1.
Introducción
2. Sistemas de exploración y sistemas de
color
4. La cámara de
color
5. Corrección de
Gamma
6. Inserción de la crominancia en la
señal de video
7. Fundamentos del sistema
NTSC
8.
Síntesis
En la década del 40 solo existía televisión
monocromática o blanco y negro, es decir, que la
señal de video transmitida
por las estaciones existentes, solo incluían la información de brillo de la imagen, la cual
era representada en la pantalla del receptor como una
sucesión de puntos con mayor o menor intensidad (tonos de
grises).
Si bien hoy en día, ver imágenes
en blanco y negro pueden no resultan atractivas, esta modalidad
de transmisión logra cumplir con un objetivo muy
necesario: dotar a la imagen
reproducida de definición suficiente para que el
espectador pueda discriminar dentro de la imagen, las formas, y
tamaños relativos de los componentes de la
escena.
Cuando la tecnología pudo
agregarle color a la
imagen, hubo que analizar la forma de incluir dentro del canal de
televisión, la información de color
(crominancia), sin detrimento de la información de brillo
(luminancia), ya existente.
2. Sistemas de
exploracion y sistemas de
color
Conviene hacer una aclaración importante: hay que
poder
discernir entre 2 conceptos distintos, que en la practica se
suelen tratar indistintamente.
Los sistemas de exploración de imágenes
de televisión, se refieren a la manera en que la imagen es
barrida por el haz, la cantidad de líneas de
definición, las frecuencias vertical y horizontal, y otras
características. Así, existen
normas como la
M en EE.UU., Brasil,
Japón, la norma N de Argentina, La
norma B en Europa,
etc.
Los sistemas de codificación de color de
imágenes de televisión, se refieren a la manera en
que se agrega la información de color a la imagen.
Así, existen 3 sistemas clásicos que se
implementaron en el mundo: NTSC, PAL y SECAM.
3. Compatibilidad y
retrocompatibilidad
Se hace necesario agregarle a la señal
monocromática de luminancia, la señal de
crominancia. Para conseguir esto se debe mantener 2 condiciones
importantes:
Compatibilidad
Es la propiedad de
un sistema de
televisión color que permite la reproducción de las
emisiones a color, en los receptores monocromáticos
existentes (por supuesto se verán las imágenes en
blanco y negro, aunque se hayan generado en el transmisor a
color).
Retrocompatibilidad o compatibilidad inversa
Es la propiedad de
un sistema de
televisión en colores que
permite a los receptores de televisión en colores,
reproducir en blanco y negro, las emisiones de un sistema
existente en blanco y negro.
En ambos casos, las imágenes deben ser de buena
calidad, por
lo que la emisión en colores debe mantenerse dentro del
canal de frecuencias previsto para blanco y negro, sin invadir
canales adyacentes.
Básicamente será igual a la
monocromática, pero deberá tener algún
agregado que le permita discriminar entre los 3 colores primarios
que componen la imagen de toma, separarlos y obtener sendas
señales de R, G y B. Esto se consigue con la
inclusión dentro de la cámara de espejos muy
especiales que en lugar de reflejar toda la radiación
incidente, solo lo hacen con una pequeña banda de la
misma, permitiendo que el resto de la radiación sea
atravesada. Estos espejos se llaman dicroicos.
Entonces, con un juego de 2
espejos dicroicos y otro espejo normal se consigue separar la
onda incidente en la cámara en sus 3 componentes
primarias.
Con estos 3 colores se podrán reproducir la
mayoría de los colores existentes en la naturaleza, por
lo tanto, si se transmitieran estas 3 señales se
podrían reproducir en un receptor destinado para este fin;
sin embargo un televisor monocromático pre-existente no
esta preparado para recibir estas 3 señales, sino solo la
Y.
Se deduce, de la colorimetría, que la relacion
entre Y los 3 colores primarios esta establecida por la llamada
ecuación fundamental de la Luminancia:
Y= 0.30.R + 0.59.G + 0.11.B
Conocido el hecho que se necesitan 3 señales para
reproducir una imagen coloreada y una de las señales a
trasmitir es Y, resta todavía obtener 2 señales
mas, que conformaran la señal vectorial de crominancia.
Estas 2 señales deberán tener la particularidad de
anularse en caso de tratarse de una imagen monocromática
(solo brillo). Este hecho, al igual que el anterior son
necesarios en relación a las 2 premisas anteriormente
nombradas, compatibilidad y retrocompatibilidad. Observando que
el blanco se obtiene con iguales cantidades de los 3 primarios,
por ejemplo el blanco de máximo brillo se obtiene con
señales normalizadas con R=G=B= 1v, se comprueba que Y=1v
también. Por lo tanto la señal de crominancia
estará formada por 2 de las 3 señales diferencia de
color R-Y, G-Y, B-Y. Solo será necesario enviar 2
señales, además de Y, dado que la tercera es
combinación lineal de las otras. En el receptor, de igual
manera se podrán recuperar las componentes R, G y B a
partir de Y y C, donde C es la señal vectorial de
crominancia formada por 2 señales de diferencia de color.
Al deducir la expresión analítica de las
diferencias de color, se comprueba que la diferencia al verde G-Y
es la que tiene coeficientes menores y por ende menor potencia por lo
que será más susceptible al ruido. Por lo
tanto la señal de crominancia C estará compuesta
por la diferencia al rojo y diferencia al azul, también
simbolizadas Cr y Cb.
El brillo de una pantalla de un Tubo de Rayos
catódicos TRC no guarda relacion lineal con respecto a la
intensidad del haz, sino más bien es una relacion de
cuadratica a cubica. Debido a esto se hace necesario una
corrección de Gamma en estudio, siendo Gamma ( γ) el
exponente de la intensidad I cuando se cumple la ecuación
L=k.I γ . La
condición ideal seria un Gamma igual a 1.
6. Inserción de la
crominancia en la señal de video
Se comprueba experimentalmente que la crominancia
requiere un ancho de banda menor que el de luminancia, pero aun
así, necesitan ubicarse ambas señales dentro del
mismo canal de frecuencia, para cumplir la compatibilidad
exigida. Para lograr esto hay que notar que el espectro de
luminancia como el que se obtiene de crominancia, tienen la
particularidad de ser discretos, es decir, están
compuestos por rayas espectrales y no por una banda continua de
frecuencias. La razón de esto hay que buscarla en el mismo
proceso de
generación de la imagen: a partir de la exploración
punto a punto, lo que lo hace discretos.
Entonces, la solución se basa en intercalar ambos
espectros, el de Y y el de C de manera de conseguir en el
receptor una fácil separación de ambos. Esto se
logra premodulando la croma con una frecuencia de subportadora
color, que cambia según el sistema o la norma, pero que en
todos los casos persigue un mismo objetivo,
ubicar la porción de mayor potencia del
espectro de croma en una zona donde el espectro de luma sea
notoriamente inferior, admitiendo un posible caso que la
separación de ambos espectros no se pueda conseguir con
absoluta eficacia. Aunque
este sea el caso, de todas formas se contribuye a la
compatibilidad y las imagenes recibidas seguirán siendo de
buena calidad, aunque
se vea afectada una pequeña porción de
espectro.
7. Fundamentos del sistema
ntsc
En el comité NTSC, por el año 1953, se
sentaron las bases que debía cumplir el futuro sistema de
televisión para un servicio
publico. Entre muchas características se pueden destacar las
siguientes:
- La transmisión de luminancia se debe limitar
al mismo espectro que sé venia empleando para
transmisiones en blanco y negro. Ya estaban definidos los
canales de 6MHz cada uno, el nuevo servicio
debía hacer uso de estos mismos canales ya establecidos.
En este tiempo ya era
conocida la curva de sensibilidad del ojo y otros estudios
sobre tricromia y colorimetría, también se
conocía la relacion entre luminancia y los 3 colores
primarios: Y=0.30R+0.59G+0.11B. - Además de la luminancia, obtenida según
(a), se debían trasmitir 2 señales mas para
caracterizar completamente una imagen coloreada. Se
conocía bien la teoría de los 3 colores, y estaban
convencidos que eran 3 señales las que se debían
trasmitir; como por compatibilidad, una de estas señales
debía ser obligatoriamente Y, quedaba por definir las
otras 2. Se observo que en caso de una imagen no coloreada
(negra, gris o blanca), se cumplía una relacion muy
particular entre los 3 colores primarios: kR=kG=kB con 0 ≤ k
≤ 1, entonces se dedujo que las señales (kR-kY),
(kG-kY), (kB-kY) eran señales que definían solo
el colorido de la imagen, pues en caso de negro, gris o blanco
se anulaban, esto es no llevan información de brillo y
cumplen con la compatibilidad exigida. Por lo tanto se
decidió con buen criterio, enviar junto con la
señal Y, las señales (kR-kY) y (kB-kY)
obteniéndose la restante en el receptor. Estas 2
señales se llamaron diferencia al rojo y diferencia al
azul y son las componentes de la señal de crominancia.
También se descubrió que estas señales
debían ser corregidas por alinealidades en la cadena de
transmisión y en el tubo del receptor. - Representación gráfica en el circulo
cromático. Así se destacan las señales en
las respectivas normas, donde
en un sistema de ejes cartesianos, se grafica la crominancia de
cada color obtenible en la imagen, llevando el eje de abscisas
la diferencia al azul y el eje de ordenadas la diferencia al
rojo. También se puede referir un color dado en este
mismo diagrama
determinado por su matiz y su saturación, haciendo un
cambio de
coordenadas cartesianas a polares. El modulo representa la
saturación y el ángulo formado por el vector
representativo del color y el semieje positivo de abscisas
representa el matiz. - Debe poderse introducir dentro del mismo canal de 6
MHz, y compartiendo banda con el espectro de luminancia, el
correspondiente a la crominancia, sin perturbar, o en su
defecto, perturbando lo menos posible al primero. Para lograr
este objetivo se basaron en estudios ópticos, donde se
establecía que el ojo es más sensible a
diferencias de brillo sobre pequeñas superficies, que al
color sobre idénticas superficies, concluyéndose
que el ancho de banda de croma debía ser menor que el de
luma. También se observo que los espectros
contenían energía en paquetes, perfectamente
ubicables dentro del canal, pues eran múltiplos de la
frecuencia de línea o frecuencia horizontal. Se
determino que el espectro de croma debía ubicarse en la
zona de altas frecuencias de la luma, donde esta tenia paquetes
de menor energía, por lo tanto, interferiría
menos en esta zona. - Modulación de la subportadora. Para conseguir
llevar el espectro de croma a la zona de alta frecuencia de la
luma era necesario modular las señales de diferencia de
color con una portadora que se denomino subportadora color.
Como ambas señales diferencia de color debían
trasmitirse simultáneamente sobre la misma portadora se
recurrió a la modulación de amplitud en
cuadratura, donde la modulación sobre la subportadora se
hace con un corrimiento de fase de 90 grados,
obteniéndose en definitiva una modulación en
amplitud y fase. La determinación del valor de la
subportadora se baso en el hecho que para intercalar ambos
espectros de rayas, la subportadora debía ser un
múltiplo de la semifrecuencia de línea, donde la
luma dejaba huecos sin energía. Así se
eligió un valor de
fsc=3.579545MHz. - Sustitución de las señales diferencia
de color. Sobre la base de estudios (elipses de Mac-Adam) y a
las características fisiológicas del ojo, en el
sistema NTSC se decidió correr los ejes de
modulación que hasta entonces eran (B-Y) y (R-Y) por los
definidos por una rotación de 33%, donde se creía
se podían conseguir 2 ejes, uno con máxima
sensibilidad, llamado I, al que se le asigna un gran ancho de
banda, y otro eje de mínima resolución, llamado
Q, al que se le asigna un menor ancho de banda. Esto solo fue
una transformación lineal que no altero el principio de
funcionamiento ni el tipo de modulación. - Primarios reales y blanco de referencia real para TV
color. Conocido entonces era el diagrama de
la ICI, y se definieron las coordenadas xy de los 3 primarios
seleccionados y el blanco de referencia, que se aproximaron
bastante a los teóricos. - Funcionamiento con la portadora suprimida. Se hizo
necesario para la transmisión de la crominancia
eliminarle la subportadora luego de la modulación, para
la compatibilidad en receptores monocromáticos. Esta
portadora color se regenera en el receptor a partir de un
oscilador a cristal, pero hace falta que esta portadora en el
receptor este sincronizada y en fase con la del emisor, por lo
cual se agrega a la señal compuesta (luma, croma,
sincronismos y borrados) unos ciclos de portadora color (entre
8 y 12) que el receptor utilizara en detectores
síncronos. Esta señal auxiliar se denomina Burst
o ráfaga de color (así mencionada en las
normas).
Resumiendo lo expuesto hasta ahora, se puede decir que
el agregado de información de color a la imagen
monocromática, se hizo de manera de mantener la
compatibilidad con los equipos receptores de televisión
pre-existentes a la mejora que significo la coloración de
las imágenes.
Según predice la colorimetría, se
necesitan 3 señales para definir una imagen coloreada:
estas 3 señales podrían ser las correspondientes a
los colores primarios, R , G y B ; también podrían
ser el brillo, el matiz y la saturación, pero el hecho que
la señal Y (luminancia) se utilizaba con anterioridad a la
mejora, se hizo necesario que una de las 3 señales a
transmitir en TV color, fuera , precisamente , Y. Las otras 2
señales adoptadas fueron las diferencias al rojo y al azul
, R-Y y B-Y lo que significo cumplir con la
retrocompatibilidad.
Para cumplir con la compatibilidad exigida, se inserto
la señal de crominancia en una porción del canal de
televisión donde molestara lo menos posible (las altas
frecuencias de Luminancia), consiguiéndose esto con la
ayuda de una portadora de color.
A la vez, se aprovecho la característica discreta
del espectro de luminancia y crominancia, para intercalar
componentes del espectro, sin producir solapamientos.
La señal de luminancia es la que contiene la
información de brillo de la escena, existía en
televisión monocromática, y continuo existiendo en
televisión color
La señal de crominancia esta compuesta por 2
señales diferencia de color, al rojo y al azul. Esta
señal de 2 componentes contiene la información de
color necesaria, que una vez procesada en el receptor, permite
obtener las 3 componentes primarias R, G y B, y a partir de
estas, la reproducción de la mayoría de los colores
existentes.
El primer sistema estándar de codificación
de color fue el NTSC, originario en EE.UU. en 1953.
Posteriormente, en Europa se
desarrollaron 2 sistemas mas, (PAL y SECAM) con el objeto de
brindar señales de televisión al continente
Europeo, pero sin las fallas inherentes del sistema
americano.
Categoría: tecnología
Titulo: sistema de televisión color
Resumen:
Explicacion del pasaje de la television monocromatica a la de
color. La compatibilidad exigida. Insercion de la señal de
crominancia dentro del canal de television
pre-existente.
Palabras claves:
compatibilidad, retrocompatibilidad, correccion de gamma, sistema
de exploracion, sistema de codificacion del color, fundamentos
del sistema NTSC.
Trabajo enviado y realizado por:
R.G. Bosco
Ing. Electrónico
Buenos Aires
Argentina