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La frecuencia de cuadro en UHDTV y 4K. (Frame Rate)

29 Ago 2016

La frecuencia de cuadro en UHDTV y 4K. (Frame Rate)

¿Verdad que la frecuencia de cuadro en UHDTV y 4K es una de las características más notables de este nuevo sistema de televisión?

Bueno antes que nada quiero pedir disculpas a los ya cientos de suscriptores que han confiado durante estos más de tres años que comenzó esta andadura de escribir en este blog, desde que salió publicado mi primer libro “La señal de vídeo en Alta Definición”, por los pocos artículos que he escrito últimamente en el blog, pero os puedo garantizar que no ha sido en balde.

Lo cierto es que desde hace varios meses estoy en una vorágine de impartición de cursos a la vez que estaba al cien por cien en la creación de mi nuevo libro.

Por ahora solo os voy a anticipar que probablemente será el primer libro escrito en castellano que trate la temática del 4K y la UHDTV. Por ello y por vuestra paciencia, he decidido adelantaros un trozo relacionado con la velocidad de cuadro.

Aún así, si alguno está interesado en saber más datos del libro puede mandarme un correo a tilano@tilanotv.es ,pero ahora te dejo con este fragmento del libro.

1- Frecuencia de cuadro. HFR

Al comienzo de la televisión se tomó como velocidad de cuadros óptima aquella que simplemente hacía que una serie imágenes consecutivas en el tiempo diesen al espectador la sensación de movimiento. Poco después se comprobó que aún así, se percibía un ligero parpadeo por lo que se subió dicha velocidad hasta llegar a los 50i en el sistema PAL o 60i en el sistema NTSC.

Como vimos con anterioridad en la fórmula que podría definir la UHDTV, uno de los factores que compone dicha fórmula es el HFR o alta tasa de cuadros. Ésta, queda definida en la ITU-R BT.2020 o en la SMPTE ST 2036-1 y en ella se puede comprobar que hay una gran variedad de velocidades de cuadro (120, 60, 60/1,001, 50, 30, 30/1,001, 25, 24, 24/1,001), siendo la inferior 24fps y la mayor 120fps.

Me imagino que te preguntarás de donde salen las velocidades de cuadro fraccionadas ¿no?. Pues bien, estos conceptos vienen de la época de la televisión analógica en NTSC, pero que en realidad, a fecha de hoy no se ha podido demostrar que las frecuencias de cuadros fraccionadas mejoren las velocidades de cuadro que haciéndose con números enteros.

Todo esto está muy bien, pero entonces...¿que quiere decir esta definición?:

Tasa de imágenes (Frame rate): Al hablar de la tasa de imágenes nos estamos refiriendo a la cantidad cuadros o de imágenes por segundo (fps o frame per second) que se transportan en la secuencia de vídeo que se crea.

Remitiéndonos al sistema europeo en cuanto a la alta definición Broadcast, en nuestro caso, esta cantidad se fija en 50fps aunque en el ámbito americano es de 60 fps.

Como ya sabrás, ( y si no te lo cuento yo) una de las características más relevantes que nos encontramos en un sistema de televisión, es el hecho de reproducir imágenes en movimiento, por ello, esta característica tiene una repercusión clara en la reproducción y calidad de las imágenes.

1.1- Artefactos en la señal de vídeo UHDTV

Si te fijas en la siguiente figura, se han reproducido tres posibles ejemplos con una pelota sobre un fondo plano, situación que se puede dar con bastante normalidad en una grabación. En la imagen superior aparece un pelota blanca que ha sido grabada con una cámara con un obturador ( shutter) a una velocidad muy corta, de ahí que aparezca la pelota como congelada en diferentes momentos. Esto produciría en la imagen un movimiento desigual.

En la imagen de en medio se ha procedido a realizar la grabación con el obturador medio abierto aparece la pelota medio borrosa sobre el fondo, por lo que se pierde cualquier tipo de detalle temporal, dando la sensación de parecer medio transparente.

Por último, en la imagen inferior, se ha duplicado la velocidad de cuadro apreciándose que desaparecen las manchas borrosas (smear) y las sacudidas (jerkiness).

figura-7.1

Imagen tilano@tilanotv.es

Pues bien, para definir un fallo en una imagen, cuando se percibe en la reproducción de las mismas se dice que se ha producido un artefacto. Así que, cuando nos referimos a este término es cuando apreciamos una diferencia a la hora de percibir la imagen que hemos grabado con respecto a la que se ha reproducido, y en base a esto podremos definir diferentes tipos de errores o artefactos como por ejemplo los que se muestran a continuación:

1.1.1. - Tipos de artefactos

-        Parpadeo o Flickering. Es un fenómeno que se produce cuando la frecuencia de cuadro es muy baja y se aprecia un parpadeo en una zona de la pantalla o en la pantalla completa. El problema se acentúa más cuanto más grande es la pantalla y más luminosa es la escena que se esté mostrando.

-        Movimiento desenfocado o Blur Motion. Este efecto se produce en varios supuestos, como cuando el tiempo de respuesta de los píxeles en las pantallas LCD es bajo, o cuando la cámara trabaja con velocidades de obturación muy bajas.

-        Sacudidas o Jerkiness. Es un fenómeno que sucede cuando el ojo no percibe continuidad entre imágenes ligeramente diferentes.

  • Streakines o veteado. Este artefacto se aprecia cuando en la imagen se ven las líneas de barrido, como si los contornos de las figuras tuviesen un efecto de peine.

Para solucionar por ejemplo el problema del parapadeo ( flicker ), la norma estima que se tome como velocidad de cuadro 120fps o 120/1,001fps. Esto hace que cuanto menor sea el tiempo que se emite luz en la pantalla durante el periodo de imagen, el movimiento de desenfoque que se produce por el mecanismo de retención se reduce también, evitando de esta forma que se produzca dicho parpadeo.

Extrapolando este hecho a la cámara, el efecto estroboscópico que se produce está dentro de unos límites aceptables, ya que cuando se usa el obturador electrónico a la mitad o un tercio aproximadamente, se mantiene - como he comentado antes- el desenfoque por movimiento dentro de un límite aceptable.

Todos los factores que participan en la señal de UHDTV son importantes en cuanto al cálculo del flujo de datos que se puedan generar, pero en el caso del HFR hay que tener muy claro a qué frecuencia de cuadro vamos a trabajar, por que esto va a influir tanto a la captación, la transmisión y la reproducción en la pantalla.

Concretamente, en cuanto a la grabación se refiere hay que tener especial cuidado, debido a que la iluminación con la que se trabaja en Europa tiene una frecuencia de 50Hz procedente en el origen de la televisión de la toma de tensión de la red eléctrica y la captación de las imágenes se pueden ajustar por ejemplo a 120fps, lo que puede provocar que se produzcan artefactos poco deseables.

Otro de los factores a tener en cuenta cuando utilicemos frecuencias de cuadro superiores a 60Hz en UHDTV (sobre todo si vamos a utilizar imágenes en HD ) es utilizar una frecuencia de cuadro cuyo mínimo común múltiplo se corresponda con la frecuencia del sistema de televisión existente para evitar problemas no deseados.

1.2.- Velocidad de 120 fps

 

Como todo lo que ocurre en los avances tecnológicos, todo tiene su parte buena y su parte mala. En el caso de la velocidad de cuadro a 120fps ocurre lo mismo, si bien el aumento de la velocidad de cuadro soluciona, como te he comentado anteriormente muchos problemas, no deja de ser cierto también que dicho aumento conlleva un incremento del flujo de datos de vídeo.

Esta velocidad de cuadro (120fps) viene indicada en la norma ITU-R BT.2020-0 o en la SMPTE ST 2036-1, aunque como te acabo de comentar hay flecos que los ingenieros encargados de definir la norma están teniendo que corregir actualmente en cuanto a las velocidades de cuadro (o de trama) se refiere.

Por una parte, hay cierto apoyo a mantener velocidades de 120fps fraccionadas (120/1,001) basándose en que hay mucho material grabado así y más que se seguirá grabando en un futuro.

Por otra parte están los que piensan que cuanto más se simplifiquen las normas, mucho mejor para fabricantes y usuarios en cuanto a mejoras técnicas y operacionales. Esto aporta simplificación en el proceso del audio y del vídeo, tanto en la facilidad de la sincronización, de código de tiempo y hasta la interoperatividad del audio, al no tener éste que cuadrar los datos con velocidades de cuadro tan dispares.

Yo particularmente me inclino más por velocidades de cuadro sin fraccionar, ya que a la larga nos olvidaríamos de conversiones entre las diferentes velocidades de cuadro y el horizonte hacia la posible subida de la velocidad de cuadro quedaría más despejado sin tantas variables encima de la mesa.

Bueno, espero que te haya resultando interesante, si es así, dentro de poco crearé la ficha en la tienda donde pondré el índice para que veáis toda la materia. En fin lo dicho, si estás interesado en saber algo más sobre el libro puedes hacerlo enviándome un correo electrónico a tilano@tilanotv.es .

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