punto a punto que incluye radioenlaces, los satélites de comunicación y
en general todos los equipos que transportan la señal hasta las emisoras de difusión directa al
público.
La emisión, que incluye los transmisores que emiten directamente al público, los satélites
de radiodifusión directa, la distribución por cable y por otros medios que alcancen a los
terminales domésticos de recepción.
El aprovechamiento de las ventajas de la televisión digital en la producción de programas
es un hecho palpable. Sin embargo, en la emisión directa al público su introducción tiene varias
dificultades y no está prevista hasta dentro de unos años.
Los mayores inconvenientes en cuanto a la introducción de las técnicas digitales en la
difusión, son la gran inversión por parte de las emisoras para emitir en digital, y la amortización
por parte de los usuarios del abundante parque de televisores analógicos que existen en el mundo.
Un cambio de tecnología de la noche a la mañana sería inviable.
En el caso de la edición de programas. La introducción de la tecnología digital ha sido
intensa, y ha ido ganando terreno a la televisión analógica. Éste ha sido el punto de partida para
la globalización de la tecnología digital en otros sectores.
Otras aplicaciones, fuera del entorno de la televisión tanto estándar como de alta
definición radica en los servicios multimedia donde se integran imágenes, sonido y datos. Entre
estos campos podemos destacar la seguridad a distancia, tanto doméstica como profesional, la
educación a distancia, los servicios de internet (mensajería, servicios financieros, compra
electrónica de localidades, artículos o servicios, informaciones diversas, de bolsa, viajes,
meteorología, archivo de imágenes de gran resolución como imágenes médicas, etc. publicidad,
videojuegos, y un sinfín de servicios públicos, privados, o previo pago.
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