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¿ PORQUÉ 4:2:2 Y NO 7:2:2 ?

29 May 2014

¿ Porqué 4:2:2 y no 7:2:2 ?

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Hay veces que surge la realización de un post de una forma rápida y concisa, pues bien, este es el caso del post que estás leyendo sobre el porqué 4:2:2 y no 7:2:2. En realidad éste post surge de una pregunta que me hace el amigo Falele en relación al porqué del número cuatro cuando nos referimos a la codificación 4:2:2, concretamente el 4 de la luminancia .

Yo le explicaba la relación que guarda este número con la capacidad del sistema de visión humano, el porqué no es necesario digitalizar el mismo número de muestras de color que de luminancia debido a que en el ojo humano  existen más sensores que afectan a la luminancia (bastones o barras) que al color (conos).

                                   Figura5

                                                                         Imagen ©tilanotv

Que si, que muy bien, pero por qué cuatro y no siete o tres me comentaba Falele. Pues bien, de cuando estuve documentándome para mi libro, me sonaba que las empresas habían optado en los comienzos de la digitalización por la utilización de cuatro veces la frecuencia de subportadora como la frecuencia de muestreo.

Así que para informarme de una forma contrastada me decidí por preguntarle a la persona que más sabe y más información tiene sobre la señal de vídeo (por lo menos para mi) que es Juan Navalpotro.

Como siempre, no tuvo ningún problema en instruirme una vez más sobre este punto en concreto de la historia de la televisión. Esto se lo explico a Falele y automáticamente me dice que lo debería pasar a un post del blog para que quede aclarado para todos los que nos dedicamos a este mundillo. Por ello, paso a transcribiros, más o menos, la conversación que tuve con Juan.

Sobre los años 70, cada compañía de efectos digitales utilizaba una frecuencia de muestreo para la realización de los efectos digitales, entre ellas se encontraba Grass Valley que utilizaba una frecuencia de muestreo de tres veces la frecuencia de subportadora de la frecuencia de color, que en el caso del sistema PAL era de 4,43361875 MHz, que al multiplicarlo por tres, nos da 13,30 aproximadamente. Esta frecuencia, como se ha comentado cumple el criterio Nyquist (el número de muestras debe ser superior a dos veces el ancho de banda que se desea digitalizar, normalmente se emplea alrededor de 2,5 veces en las señales de vídeo).

Por ello para digitalizar una señal de luminancia de 5 MHz se necesita muestrear a unos 12,5 MHz, así que el muestreo a 3 veces subportadora es más que suficiente para una excelente calidad de la señal de luminancia. Las dos señales de crominancia tienen un ancho de banda de 1,2 MHz, pero no se muestrean aparte pues están dentro del espectro de la señal de luminancia en las señales compuestas NTSC y PAL.

Esta frecuencia que ahora nos puede parecer una cosa trivial, si nos trasladamos a los años 70 era una cosa difícil y cara para los fabricantes de equipos electrónicos, pero Grass Valley lo implementó en sus equipos de efectos (de hecho, este equipo fue uno de los que realizó efectos en la primera película de “La guerra de las Galaxias”, multiplicando por ejemplo el número de robots en una de las escenas de una batalla).

Pues bien, esto sucede en referencia a la generación de efectos, pero si hablamos de equipos de medición (teniendo en cuenta que ocurría lo mismo de ahora, o sea, que cada fabricante utiliza internamente su propia tecnología) Tektronix, optó por utilizar también la frecuencia de subportadora de color, o sea, los 4,43MHz, como referencia pero en esta ocasión decidió utilizar una frecuencia de muestreo de cuatro veces la frecuencia de subportadora en sus equipos de medida automática, primero el ANSWER y luego el VM700.

Esta frecuencia resultante  que se utilizó era 17,734475 MHz y ahora viene la respuesta a la pregunta que me hacía Falele. Al multiplicarlo por cuatro, se obtenía que en un ciclo de la señal de subportadora se toman cuatro muestras exactas, si pero.. ¿para qué?:

Pues porque de esta forma si se le aplica a la señal compuesta digitalizada un filtro digital paso banda para separar la señal de crominancia era más fácil separar las componentes (B-Y) y (R-Y) entre sí. Las muestras pares en cuadratura con las muestras impares (90º) representarían a las muestras respectivas de las dos componentes de color, así dos muestras son de (B-Y) y otras dos de (R-Y).  De este modo queda la señal de luminancia muestreada a 4 veces la frecuencia de subportadora y las de crominancia a dos veces cada una, de ahí sale el 4:2:2.

Como se ve esto sucede al digitalizar el entorno analógico de la señal compuesta, pero lo cierto es que cuando aparece en escena el entorno de trabajar en estudios con las señales en componentes separados, con tres cables, se eligió para las señales de crominancia un ancho de banda igual a la mitad de la señal de luminancia, que para el sistema de 625 líneas es de 5,5 MHz, quedando un ancho de 2,75 MHz para las señales (B-Y) y (R-Y) que es superior al de la señal de croma en banda base de la señal compuesta que era de 1,2 MHz y suficiente para lo que percibe el ojo humano.

Al tener mayor ancho de banda, y aunque el ojo no lo perciba, las señales de control para el uso del cromakey tienen transiciones más definidas (tiempos de subida y bajada más rápidos) permitiendo disminuir enormemente el halo que aparecía en los cromakeys hechos con la señal compuesta.

Al realizar el estándar digital para las señales en componentes, el famoso CCIR-601, se toma el ancho de banda de las señales en componentes (la de luminancia de 5,5MHz y las de croma de 2,75 MHz para el sistema de 625 líneas) y para cumplir con el criterio de Nyquist y que además fuesen compatibles los sistemas de 525 y de 625 líneas compartiendo una misma frecuencia de muestreo, la norma recomienda utilizar como frecuencia de muestreo para la luminancia 13,5MHz y la mitad para las señales diferencia de color Cb y Cr, es decir, 6,75MHz.

Figura 6.8

Y se decidió seguir con la nomenclatura usada en la señal compuesta de 4:2:2, que significa que por cada 4 muestras de luminancia se toman 2 muestras de cada señal de diferencia de color.

Figura 6.7

Nota: Recuérdese que el aumento del ancho de banda de las señales de crominancia fue debido a la mejora del cromakey y no porque hubiera más definición para visualizar los colores de las imágenes, pues el ojo es insensible a los detalles finos del color. Por ello el sistema MPEG de compresión reduce las muestras de croma a la mitad quedando el sistema con la denominación 4:1:1 que proporciona una calidad algo superior a la del sistema PAL, pues ¿para qué se va a transmitir algo que no se ve?, de este modo lo que obtenemos es un ahorro de ancho de banda en la transmisión.

Espero que a los adictos a la técnica del "¿ porqué esto es así ?" y no se conformen con la típica frase de "porque sí" les haya servido. De todas formas si crees que hay temas relacionados que podrían ser interesantes, puedes dejar un comentario o presentarlo en este blog, que como sabéis pretendemos que sea un punto de encuentro para el conocimiento audiovisual.

Fuentes consultadas:

Juan Navalpotro  www.abacantodigital.com

Tilano “La señal de vídeo en alta definición”  .

 

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