francesc tarres ruiz sistemas audiovisuales television analogica y digital

7/31/2019 Francesc Tarres Ruiz Sistemas Audiovisuales Television Analogica y Digital

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POLITEXT

EDICIONS UPC

Francesc Tarrs Ruiz

Sistemas audiovisuales1 - Televisin analgica y digital


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Presentacin 7

Presentacin

Los sistemas de comunicacin audiovisual han experimentado, desde los inicios de la televisin enblanco y negro, una constante evolucin tecnolgica encaminada a mejorar tanto la calidad como lacantidad de los servicios. No obstante, debe tenerse en cuenta que el elevado nmero de usuarios y el

coste de los equipos terminales suponen una considerable inercia comercial que plantea seriasdificultades a la introduccin de nuevos sistemas. Por ello, la evolucin tecnolgica casi siempre serealiza de forma progresiva, manteniendo cierto grado de compatibilidad con los sistemas precedentese introduciendo de forma paulatina mejoras y servicios adicionales. La introduccin de informacin decolor compatible con los sistemas en blanco y negro o la adicin de canales de audio estereofnicoconstituyen claros ejemplos de esta evolucin progresiva. Ms recientemente, la rpida implantacinde la televisin digital por va satlite se ha obtenido sin que ello suponga un coste excesivo para elusuario, decodificando la seal digital en el extremo receptor y convirtindola a los formatosanalgicos convencionales, para los que ya estaban preparados los equipos reproductores. Tambin deforma progresiva, se estn introduciendo nuevos receptores que admiten tanto entradas analgicascomo digitales.

Esto significa que, al menos durante cierto tiempo, coexistirn los formatos analgicos y los digitalesa los que, seguramente, se incorporaran nuevas caractersticas como la alta definicin, los canales deretorno para interactuar con el usuario, el acceso a servicios audiovisuales o multimedia a travs deinternet, etc. Aunque en un futuro prximo es probable que dejen de transmitirse seales de televisinanalgicas, los receptores debern seguir manteniendo stos formatos para proporcionar cierto gradode compatibilidad con los reproductores de VHS, cmaras de vdeo y otros equipos que actualmentese disponen y que el usuario desear mantener.

Este texto pretende proporcionar una perspectiva general de los principios tecnolgicos en los que sebasan los sistemas de comunicacin audiovisual, teniendo en cuenta los principales formatosanalgicos y digitales que actualmente comparten el mercado de equipos y sistemas no profesionales.Debido a la extensin y complejidad de algunos temas, hemos considerado oportuno dividir loscontenidos en dos volmenes que pueden seguirse de forma totalmente autnoma e independiente. En

ste primer volumen se tratarn nicamente los aspectos relacionados con la captura, el tratamiento yla transmisin de las imgenes, centrndonos principalmente en los sistemas de televisin analgica ydigital y en las cmaras de vdeo. En un segundo volumen se desarrollarn los sistemas de audio y lascomunicaciones audiovisuales en sistemas o redes informticas. Aunque los contenidos se agrupan,principalmente, en torno a las aplicaciones de televisin (audio y vdeo) y la codificacin de vdeo ensistemas informticos, los conceptos expuestos son vlidos y generalizables a otros formatos

Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.


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8 Sistemas audiovisuales I. Televisin analgica y digital

audiovisuales domsticos como el DVD (Digital Versatile Disc), el Minidisc, los reproductores MP3,los sistemas de videoconferencia por internet o RDSI, etc. En cualquier caso, en todo momento seproporcionar informacin detallada de los aspectos comunes y las diferencias ms significativas entre

los formatos ms conocidos.

El primer captulo es una introduccin general a los sistemas de comunicacin visual en la que sedesglosan las etapas necesarias para convertir una escena real en una seal que represente lainformacin contenida en esa escena. Para ello, se describen las principales caractersticas del sistemavisual humano, que nos permiten discernir aquellos parmetros fsicos que realmente contribuyen enla percepcin de la escena de los que no aportan informacin significativa. Todos los elementosdesarrollados en este primer tema pueden considerarse bsicos y se aplican tanto a los sistemasanalgicos como a los digitales. Se examinan con detalle aspectos diversos como la descomposicinen componentes de color RGB, la transmisin de la informacin mediante componentes de luminanciay seales diferencia de color, el nmero de imgenes por segundo, los sistemas entrelazados y noentrelazados, las relaciones de aspecto de la pantalla, el nmero de lneas, el ancho de banda de lasseales y los principios de la televisin analgica y digital. Se incluyen numerosas referenciashistricas y tecnolgicas con el objetivo de justificar la procedencia de los parmetros ms habitualesen los sistemas de televisin.

Los sistemas de televisin analgicos se desarrollan en los dos captulos siguientes. El primero sededica a los sistemas en blanco y negro, prestando especial atencin a las seales de sincronismo y alos principios de representacin de imgenes mediante tubos de rayos catdicos. Tambin se analizan,a nivel de diagrama de bloques, los subsistemas del receptor dedicados a recuperar la informacin desincronismo a partir de la seal de vdeo compuesto. El estudio de los sistemas de color compatiblesse centra en la descripcin del NTSC y el PAL. En ambos casos se presentan abundantesjustificaciones analticas que pueden obviarse sin que se produzca una prdida de continuidad en lacomprensin de los aspectos ms tecnolgicos.

La televisin digital y los principios de compresin de imgenes se describen en el captulo 4. Ellector interesado exclusivamente en los sistemas digitales puede abordar directamente este tema, en elque slo se utilizan los elementos y conceptos desarrollados en el primer captulo. El estudio incluyeun anlisis exhaustivo de las diferentes alternativas para la compresin de imgenes con prdidas y sinprdidas. Se describen las peculiaridades del estndar JPEG para la compresin de imgenesestacionarias y se profundiza en los estndares MPEG-1 y MPEG-2 para las secuencias de imgenesen movimiento. La parte final se dedica al estndar DVB, que define la transmisin de televisin enformato digital.

El ltimo captulo se dedica a las cmaras de vdeo. Se proporcionan los elementos de pticageomtrica necesarios para comprender los conceptos de enfoque, zoom y las relaciones entre iris,obturador y profundidad de campo. Tambin se describen las principales unidades fotomtricas y se

presentan los principios fsicos de los sensores CCD para la captura de imgenes.

Barcelona, abril de 2000



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ndice 9

ndice

1 Elementos bsicos de los sistemas de comunicacin visual

1.1 Introduccin................................................................................................................. 15

1.2 Cadena bsica de un sistema de comunicacin visual .................................................... 161.3 De la escena a la seal de televisin.............................................................................. 191.4 Componentes de color RGB ......................................................................................... 21

1.4.1 La luz y el color.............................................................................................. 211.4.2 Percepcin del color en el sistema visual humano....... ...... ..... ...... ...... ...... ...... .. 241.4.3 El ojo humano ................................................................................................ 251.4.4 Clulas sensibles: conos y bastones................................................................. 261.4.5 Estmulos de los fotorreceptores: sensacin de color....... ..... ...... ...... ...... ...... .... 311.4.6 Tradas RGB en displays de TV.......................................... ............................ 321.4.7 Sistemas de coordenadas para la representacin del color:

principios de colorimetra............................................................................. 331.4.8 Normalizacin de las coordenadas de color: coeficientes triestmulo..... ...... ..... 351.4.9 Cambio de sistemas de coordenadas................................................................ 351.4.10 Sistema de coordenadas con primarios monocromticos........ ...... ...... ...... ...... .. 361.4.11 Sistema de coordenadas basado en los fsforos del receptor NTSC........ ...... .... 371.4.12 Tringulo deMaxwell y diagrama cromtico................................................... 391.4.13 Representacin grfica de la mezcla de colores ............................................... 411.4.14 Situacin de los colores en el tringulo deMaxwell y en

el diagrama de cromaticidad............................................. ............................ 431.4.15 Algunos comentarios sobre la representacin grfica de los colores ...... ...... ..... 481.4.16 La seal de luminancia ................................................................................... 501.4.17 Sistemas de coordenadasXYZ......................................................................... 521.4.18 Obtencin de las componentes do color: filtros dicroicos..... ...... ...... ...... ...... .... 551.4.19 Transmisin de la informacin de color: seales diferencia de color ...... ...... .... 57

1.5 Proyeccin de las escenas en el plano de imagen........................................................... 64

1.5.1 Sistemas para la representacin de imgenes 3D ............................................. 651.5.2 Mecanismos de visin tridimensional.............................................................. 661.5.3 Sistemas estereoscpicos ................................................................................ 701.5.4 Sistemas autoestereoscpicos.......................................................................... 771.5.5 Displays volumtricos .................................................................................... 821.5.6 Hologramas y displays hologrficos................................................................ 85



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1.6 Limitacin de la imagen: tamao del sensor y relacin de aspecto...... ...... ...... ...... ...... ... 891.7 Muestreo temporal de las imgenes .............................................................................. 98

1.7.1 Un poco de historia: del Phenakistoscope al Cinmatographe ..................... 100

1.7.2 La persistencia, el parpadeo y el fenmenophi ........................................... 1021.7.3 Frecuencia de imagen................................................................................. 1041.7.4 Aliasing temporal en las imgenes.............................................................. 102

1.8 Muestreo espacial de las imgenes: filas........................................... .......................... 1081.8.1 Antecedentes de la televisin...................................................................... 1121.8.2 Nmero de lneas ....................................................................................... 1161.8.3 Agudeza visual .......................................................................................... 1171.8.4 Distancia de visionado ............................................................................... 1191.8.5 Nmero mnimo de lneas .......................................................................... 1201.8.6 Seleccin del nmero de lneas................................................................... 1211.8.7 Nmero de lneas en los sistemas de alta definicin .................................... 1231.8.8 Entrelazado de las imgenes....................................................................... 1231.8.9 Problemas derivados del entrelazado de las imgenes ................................. 1271.8.10 Insercin de seales de sincronismo en la seal de televisin ...... ...... ...... .... 1271.8.11 Exploracin entrelazada de las imgenes en la cmara ................................ 1291.8.12 Receptores de 100 Hz................................................................................. 1301.8.12 Ancho de banda aproximado de la seal de televisin ................................. 1321.8.14 Resolucin y factor de resolucin en un sistema de televisin ...... ...... ...... ... 1371.8.15 Insercin de la informacin de color........................................................... 1401.8.16 Sistemas de vdeo en componentes ............................................................. 1411.8.17 Sistemas de vdeo compuesto..................................................................... 143

1.9 Muestreo espacial de las imgenes: filas y columnas................................................... 1451.9.1 Conceptos bsicos...................................................................................... 1451.9.2 Sistemas de adquisicin.............................................................................. 1491.9.3 Formatos de televisin digital..................................................................... 150

2 La seal de televisin en blanco y negro

2.1 Introduccin............................................................................................................... 1592.2 Principios de funcionamiento del tubo de rayos catdicos ........................................... 160

2.2.1 Ctodo, filamento y rejilla................................................ .......................... 1602.2.2 Rejillas de aceleracin y enfoque................................................................ 1612.2.3 Deflexin del haz............................................................. .......................... 1612.2.4 Pantalla...................................................................................................... 1622.2.5 Forma del raster........................................................................................ 1622.2.6 Modulacin del haz mediante la seal de luminancia .................................. 162

2.2.7 Principio de funcionamiento de los tubos de color ...................................... 1642.3 Correccin gamma ..................................................................................................... 1672.4 Seales de deflexin del haz....................................................................................... 170

2.4.1 Caso ideal.................................................................................................. 1702.4.2 Seales de deflexin del haz: aproximacin al caso real.............................. 171

2.5 Sincronismo de lnea.................................................................................................. 173



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ndice 11

2.6 Sincronismo de campo ............................................................................................... 1802.6.1 Sincronizacin de los generadores de barrido vertical ................................. 188

2.7 Espectro de la seal de televisin en blanco y negro.................................................... 190

3 La seal de televisin en color: sistemas compatibles

3.1 Introduccin............................................................................................................... 1973.2 Las seales de color en los sistemas NTSC y PAL...................................................... 198

3.2.1 Seales diferencia de color en el NTSC y PAL ........................................... 1993.2.2 Modulacin de las seales diferencia de color en los sistemas

NTSC y PAL ............................................................................................. 2073.3 El sistema NTSC........................................................................................................ 209

3.3.1 Seleccin de la frecuencia portadora de la seal de croma....... ...... ...... ...... .. 2093.3.2 Patrones de interferencia en el sistema NTSC............................................. 2133.3.3 Modificacin de la frecuencia de imagen .................................................... 2193.3.4 Demodulacin de las componentes I y Q: caso ideal ................................... 2223.3.5 Demodulacin con errores de fase .............................................................. 2243.3.6 Insercin de la salva de la portadora de color.............................................. 2253.3.7 Demodulacin de las componentes de color: banda lateral superior

vestigial ..................................................................................................... 2283.3.8 Demodulacin directa de las componentes U y V........................................ 2333.3.9 Diagrama de bloques de un codificador NTSC............................................ 2353.3.10 Diagrama de bloques del decodificador NTSC............................................ 2383.3.11 Separacin de las seales de luminancia y croma........................................ 2393.3.12 Regeneracin de la portadora de color ........................................................ 2463.3.13 Problemas del sistema NTSC ..................................................................... 247

3.4 El sistema PAL.......................................................................................................... 250

3.4.1 Correccin de la fase mediante la inversin de una de lascomponentes de croma............................................................................... 250

3.4.2 Diagrama de bloques de un decodificador de croma en PAL-S..... ...... ...... ... 2523.4.3 Diagrama de bloques de un decodificador de croma en PAL-D...... ...... ...... . 2533.4.4 Seleccin de la frecuencia portadora de color.............................................. 2583.4.5 Espectro de la seal PAL............................................................................ 2623.4.6 Generacin de sincronismos en el sistema PAL .......................................... 2643.4.7 La seal de salva en el sistema PAL ........................................................... 2653.4.8 Diagramas de bloques de un codificador y un decodificador PAL ...... ...... ... 267

3.5 Normas utilizadas en la transmisin de seales de TV analgicas en color...... ...... ...... . 268

4 Televisin digital

4.1 Introduccin............................................................................................................... 2734.2 Compresin de imgenes: necesidad y conceptos bsicos............................................ 2764.3 Medida de la informacin de una fuente ..................................................................... 284

4.3.1 Entropa de una fuente de mensajes ............................................................ 2864.4 Cdigos de longitud variable ...................................................................................... 287



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4.4.1 Cdigos deHuffman................................................................................... 2884.4.2 Modificaciones del cdigo deHuffman....................................................... 291

4.5 Otros tipos de cdigos................................................................................................ 293

4.5.1 Codificacin por longitud de series (Run Length Encoding-RLE)................ 2934.5.2 Codificacin LZW..................................................................................... 2944.5.3 Codificacin aritmtica .............................................................................. 295

4.6 Codificacin y predictores.......................................................................................... 2964.7 La transformada coseno discreta................................................................................. 298

4.7.1 Definicin de la transformada coseno unidimensional................................. 3014.7.2 Extensin de la transformada coseno a dos dimensiones ............................. 3054.7.3 Codificacin por zonas............................................................................... 3114.7.4 Codificacin por umbral............................................................................. 313

4.8 Codificacin de imgenes estacionarias: el estndar JPEG.......................................... 3144.8.1 JPEG: modo secuencial base (baseline) ...................................................... 3164.8.2 Codificacin de imgenes con mltiples componentes ................................ 3244.8.3 Modo progresivo........................................................................................ 3254.8.4 Calidades subjetivas obtenidas con el JPEG................................................ 327

4.9 Codificacin de secuencias de vdeo: MPEG .............................................................. 3294.9.1 Uso de la redundancia temporal para la compresin de vdeo ...... ...... ...... .... 3324.9.2 Compensacin de movimiento.................................................................... 3354.9.3 Algoritmos para la estimacin de los vectores de movimiento......... ...... ...... 3404.9.4 Tipos de imgenes en el MPEG.................................................................. 3474.9.5 Orden de transmisin de las imgenes ........................................................ 3494.9.6 Algunos ejemplos con secuencias y codificadores ideales ........................... 3514.9.7 Diagramas generales del proceso de codificacin y

decodificacin de imgenes........................................................................ 3524.9.8 Estructura jerrquica de la trama MPEG..................................................... 3544.9.9 Algunos detalles sobre la codificacin de las imgenes del tipo I...... ...... ..... 355

4.9.10 Algunos detalles sobre la codificacin de las imgenes del tipo P......... ...... . 3574.9.11 Detalles sobre la codificacin de las imgenes del tipo B ............................ 3594.9.12 Control de la tasa de bits ............................................................................ 3614.9.13 Tratamiento de imgenes entrelazadas en el MPEG-2................................. 3624.9.14 Restriccin de parmetros, niveles y perfiles............................................... 366

4.10 Multiplexacin de sucuencias MPEG.......................................................................... 3694.10.1 Estructura del paquete bsico (Packetized Elementary Stream) ................... 3704.10.2 La trama de programa (Program Stream).................................................... 3724.10.3 La trama de transporte................................................................................ 3724.10.4 Informacin especfica de programas

(Program Specific Information PSI) ........................................................ 3754.10.5 Multiplexado de paquetes elementales en la trama de transporte........ ...... .... 376

4.11 Principios del DVB.................................................................................................... 3784.11.1 Estndar DVB-S ........................................................................................ 3794.11.2 Estndar DVB-C........................................................................................ 3804.11.3 Estndar DVB-T........................................................................................ 380



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ndice 13

5 Cmaras5.1 Introduccin............................................................................................................... 3815.2 Diagrama de bloques de una cmara ........................................................................... 3825.3 Principios de ptica geomtrica y formacin de imgenes........................................... 386

5.3.1 Lentes, grupo ptico y lente ideal............................................................... 3875.3.2 Formacin de imgenes con lentes ideales .................................................. 3915.3.3 Angulo de visin........................................................................................ 3945.3.4 Regulacin de la cantidad de luz: diafragma y obturador......... ...... ...... ...... .. 3975.3.5 Profundidad de campo................................................................................ 402

5.4 Fotometra ................................................................................................................. 4085.4.1 Intensidad luminosa: la candela .................................................................. 4095.4.2 El flujo luminoso: lumen............................................................................ 4135.4.3 La iluminancia: lux .................................................................................... 414

5.5 Sensores de imagen de estado slido........................................................................... 4165.5.1 Sensores CCD matriciales .......................................................................... 4205.5.2 Sensores CCD de transferencia de cuadro (Frame TransferCCD)............... 4215.5.3 Sensores CCD de transferencia de cuadro divididos

(Split Frame TransferCCD)....................................................................... 4225.5.4 Sensores CCD de transferencia interlnea (Interline Transfer)..................... 4235.5.5 Dispositivos de inyeccin de carga (Charge Injection Devices CID) ........... 4255.5.6 Sensores de pxel activo ............................................................................. 4265.5.7 Captura de imgenes en color con un nico sensor...................................... 427

5.6 Sistemas automticos de control de la seal de vdeo .................................................. 4295.6.1 Zoom ptico y zoom digital........................................................................ 429

5.6.2 Mecanismos de estabilizacin de imagen.................................................... 4295.6.3 Sistemas de autoenfoque ............................................................................ 4305.6.4 Ajuste del balance de blancos..................................................................... 4345.6.5 Modos de exposicin y efectos......................................... .......................... 435

5.7 Tipos de cmaras........................................................................................................ 4365.7.1 Cmaras de estudio .................................................................................... 4365.7.2 Cmaras de campo (Electronic News Gathering Eng) .............................. 4375.7.3 Cmaras de circuito cerrado de TV o de vdeo vigilancia ............................ 4375.7.4 Cmaras industriales y de visin artificial................................................... 4375.7.5 Cmaras de vdeo domsticas..................................................................... 4395.7.6 Cmaras para aplicaciones mdicas y cientficas......................................... 4395.7.7 WebCams................................................................................................... 439

Bibliografa ............................................................................................................... 441

ndice alfabtico........................................................................................................ 443



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Bibliografa 441

Bibliografa

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ndice alfabtico 443

ndice alfabtico

100 Hz, receptores, 1304:2:0, 1544:2:2, 150

4:4:4, 15064-QAM, 380

AAberracin, 389

cromtica, 389de coma, 389de curvatura, 389esfrica, 389

Acceso condicional, 18, 275Acomodacin, 68Advanced Photo System, 395

Agudeza visual, 117Aliasing temporal, 107Alta definicin, 96

formatos digitales, 157Anaglyph, 70Anlisis de umbral, 313Anamrficas, lentes, 93Ancho de banda, 132

calidad subjetiva, 137seal TV, 132

ngulode observacin, 123de visin, 90, 394

slido, 409vertical de observacin, 120

nodo, 161Antena. 18Apertura numrica, 399Aproximaciones sucesivas, 325

APS, 395Arj, 277Armat, Thomas, 102

Arrastre de lnea, 131, 127ASA, 408Astigmatismo, 29, 389ATM, 329Audio

estreo, 273multicanal, 273

Autoenfoque, 430por CCD lineal, 432por infrarrojos, 430por ultrasonidos, 430

AVI, 155, 334

BBaird, J,116Balance de blancos, 434Banda IV, 271Banda lateral superior PAL, 264Banda V, 271Banda visible, 22Barkaunsen, 173Barras de color, 201Barrido

horizontal, 170vertical, 170

Baseline, JPEG, 316Bastones, 26BBC, 95Betacam, 141Bidireccionales, 347Binario natural, 293



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Bits, 285Black-matrix, 166Block matching, 341

Blooming, 425Bloque de imagen, 325, 341, 355Bobinas de deflexin, 170Borrado de campo, 180Braun, 114Brillo, 24Bruch, 250Bsqueda

en tres etapas, 344jerrquica, 344, 346logartmica, 344

CC de Landolt, 117C.I.E, 36Cable, televisin, 18, 198Calidad broadcasting, 329Calidades subjetivas, JPEG, 327Cmara, 381Cmara

reflex, 385diagrama de bloques, 382exploracin entrelazada, 129de campo, 437de estudio, 436

industrial, 437lineal, 438progresiva, 129, 438

Camcorders, 439Camera Control Unit(CCU), 436Canal en espera, 132Canales

gua, 273temticos, 273

Candela, 409, 410Can electrnico, 114Caones

en delta, 165en lnea, 165Capa

de bloque, 355de grupo de imgenes, 355de imagen, 355

de macrobloque, 355de secuencia, 354de slice, 355

Capacidades conmutadas, 253, 257Carey, G.R, 112CAT, 375Ctodo, 160Ctodos de estado slido, 160CATV, 18, 19CCD, 149, 253, 257, 381, 416

de lnea, 419de transferencia interlnea, 423de tres fases, 416matriciales, 420

CCTV, 384CCU, 436CD-ROM, 277, 329, 347Charge Coupled Device, 381, 416Charge Injection Devices, CID, 425Chlorolabe, 30CIE, 412CIF, 156, 331Cinemascope, 93Cinmatographe, 101Cinepack, 334Cinerama, 93Circuito separador de sincronismos, 183ClosedGOP, 350

Codecs, 335Codificacin

aritmtica, 293, 295con prdidas, 281de canal, 274de fuente, 274de imgenes, 314, 357diferencial, 279, 283por umbral, 313por zonas, 311RLE, 293secuencial, JPEG, 316

Codificador PAL, 267Cdigoexterno, 379Gray, 293interno, 379de encriptacin, 275



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de Huffman, 288de Huffman de desplazamiento, 292de longitud variable, 287

proteccin errores, 275truncados, 291

Coeficiente de correlacin, 296Coeficientes

AC, 317cromticos, 40DC, 317de alterna, 317de prediccin, 279transformados, 307triestmulo, 35

COFDM, 380Colores monocromticos, 22Commission Internationale de LEclaire, 36Common Intermediate Format, 156Compact disc, 273Compactacin de la energa, 300Compatibilidad, 57

directa, 197indirecta, 58, 197

Compatible, 197Compensacin de movimiento, 335Compensacin de movimiento bidireccional, 348Componentes de color, 21Compresin

con prdidas, 277intra-trama, 338sin prdidas, 277

Configuracin FIFO, 419Conos, 26Contraste, 147Coordenadas XYZ, 50, 52Crnea, 25Coroide, 26Correccin gamma, 167Correlacin cruzada, 341Corriente de oscuridad, 424

Cristalino, 26Cromaticidad uniforme, 55Crominancia, 197

PAL, 199Cruce de color, 257

Dd.p.i., 149D1, 141

D2, 141D2-MAC, 116, 141Daguerre, Louis Jacques Mand, 100Daltonismo, 32DCT, 300

Bidimensional, 317De France, H, 250Decodificador PAL, 267Decodificadores de satlite, 198Deflexin, 161, 165, 170

Horizontal, 170Della Porta, Giovanni Battista, 68Delta frames, 334Demultiplexacin, 331Desplazamientos fraccionales, 343Deteccin del sincronismo, 176DFT, 304Diafragma, 397Diagrama cromtico, 39Dickson. W.K.L, 101Diferencia de color, 197Digital 8, 384, 439Digital Scan, 131Digital Still Cameras, 385Digital Versatile Disc, 329

Digital Video Broadcasting, 274, 329, 378Digital Video Interactive, 154Direccin del gradiente conjugado, 344Disparo controlado, 179Disparo directo, 179Displays hologrficos, 85Displays volumtricos, 82Dispositivos de acoplamiento de carga, 416Distancia de visionado, 119Distancia focal, 387, 392Distorsin de cojn, 162Distorsin geomtrica, 389

Doble cortinilla, 402DTS, 371DVB, 116, 274, 329, 378DVB-C, 380DVB-S, 379DVB-T, 380



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DVCam, 141DVCPro, 141DVD, 116, 350

DVD-Video, 329, 347DVI, 154

EEastman, George, 100EBU, 38EDTV, 20, 331Efecto

Hannover, 253Kell, 127, 135

EIT, 376Electronic News Gathering, 437Elementary stream, 369Elipses de Mac-Adam, 54Enfoque pasivo, 431ENG cameras, 437Enhanced definition TV, 20Ensamblaje de bloques, 341Entrelazado de las imgenes, 123Entropa, 286

de la fuente, 286EOB, 322Error

absoluto, 341cuadrtico, 341

de fase, 251Erythrolabe, 30ES audio, 369ES data, 369ES, MPEG, 369Espectador

activo, 80pasivo, 80

Espectro PAL, 262Espectro seal de televisin, 190Estabilizacin de imagen, 429Estereorradianes, 409

Estereoscopio de Brewster, 70Estroboscopio, 107Estructuras de prediccin, 297Euclides de Alejandra, 68Euroconector, 19, 143, 198Exploracin

enzigzag, 320entrelazada, 129progresiva, 331

Exposmetro, 408

FFactor

de Kell, 136de resolucin, 137de zoom, 429

Fatiga ocular, 81Fenmenophi, 98, 102, 103FFT, 300Filamento, 160Filtro

digital, 132predictor, 279

Filtrosde color, 427dicroicos, 55

Flicker, 102, 330Flujo luminoso, 413Fly-wheel, 189Foco, 387Formato 4:2:0, 154Formato

de la Academia93panormico, 96

SIF, 330Cinematogrficos, 93

Fsforos, 165en delta, 33

Fotografa35 mm, 395digital, 385electrnica, 149de miniatura, 35 mm, 386

Fotogramasclave, 334diferencia, 334

Fotometra, 408Fotmetro, 408Fourier, 298Fourney, 379Fvea, 28Fraccin de Weber, 147



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ndice alfabtico 447

Framedifferencing, 334transferCCD, 421

Frecuenciade imagen, 104de lnea, 181espacial, 312subportadora, 258

Fuente de mensajes, 284Funciones cosenoidales, 308

GGabor, D, 85Gama de colores, 48Gamma, 164Generacin

de barrido horizontal, 185de sincronismos PAL, 264

Generador de efectos, 384Generadores de barrido vertical, 188Goodwin, Hannibal, 100GOP, 347Grandes angulares, 395Group of pictures, 347Grupo

cerrado de imgenes, 350de imgenes, 347ptico, 383, 386

HH-261, 275, 340H-263, 275, 328Hannover, efecto, 253Hart, 298HDTV, 331Helmholtz, Hermann L. F. von, 29HHR, 331Hi-8, 384, 439High level, 368High profile, 368

High-1440 level, 368Hipermetropa, 29Histograma, 280Holograma, 85Huffman, 281, 320Huffman, cdigos, 288

IIconoscopio, 114Iluminancia, 414

ImagenB, 339de referencia, 337, 341I, 339P, 339

Imgenes3D, 65base, 308intra, 316reales, 388virtuales, 388

IMAX, 94IMAX-3D, 73Impulso de sincronismo de campo, 181, 184Impulsos

de pre-igualacin, 181de sincronismo de lnea, 184

Indeo 3.2, 334Intensidad del haz, 163Intercalacin de lneas, 125Interleaving, 325Interline TransferCCD, 423Interline twiter, 127International Commission of Ilumination, 412Interpolacin de lneas, 132

Intra-trama, 343, 347IRD, 18Iris, 397ITU 601, 150, 276, 330ITU-601 4:2:0, 332ITU-656, 153

JJBIG, 315Joint Photographic Experts Group, 315JPEG, 275, 278, 298, 314

2000, 300, 315, 328

Lossless, 315LS, 315modo jerrquico, 325modo progresivo, 325modo secuencial base, 316



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KKarhunen-Loeve, 298Kell, efecto, 127

Kell, R.D., 134Key frame, 334Kinemacolor, 102Kinetograph, 101Kinetoscope, 101

LLemple, 294Lente, 387

convergente, 387divergente, 387ideal, 390anamrfica, 93

Line crawl, 127Line Flywheel, 179Lnea activa, 128Lneas

NTSC, 251PAL, 251

Lohscheller, 317Lossless compression, 277Lossy, compression, 277Low level, 367Lumen, 413Lumire, Hnos, 101

Luminancia, 50, 415Lux, 414Luz blanca, 22LZW, 293, 294

MMacrobloque, 341, 355Macrobloques,

entrelazado, 363tipos B, 359tipos P, 358

Maculea lutea, 28

Main Level, 368Main Profile, 368Main Profile, Main Level, 369Markov, 311Mscara, 162, 165

zonal, 313

Matiz de color, 24Matrices de cuantificacin, 320Memorias digitales, 253

Mensajes tipo B, 322Mespica, 27Mtodo base, JPEG, 316Mezcla de colores, 41MiniDV, 384, 439Miopa, 29MJPEG, 332Modo

jerrquico, JPEG, 316progresivo, JPEG, 316sin prdidas, JPEG, 316

Modos de exposicin, 435MOSFET, 416Motion-JPEG, 332Moving Pictures Experts Group, 329MP@ML, 154, 369MPEG, 275, 278, 298MPEG-1, 155, 275, 329, 340, 341MPEG-2, 116, 154, 275, 329MPEG-2

sistemas, 274imgenes entrelazadas, 362

MPEG-4, 300, 328, 329MPEG-7, 329MPEG-Systems, 369

Muestreoespacial, 108temporal, 98

MultiCam 1300AF, 434Mltiples cortinillas, 402Multiplexacin, 331Multiplexacin vdeo-audio, 274Multiplexor MPEG, 376MUSE, 95, 141Muybridge, Eadweard, 100

N

National Television System Committee, 198NHK, 95NICAM, 269Nipkow, P, 113NIT, 376Nivel de blanco, 176



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ndice alfabtico 449

Nivel de negro, 176Nivel de sincronismo, 176Niveles MPEG, 367

Norma G, 269Normas TV CCIR, 268NTSC, 63, 197, 198Nmero de lneas, 116

alta definicin, 123seleccin, 121mnimo, 120

Nmeros f, 399

OObturador, 397, 399

doble cortinilla, 401electrnico, 74, 383

Ojo de pez, 395

PPacket identification code, 374Packetized elementary stream, 370Packs (MPEG), 372Pagar por

canal, 18, 273ver, 18programa, 273

PAL, 63, 197, 250, 258PAL D, 252

PAL S, 252Palabra cdigo, 290Palabras tipo A, 322PALplus, 96, 98, 123Pantalla, 162Paquetes elementales, 370Paquetes, MPEG, 372Parallax, 67, 80Parmetro p, 407Parpadeo, 102PAT, 375Patrn

interferente, 145, 260interferente PAL, 258Pay per channel, 18, 273Pay per view, 18, 273PCM, 273PCR, 374

Perfiles MPEG, 367Persiana veneciana, 253Persistencia, 98, 102

PES, MPEG, 370Phase alternating line, 199Phase locked loop, 179Phenakistoscope, 100Picture elements, 146PID, 374Pistas monoculares, 66Pxel, 146, 156Plano de imagen, 391Plano focal, 387, 393PLL, 179PMT, 375Poder de resolucin, 117, 389Polaroid, 71Prtico

anterior, 175posterior, 176

Post-igualacin, 181Prediccin

backward, 339, 340bidireccional, 339forward, 339inter-trama, 296intra-trama, 296

Predictor, 279

diferencial, 296Presentation time stamp, 371Primarios monocromticos, 36Primarios NTSC, 37Prisma dicroico, 427Profundidad de campo, 402Program

asignation table, 375clock reference, 374map table, 375specific information, 375stream, 370, 372

PSI, 375PTS, 371Punto ciego, 28Pupila, 25Puppet effect, 85Purkinje, 27



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QQCIF, 156QPSK, 379

QSIF, 156

RR/S, 321Radiodifusin terrena, 198Raster, 162RCA, 164Receptor decodificador integrado, 18Receptores de 100 Hz, 130Red de distribucin, 17Reed-Solomon, 379Reflex, 385Registro magntico, 384Rejilla, 160, 161Relacin de aspecto, 89, 91

16:9, 954:3, 95

Relacin de entrelazado, 124Resolucin, 137Resolucin en color, 256Restriccin de parmetros, 366Retina, 26Retrocompatibilidad, 58, 197RLE, 293, 320Rosing, Boris, 114

Rotacin de fase, 251RS-232, 385Run length encoding, 293Run/Size, 321

SSalva PAL, 265Saturacin de color, 24, 45Scanners, 149SDT, 376SECAM, 63, 197, 250, 269Secuencia 8 campos, 261

Seleccin espectral, 325Senlecq, C., 112Sensacin de color, 31Sensor de imagen, 383Sensores de pxel activo, 426Seales de barrido, 178

Sealesde color, 198de prueba, 180

de sincronismo, 127diferencia de color, 57, 198

Serrado entre lneas, 362Showscan, 105SIF, 155, 331Significant Pel Area, 330Simple profile, 368Sinapsis, 26Sincronismo

de campo, 180de lnea, 173

SistemaNTSC, 63PAL, 63, 250UVW, 55

Sistemasautoestereoscpicos, 77de autoenfoque, 430digitales, color, 64estereoscpicos, 70tridimensionales, 65

Skipped macroblock, 357Slice, 355SMATV, 378Smear, 420, 421

SMPTE, 37, 95Snellen, patrn de, 118SNR scalable, 368Sobremodulacin. 200Society of Motion Picture and Television

Engineers, 37Source intermediate format, 155SPA, 330Spatial scalable, 368Split Frame Transfer CCD, 422Stanford, Leland, 100Stream de vdeo, 331

Stuffing, 374Subimgenes, 297Subportadora de audio, 261S-Vdeo, 19, 143



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ndice alfabtico 451

TTabla de

asignacin de programas, 375

descripcin de servicio, 376hora y fecha, 376informacin de red, 376informacin de sucesos, 376cuantificacin, 317

Huffman, JPEG, 324Lohscheller, 317

Talbot, W.H.F, 100Talbot-Plateau, ley de, 102Tamao del sensor, 89, 394Tarjetas digitalizadoras, 149Tasa de bits, MPEG, 361TDT, 376Tcnica de umbral, 314Telecine, 106Telefunken, 250Teleobjetivo, 395Teletexto, 180Televisin digital, 273

por cable, 275Televisin en color, 197Televisin interactiva, 18, 378Televisin por satlite, 18Teora tricromtica, 29Tiempo de

exposicin, 397lnea, 128

Tonalidad de color, 45Tono de color, 24Trama de

programa, 370transporte, 370, 372vdeo, 331

Trama elemental MPEG, 369Trama MPEG, 354Transferencia de cuadro, CCD, 421Transformacin diferencial, 279

Transformadacoseno, 298, 299, 337wavelet, 328

Transformadasbidimensionales, 305ortonormales, 303

Transmultiplexor MPEG, 378Transport stream, 370Tradas

rectangulares, 165RGB, 32

Tringulo de Maxwell, 39Triniton, 33, 167Tubo de

cmara, 116rayos catdicos, 32, 114, 160

TV de alta definicin, 96

UUnidad de control de cmara, 436Unidades fotomtricas, 408USB, 385

VVCO, 179



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1 Elementos bsicos de sistemas de comunicacin visual 15

1 Elementos bsicos de los sistemas de comunicacin visual

1.1 Introduccin

En este captulo pretendemos proporcionar una perspectiva general de los distintos elementos que

integran un sistema de comunicacin de imgenes en movimiento. Expondremos, desde un punto devista muy general y utilizando en algunos casos razonamientos intuitivos, los distintos subsistemasque intervienen en la codificacin de una escena en una seal elctrica y cmo a partir de stas sepuede reproducir una aproximacin a la escena original. Nos concentraremos nicamente en lossistemas que intervienen en la generacin de la seal de banda base de los distintos sistemas detelevisin, suponiendo, por tanto, que el lector est suficientemente familiarizado con las nocionesbsicas relativas a modulacin y radiodifusin que permiten la transmisin a distancia de estasseales.

El objetivo final es mltiple. Por una parte queremos presentar una perspectiva general de latecnologa usada en los sistemas de representacin de imgenes en movimiento actuales, sustendencias futuras y sus antecedentes histricos. Tambin queremos proporcionar las bases tericas yla filosofa general de los sistemas de televisin, preparando al lector para poder abordar en captulosposteriores los detalles concretos de cada sistema. Por ello, se incluyen aspectos tan diversos como losfundamentos del sistema visual humano, los principios de colorimetra, la definicin de diversosparmetros bsicos en la seal de televisin como son el nmero de lneas, el nmero de imgenes porsegundo, su ancho de banda, resolucin, entrelazado, etc. Se presentan nociones bsicas sobresistemas de televisin digital y de alta definicin y se introducen diversas alternativas que actualmentese estn considerando para la representacin de imgenes en tres dimensiones. La presentacin deestos conceptos es en algunos casos rigurosa y completa por cuanto, o bien se trata de nocionesbsicas que tendrn una importante incidencia en captulos posteriores, o bien son aspectos parcialesque no sern cubiertos posteriormente. En otros casos, la presentacin tiene un carctereminentemente introductorio por cuanto se trata de aspectos que sern profundamente desarrolladosen otros captulos. As, el lector observar que dedicamos varias pginas a diversos aspectosrelacionados con el sistema visual humano o a la descomposicin de la luz, pues haremos constantes

referencias a ellos en futuros captulos.

Aspiramos a que el lector identifique la funcin de cada uno de los elementos, as como laslimitaciones que estos introducen en la calidad de la seal que finalmente se reproduce y, sobre todo,que sea consciente de que el estado actual de estos sistemas (y con toda probabilidad, su evolucinfutura) es consecuencia de un proceso evolutivo en el que cualquier innovacin tecnolgica ha



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intentado introducirse en el mercado de una manera gradual, manteniendo en lo posible lacompatibilidad y la coexistencia entre varios formatos para garantizar un flujo de ventas en constanteaumento a las grandes empresas del sector.

El captulo est organizado tomando como hilo argumental las distintas etapas de muestreo yproyeccin que se aplican a una escena para convertirla en una seal elctrica que contiene lainformacin necesaria para su reproduccin en el receptor. Entre estas etapas se considera ladescomposicin de la imagen en las tres componentes de color primarias, la proyeccin de la escena aun plano de imagen, los lmites fsicos del sensor de imagen y su relacin de aspecto, y finalmente lasdistintas etapas de muestreo temporal y espacial de las imgenes. En paralelo a este proceso deconversin progresiva de la escena a una seal elctrica, desarrollamos aspectos relativos a lascaractersticas del sistema visual humano que intervienen directamente en la seleccin de losparmetros de muestreo, evaluando su incidencia sobre la calidad final de la imagen y las posiblesprdidas de informacin que de ellos se derivan. Tambin aprovechamos este hilo argumental paraintroducir aspectos histricos relativos al cine o la televisin, tendencias de futuro, nuevas tecnologas,etc.

Esta estructura puede parecer en un principio una exposicin un tanto desordenada, ya que no sigue elpatrn cronolgico usado en la mayora de textos sobre televisin. Sin embargo, creemos que es muyenriquecedora, ya que desde los inicios se comparan distintas alternativas tecnolgicas queproporcionan, sin necesidad de leer todos los captulos, una panormica general sobre los sistemas detelevisin. Adems, los distintos aspectos temticos que iremos desarrollando surgen de una maneranatural y sin prdida de continuidad. Creemos que la alternancia entre aspectos histricos, analticos,tecnolgicos, visuales, etc, facilita la lectura y aumenta su inters sin que suponga una prdida derigor o de perspectiva histrica. En cualquier caso, hemos realizado un considerable esfuerzo para queesta organizacin, intencionadamente catica, sea estrictamente progresiva y lineal en lo que se refierea la exposicin de los conceptos necesarios para la comprensin del texto.

1.2 Cadena bsica de un sistema de comunicacin visual

En la figura 1.1 se representa un diagrama general de un sistema de radiodifusin de seales detelevisin. Los distintos elementos que forman este sistema tienen como objetivo transmitir la escenatridimensional para que pueda ser visualizada en tiempo real por mltiples receptores. Junto con lainformacin ptica, tambin se transmiten una o varias seales adicionales que proporcionaninformacin de audio sobre la escena y que sern consideradas en captulos posteriores.

Las escenas que pretendemos transmitir pueden considerarse funciones que dependen de variasvariables como la posicin, el tiempo y la longitud de onda. Para poder transmitir esta informacinmediante sistemas de comunicacin convencionales es necesario realizar distintos tipos de

proyecciones y muestreos de la escena que permitan convertir esta funcin multidimensional en unaseal que dependa de una nica variable temporal. Esta seal es la que ser modulada para enviarla adistintos usuarios. Es evidente que en el proceso de proyeccin y muestreo de la escena se sufrirnprdidas de informacin que inevitablemente conducen a una reduccin de la calidad de la imagen.As, por ejemplo, en los sistemas de televisin convencional slo se transmite una proyeccin plana dela escena sobre la cmara, de modo que el receptor reproducir una imagen en la que no est



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codificada la informacin tridimensional de la escena original. Sin embargo, el espectador ser capazde interpretar correctamente esta informacin espacial, pues el cerebro humano est entrenado paraidentificar la posicin real de los objetos a partir de su tamao relativo y de los planos ocultos.

Fig. 1.1 Elementos de un sistema de comunicacin visual

En el estudio de televisin intervienen distintos equipos y profesionales cuya funcin es la deproducir, a partir de las distintas tomas de imgenes y sonido de la escena, la seal de TV quefinalmente llegar al espectador. En este proceso colaboran profesionales tcnicos y artsticos. Los

equipos utilizados para la produccin de la seal son muy variados y dependen del tipo de programaque se transmita. Los ms usados son las cmaras y micrfonos, los sistemas de mezcla yacondicionamiento de seales, los equipos para la edicin y postproduccin de vdeo y finalmente losequipos de amplificacin y transmisin de las seales a los centros de distribucin. En unatransmisin en directo suelen utilizarse varias cmaras y micrfonos, que son controlados desde unamesa de mezclas en la que se seleccionan los planos y tomas microfnicas que formaran la base delprograma. Estas seales son editadas posteriormente para introducir ttulos, rtulos y efectos, yfinalmente se envan a los sistemas de radiodifusin. Algunos de estos equipos pueden estarintegrados en unidades mviles si el lugar donde se producen las escenas as lo requieren. En estecaso, la seal se suele enviar al estudio central, donde es reeditada y se le aaden algunos ttulos yefectos adicionales. Tambin tienen un papel fundamental en el estudio de televisin los sistemas parael registro de las seales de vdeo en cinta magntica que permiten almacenar los programas en directoy facilitan la produccin de documentales y programas registrados. Algunos de estos equipos sernestudiados con cierto detalle en captulos posteriores.

La red de distribucin se encarga de garantizar que las seales lleguen en buenas condiciones al reade cobertura de la emisin. Las caractersticas de esta red estn determinadas por la tecnologautilizada para la transmisin de las seales pudiendo existir redes de distribucin por cable, porsatlite, terrestres y, en algunos casos, redes mixtas que utilizan varios de estos sistemas. La red de

Escena

Cmaras

Procesado

Edicin

Postproduccin

RedDistribucin

Receptores

Escena

Cmaras

Procesado

Edicin

Postproduccin

RedDistribucin

Receptores



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radiodifusin terrestre es la que tiene actualmente mayor nmero de usuarios y es utilizada para ladifusin de programas de mbito nacional o local. En este caso, la distribucin de la seal se realizamediante redes de radioenlaces.

En la radiodifusin directa por satlite la seal se enva desde el centro servidor a un centro detransmisin mediante radioenlaces terrenos o cable y posteriormente es transmitida al satlite (up-link)que realiza una trasposicin de frecuencia de la seal y la redirige a una amplia zona de coberturasobre la tierra (down-link). La televisin por satlite requiere que el espectador disponga de una antenaparablica de gran ganancia, ya que el nivel de la seal recibida es pequeo debido al largo trayectoque debe recorrer sin amplificacin (36000 Km en satlites geoestacionarios), y de un conversor deseales que le permita trasladar la seal del satlite a las bandas de televisin convencionales con lasque puede operar su receptor. La televisin por satlite proporciona grandes coberturas de mbitointernacional y facilita la distribucin de la seal a regiones poco pobladas o de difcil accesogeogrfico, cuya cobertura mediante radioenlaces terrestres o cable sera excesivamente costosa.

Los sistemas de distribucin por cable (CATV) surgieron a principios de los aos 50 en EstadosUnidos para proporcionar seal de televisin a regiones cuyo perfil geogrfico dificultaba estableceruna cobertura convencional mediante radioenlaces. Posteriormente, la CATV se extendi a zonasmetropolitanas en las que la presencia de edificios de gran altura dificultaba la correcta recepcin de laseal. Actualmente, este sistema de distribucin est muy extendido en algunos pases donde se ofreceal espectador una seal de televisin de gran calidad (la degradacin de la seal por transmisin esmuy baja) con un elevado nmero de canales y de servicios. Normalmente el proveedor del serviciodistribuye una seal con ms de 50 canales en los que se incorporan tanto canales convencionales (quetambin se transmiten va terrestre o satlite) como canales exclusivos para los abonados del servicio.La CATV ha sido precursora en la introduccin de los conceptos de acceso condicional a laprogramacin, que posteriormente se han extendido a los sistemas terrestres o va satlite y querequieren que el espectador disponga de un equipo IRD (receptor decodificador integrado) que lepermita recomponer la informacin de vdeo que ha sido encriptada en la transmisin. En este entorno

aparecen los conceptos de pagar por canal (pay per channel) y pagar por ver (pay per view). En elprimer caso, el espectador paga una cuota mensual que le permite desencriptar toda la programacindel canal, mientras que en el segundo caso, el proveedor del servicio informa de precio de cadaprograma y factura al abonado de acuerdo con la programacin que ste ha seleccionado. El conceptode pagar por ver requiere una cierta interactividad entre el usuario y el centro servidor. La CATVtambin ha sido precursora de este concepto de televisin interactiva ya que, desde sus orgenes, haproporcionado un canal de retorno que permite establecer una comunicacin directa con el servidor.Con ello se permite que el espectador participe en encuestas de opinin pblica, solicite los vdeos quedesea ver o efecte una compra inmediata de los productos anunciados (telecompra). La extensin delconcepto de televisin interactiva a sistemas unidireccionales, como la televisin por satlite oterrestre, requiere que el usuario disponga de un mdem telefnico que se utiliza como canal deretorno auxiliar.

En la recepcin de la seal y su presentacin al espectador intervienen varios subsistemas quedependen del tipo de distribucin de la seal utilizado. La antena es el elemento encargado de recogerla energa radioelctrica de las seales de televisin en sistemas de radiodifusin terrestre y porsatlite. En el primer caso suele ser una array del tipo YAGI que se orienta hacia el repetidor mscercano y que tiene una ganancia moderada (unos 14 dBs). En el caso de televisin por satlite, suele



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tratarse de una antena parablica de gran ganancia (30 dBs) que se apunta haca el satlite quetransmite las seales y que incorpora un subsistema demodulador que convierte las seales recibidasen seales de vdeo que puedan ser interpretadas directamente por un receptor convencional. En

sistemas de CATV la seal de TV se obtiene directamente del cable de suministro y tambin requiereque el usuario disponga de un demodulador que acondicione las seales al receptor. En el caso en queel usuario est abonado a canales de televisin de acceso condicional, tambin es necesario undecodificador o desencriptador de la informacin. Los receptores actuales suelen admitir, dependiendodel pas, uno o varios de los formatos analgicos convencionales (NTSC, PAL, SECAM, PALplus) ycon varios tipos bsicos de entradas de vdeo: la seal de radiofrecuencia, la seal RGB, la seal devdeo compuesto o banda base y el formato SVideo. La primera se corresponde con las seales devdeo moduladas que son recibidas en la antena de un sistema de radiodifusin terrestre. Estas sealesson sintonizadas y demoduladas por el propio receptor, pudiendo memorizar la posicin de varioscanales. El resultado de esta modulacin es la seal de vdeo compuesto o seal de vdeo en bandabase que contiene la informacin de luminancia y de color. Las seales RGB son seales de vdeo yademoduladas procedentes de un magnetoscopio domstico o de un demodulador de CATV o vasatlite y son introducidas en el receptor a travs de una entrada especfica denominada euroconector.Finalmente, la seal S-Vdeo es un formato utilizado en magnetoscopios domsticos y cmarasporttiles en la que la informacin de brillo y de color se proporcionan en cables separados.Actualmente, muchos fabricantes de televisores estn incorporando demoduladores digitales en elpropio receptor, por lo que se espera que muy pronto sea posible recibir las seales de radiodifusindigital sin necesidad de utilizar un decodificador externo.

El objetivo de este captulo es definir, desde un punto de vista puramente conceptual, los distintoselementos que tienen una incidencia directa en la obtencin de una seal elctrica que proporcioneinformacin sobre la escena. Se presentar una perspectiva general sobre las distintas alternativasposibles y se definir la seal de vdeo en blanco y negro como primera aproximacin a un sistema detelevisin. La descripcin detallada de otros conceptos como la introduccin de la informacin desincronismo y de color, la televisin digital y de alta definicin se realizar con detalle en captulos

posteriores.

1.3 De la escena a la seal de televisin

En el caso ms general, una escena puede ser representada como una funcin de 5 variablesindependientes:

),,,,( tzyx (1.1)

donde x, y, z representan la posicin de un punto genrico del espacio que radia con un determinadoespectro radioelctrico visible y que, posiblemente debido al movimiento de los objetos, se modifica

a lo largo del tiempo t.

El principio en el que se basan todos los sistemas de televisin actuales consiste en hacer un muestreosobre esta funcin de cinco variables en el modo adecuado para obtener una funcin unidimensional(seal temporal) que pueda ser transmitida utilizando los sistemas de modulacin convencionales.



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Algunos sistemas de televisin se han apartado de este criterio general y han propuesto la transmisinsimultnea de varias seales que son recompuestas en el receptor. Entre estos sistemas cabe destacaruna de las primeras tentativas de televisin en color y algunos sistemas de televisin con definicin

mejorada (EDTV-Enhanced Definition TV) propuestos a principios de los noventa. En estas ltimaspropuestas, se pretenda transmitir una seal de televisin convencional junto un canal auxiliar, que alser demodulado por el receptor permitira obtener informacin sobre lneas adicionales de la imagenque no se transmiten en un sistema estndar de televisin. No obstante, ninguna de estas alternativasha sido explotada comercialmente ni tampoco se prev que sean usadas en el futuro.

En el proceso de conversin de la escena a una funcin temporal intervienen distintos procesos deproyeccin y muestreo que de uno u otro modo supondrn una prdida parcial de informacinrespecto al contenido de la escena original. En la seleccin de estos parmetros de muestreo yproyeccin deben tenerse en cuenta las caractersticas del sistema visual humano, que es el quefinalmente decidir si la calidad de la imagen es adecuada. En consecuencia, al disear un sistema detelevisin, es necesario conocer con detalle las caractersticas de la visin humana, ya que nospermitirn determinar qu partes de la informacin no requieren ser transmitidas por cuanto noaportan ninguna mejora subjetiva sobre la calidad de la imagen. Con ello, el ancho de banda de laseal transmitida se reducir al estrictamente necesario para poder reproducir imgenes de calidadaprovechando al mximo el espectro radioelctrico.

En las secciones sucesivas presentaremos por una parte los procesos de proyeccin y muestreo de laescena que se definen en cualquier sistema de televisin y por otra las caractersticas visuales quepermiten ajustar los parmetros de estos procesos. Consideraremos nicamente aquellos aspectos de lavisin que tengan una incidencia directa sobre los parmetros de muestreo de la escena, dejandoalgunos aspectos, como la interpretacin detallada del movimiento, para captulos posteriores en losque estos factores tengan una repercusin directa en la definicin del sistema de televisin.

A continuacin resumimos las distintas etapas de muestreo y su funcin bsica:

a) Separacin en componentes de color: Toda la informacin contenida en la variable puede representarse mediante tres componentes discretas que corresponden a los coloresprimarios rojo, verde y azul. Este proceso de muestreo no representa una prdida deinformacin aparente en el sistema visual humano. Analizaremos con detalle losmecanismos de visin y percepcin del color, su representacin analtica y los principiosfsicos usados para la descomposicin del color en tres componentes.

b) Proyeccin plana de la imagen: La escena se proyecta mediante un sistema ptico sobreun plano de imagen. Esta proyeccin representa una prdida significativa de informacinespacial y reduce las tres variables espaciales de la escena a las dos variables de laimagen. En esta seccin consideraremos diversas propuestas para la representacin de

imgenes en tres dimensiones.

c) Lmites del sensor: La imagen de la escena slo se considera dentro de los lmites delsensor por lo que sus variables espaciales estn acotadas dentro de estos lmites.Veremos que el tamao del sensor y su relacin de aspecto tienen una incidencia directasobre la resolucin del sistema y la integracin del espectador en la escena.



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d) Muestreo temporal: Las imgenes pueden presentarse al espectador como una secuenciade fotogramas. Si esta secuencia es suficientemente rpida no puede distinguirse de lainformacin original. La variable temporal, de naturaleza continua, puede sustituirse por

una secuencia de imgenes sin prdida aparente de informacin. Consideraremos losfenmenos de persistencia y parpadeo de imgenes en la retina.

e) Muestreo espacial (Lneas): Cada una de las imgenes se descompone en un nmerofinito de lneas. Si este nmero es suficientemente elevado, el espectador ser incapaz depercibir la diferencia con la imagen original. Los sistemas de televisin analgicossurgen de manera natural a partir de este muestreo.

f) Muestreo espacial (Retcula): En este caso la imagen se muestrea tanto en el sentidohorizontal como en el vertical. Las muestras obtenidas constituyen la base de lossistemas de televisin digitales.

1.4 Componentes de color RGB

La primera transformacin que se realiza de la escena original consiste en sustituir su dependencia conla variable continua longitud de onda por tres muestras correspondientes a los colores primarios rojo,verde y azul:

),,,,(),,,(

),,,,(),,,(

),,,,(),,,(

BB

GG

RR

tzyxtzyx

tzyxtzyx

tzyxtzyx

===

(1.2)

El principio en el que se basa esta descomposicin es que a partir de la combinacin adecuada de lostres colores primarios puede obtenerse cualquier sensacin de color. De este modo, se reduce ladimensionalidad de la escena de una funcin de cinco variables a tres funciones de cuatro variables.Podemos entender este proceso como un muestreo de la escena en la variable . Las caractersticas dela visin humana nos permiten asegurar que usando nicamente tres muestras de esta variable,correspondientes a los colores rojo, verde y azul adecuadamente ponderados, podremos representartodos los colores sin que ello suponga ninguna prdida de informacin visual.

Para comprender mejor este fenmeno debemos considerar diversos aspectos relacionados con lanaturaleza de la luz y la percepcin de los colores en el sistema visual.

1.4.1 La luz y el color

La luz puede considerarse, para los fenmenos de visin que nos ocupan en este texto, como una ondaelectromagntica con longitudes de onda comprendidas entre 780 nm y 380 nm. En la figura 1.2 serepresenta la situacin en el espectro radioelctrico de las ondas visibles y los colores asociados a lasdistintas longitudes de onda. La longitud de onda ms larga corresponde al color rojo y la ms corta alvioleta. Ms all del margen visible se sitan las frecuencias correspondientes al infrarrojo y al



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ultravioleta. El color blanco esta formado como la superposicin de todas las frecuencias del espectrovisible mientras que el negro supone que no existen componentes espectrales en la banda visible. Loscolores indicados en el margen visible se corresponden con los que se obtendran para una luz

formada por una nica frecuencia pura y se denominan colores monocromticos. Las tonalidades rojastienen longitudes de onda que van desde los 760 nm hasta los 650 nm, las tonalidades amarillas estnsituadas en el margen de 630 nm a 560 nm, las verdes de 540 nm a 500 nm, las azules de 500 nm a420 nm y las violetas de 420 nm a 400 nm.

Fig. 1.2 Espectro de radiofrecuencia y frecuencias del visible

En la figura 1.3 se representa un experimento que permite descomponer una luz blanca, es decir unaluz con un espectro plano en todo el margen visible, en los distintos colores monocromticos. Elexperimento consiste en hacer pasar la luz blanca a travs de un prisma que, al tener un coeficiente derefraccin dependiente de la frecuencia, desva cada componente frecuencial en una direccin distinta.

Los colores monocromticos se corresponden con los colores del arco iris. Algunos colores, como elprpura o el magenta, slo pueden obtenerse mediante la superposicin de distintas componentesespectrales. As, el magenta es una sensacin coloreada obtenida a partir de la combinacin del rojo y

el azul.

En general, el color observado por el sistema visual humano depende de dos factores: el espectro de laluz incidente y las caractersticas de reflexin y absorcin de las ondas visibles de los objetos. Lacomposicin espectral de la luz que recibe un espectador puede expresarse como el producto delespectro de la luz incidente por el coeficiente de reflexin de los objetos:

Longitud de onda

10Km

1Km

100m

10m

1m

10cm

1cm

1mm

100m

10m

1m

1m

100nm

10nm

1nm

100pm

10pm

1pm

Ondas

largas

Ondas

medias

Ondas

cortas

FM-

VHF

UHF

SHF

EHF

Microon

das

Infrarrojo

Ultravioleta

RayosX

Rayosg

amma

Rayoscos

micos

780nm

700nm

600nm

500nm

380nm

Infrarrojo

Rojo

Rojo

Naranja

Amarillo

Verde

Azul

Ultravioleta

Longitud de onda

10Km

1Km

100m

10m

1m

10cm

1cm

1mm

100m

10m

1m

1m

100nm

10nm

1nm

100pm

10pm

1pm

Ondas

largas

Ondas

medias

Ondas

cortas

FM-

VHF

UHF

SHF

EHF

Microon

das

Infrarrojo

Ultravioleta

RayosX

Rayosg

amma

Rayoscos

micos

780nm

700nm

600nm

500nm

380nm

Infrarrojo

Rojo

Rojo

Naranja

Amarillo

Verde

Azul

Ultravioleta



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Fig. 1.3 Descomposicin de la luz blanca en colores monocromticos

Fig. 1.4 Espectro de luz incidente y espectro observado

)()()( rll incobs = (1.3)

donde lobs( ) es el espectro de la luz observada, linc( ) el de la luz incidente y r( ) el coeficiente dereflexin de los objetos (ver figura 1.5). De acuerdo con esta ecuacin, cuando la luz incidente esblanca (la luz solar es una buena aproximacin a la luz blanca), el espectro de la luz reflejada por losobjetos tiene la misma forma que su coeficiente de reflexin ya que podemos considerar que l inc()=Kte. As, un objeto cuyo coeficiente de reflexin sea prximo a la unidad en la regincorrespondiente al color verde y prcticamente cero para el resto de frecuencias ser observado comode color verde cuando la luz incidente sea blanca. Sin embargo, cuando incida sobre l una luzmonocromtica de color amarillo, absorber toda la energa incidente, adoptando una apariencia decolor negro. En la figura 1.5 se ilustra como un mismo objeto puede observarse de color amarillo

Luz blanca

Prisma

Colores

mon

ocromtic

os

Luz blanca

Prisma

Colores

mon

ocromtic

os

ObservadorObjetoCoeficiente reflexin

r()

Luz incidente

linc()

lobs()

ObservadorObjetoCoeficiente reflexin

r()

Luz incidente

linc()

lobs()



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cuando la luz incidente es blanca, rojo cuando el espectro de la luz est situada en la regin de bajafrecuencia del visible, o verde cuando la iluminacin corresponde a un espectro situado en la reginde alta frecuencia. En general, pues, el color de los objetos depende de las caractersticas espectrales

de la iluminacin a la que estn sometidos. Cuando nos referimos, de una manera genrica, al color deun objeto suele entenderse que hablamos del color que observaremos cuando est expuesto a una luzblanca.

Fig. 1.5 El color de los objetos depende de las caractersticas de la luz incidente

1.4.2 Percepcin del color en el ojo humano

El sistema visual humano es capaz de discriminar un elevado nmero de colores. Su resolucin encolores monocromticos depende de la frecuencia y puede estimarse que en las bandas del azul, verdey amarillo pueden distinguirse dos colores siempre que su longitud de onda difiera en al menos 1 nm.En las regiones extremas de la banda visible, correspondientes al rojo y al violeta, la capacidad dediscriminacin de colores se reduce, y puede estimarse que se requiere una diferencia de 10 nm paradistinguirlos. Estas medidas son aproximadas y representan un valor medio para sujetos sin problemasde visin. Se obtienen proyectando colores monocromticos en las dos mitades de una pantalla en laque diversos espectadores indican si son capaces de diferenciar los dos colores. Desde un punto devista cualitativo pueden definirse tres atributos para describir el color: el brillo, el matiz o tono y lasaturacin o pureza. El brillo indica la intensidad de la luz que percibe el ojo. El matiz o tono es lapropiedad que permite clasificar los colores como distintos, distinguiendo entre el rojo, verde,amarillo, etc. La saturacin indica en que grado un color se acerca o se aparta del blanco. As,

podemos hablar de un rojo ms o menos claro entendiendo que todos ellos corresponden a una mismatonalidad roja. Diremos que un color es puro cuando no contiene blanco. Veremos que es posibleestablecer medidas cuantitativas directamente relacionadas con estos atributos.

Adems de los colores monocromticos, el sistema visual humano es capaz de distinguir otros tonosde color formados por la superposicin de varias frecuencias y apreciar colores con mayor o menor

Luz Incidente CoeficienteReflexin

Luz observada

Luz blanca

Luz rojiza

Luz verde-azulada

Objeto

Amarillo

Rojo

Verde

Luz Incidente CoeficienteReflexin

Luz observada

Luz blanca

Luz rojiza

Luz verde-azulada

Objeto

Amarillo

Rojo

Verde



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pureza dependiendo del espectro final de la luz incidente. En general, la luz procedente de losobjetos no es casi nunca un color espectralmente puro, sino una mezcla compuesta de muchaslongitudes de onda distintas.

1.4.3 El ojo humano

En la figura 1.6 se representa una seccin transversal de un ojo humano en el que pueden apreciarselos principales elementos que intervienen en el proceso de formacin y captacin de imgenes. Elglbulo ocular tiene una forma aproximadamente esfrica, de unos 20 mm de dimetro medio que estrecubierta por un tejido fibroso de gran resistencia denominado membrana esclertica. Esta membranaes opaca en sus superficies posterior y lateral. El segmento frontal de la membrana esclertica recibeel nombre de crnea y es transparente para permitir el paso de la luz hacia el interior de la cavidadocular. La crnea acta como elemento protector de las partes interiores del ojo y presenta unacurvatura superior al resto del glbulo ocular. Justo debajo de la membrana esclertica hay una capade tejido vascular, denominada coroides, que es la responsable de proporcionar nutrientes a todos loselementos del ojo. La coroides est fuertemente pigmentada para ayudar a reducir la cantidad de luzexterior que entra en el ojo y absorber la luz difundida en su interior.

Fig. 1.6 Seccin transversal del ojo humano

En el interior de la crnea se sita la cmara anterior, que est rellena con un liquido denominadohumor acuoso. En el interior de esta cavidad est situado el iris, que es una cortina muscular, de forma

aproximadamente circular, que permite regular la cantidad de luz que incide en la parte interior delojo. El color de este msculo determina el color de los ojos de una persona. La luz incide a travs dela pupila, que es una obertura circular situada en el centro del iris. El dimetro de la pupila se regulamediante el iris, que deja al descubierto una superficie mayor o menor de sta de acuerdo con lascondiciones de luz ambientales, permitiendo que los sensores de luz situados en el interior de lacavidad ocular puedan operar en un amplio margen dinmico de condiciones de iluminacin. El

MembranaEsclertica

Cornea

Cristalino

Iris

Pupila

Nervio ptico

Retina

Humor acuoso

Humorvitreo

Sensores:Conos y bastones

Fovea

Ejevisual

MembranaEsclertica

Cornea

Cristalino

Iris

Pupila

Nervio ptico

Retina

Humor acuoso

Humorvitreo

Sensores:Conos y bastones

Fovea

Ejevisual



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tamao de la pupila depende nicamente de las condiciones de iluminacin externa y se controla deforma automtica sin que intervenga la voluntad del observador. Su dimetro puede oscilar entre unos8 mm (en el caso de poca iluminacin) hasta unos 1.5 mm (para condiciones de gran iluminacin) por

lo que la superficie total del orificio por el que entra la luz puede modificarse en un factor deaproximadamente 28, dependiendo de las condiciones de luz exteriores.

Detrs de la pupila se encuentra el cristalino. Su funcin bsica es la de actuar como una lente queenfoca las imgenes en la retina, que es la superficie interior del ojo en la que se encuentran lossensores de luz. La forma del cristalino se controla a travs del cuerpo ciliar, una estructura muscularque forma parte de la coroide y que permite variar la distancia focal y la posicin de esta lente. Elcristalino se adapta para que los objetos sobre los que el sistema visual quiere centrar su atencinpermanezcan enfocados en la retina. La luz infrarroja y la ultravioleta son absorbidas, en su mayorparte, por las protenas que forman la estructura del cristalino, ya que en cantidades excesivas podrandaar el ojo. La cmara situada entre la pupila y el cristalino se denomina cmara posterior y estrellena con el humor acuoso.

Entre el cristalino y la retina se encuentra una cmara rellena de un lquido gelatinoso y transparenteque se denomina humor vtreo. Este lquido proporciona un equilibrio de presiones para que elglbulo ocular mantenga su forma esfrica.

La retina es una capa de tejido nervioso que cubre aproximadamente las dos terceras partes del ojointerno. En ella se encuentran las clulas sensibles a la luz que proporcionan la informacin bsica devisin que posteriormente ser analizada e interpretada en el cerebro. De hecho, la retina puedeinterpretarse como una ramificacin del cerebro ya que sus tejidos nerviosos tienen la mismaconstitucin, y est conectada al mismo a travs del nervio ptico. La retina es por tanto la parte msimportante del ojo, pudiendo considerar que la funcin del resto de elementos es, por una parteproporcionarle nutrientes, y por otra enfocar la luz en la regin apropiada. Es un tejido de ciertacomplejidad, formado por varias capas, de las cuales nicamente una capa intermedia contiene clulas

sensibles a la luz. Estas clulas reaccionan a las distintas longitudes de onda incidentes generandoimpulsos nerviosos. La luz debe atravesar las capas superficiales hasta alcanzar estas clulas. La capams interna de la retina est formada por complejas interconexiones entre las clulas (sinapsis) en lasque se combina la informacin recibida por estos elementos sensibles y se direcciona hacia el nervioptico. Esta informacin es posteriormente procesada en la corteza visual del cerebro donde seanalizan e interpretan las imgenes.

1.4.4 Clulas sensibles: conos y bastones

Existen dos tipos de clulas sensibles a la luz, que se denominan, como consecuencia de su aspectofsico externo, conos y bastones. Los bastones son elementos cilndricos, con un dimetro inferior a 1

m, que terminan con una ligera curvatura y que presentan una elevada sensibilidad a la luz. Son muyabundantes en animales con visin nocturna, y en el hombre son los responsables de la visin encondiciones de baja luminosidad, tambin denominada visin escotpica. Su respuesta muestradependencia de la frecuencia de la luz incidente, teniendo un mximo de sensibilidad para frecuenciasprximas a los 500 nm. La seal que transmiten al cerebro no proporciona informacin sobre lacomposicin espectral de la luz, de modo que una iluminacin monocromtica de 500 nm con baja



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intensidad puede provocar la misma respuesta que una iluminacin de 600 nm de mayor intensidad,siendo ambas seales indistinguibles por los rganos de visin. Los bastones, por tanto, noproporcionan informacin sobre el color de los objetos.

Los conos presentan una menor sensibilidad a la luz y slo se activan en condiciones de iluminacinnormal o diurna (tambin denominada, visin fotpica). Son clulas de aspecto cnico con undimetro medio que oscila entre 1 m y 5 m. Presentan una sensibilidad mxima en la longitud deonda de 555 nm y proporcionan informacin bsica sobre la composicin espectral de la luz por loque son los responsables de la percepcin del color. Las curvas de sensibilidad de los conos y losbastones se representan, de manera aproximada y en tanto por ciento respecto al mximo, en la figura1.7. Estas curvas se obtienen proyectando en una pantalla dos luces monocromticas de distintafrecuencia y amplitud y pidiendo que el observador indique cundo considera que ambas tienen elmismo brillo. En caso en que la intensidad de la luz sea elevada (visin fotpica), el espectadorobservar las dos seales con colores distintos, pero deber decidir basndose nicamente en lasensacin de brillo que le producen las imgenes.

Fig. 1.7 Curvas de sensibilidad espectral de los conos y los bastones

El desplazamiento relativo que existe entre las curvas de visin escotpica y fotpica se conoce con elnombre de desplazamiento de Purkinje y es el responsable de algunos fenmenos psicofisiolgicos decambio de luminosidad aparente que se producen al anochecer. As, al oscurecer, las tonalidades rojastienden a perder brillo mientras que las azules parece que aumentan su luminosidad debido aldesplazamiento existente entre las curvas de sensibilidad correspondientes a los conos y a losbastones. Este efecto es debido a que, al reducirse la iluminacin, la visin cambia gradualmente defotpica a escotpica de manera que la sensibilidad del ojo al color rojo disminuye (volvindose msoscuro) mientras que la sensibilidad al azul aumenta (apareciendo ms brillante). Esta reginintermedia entre la visin fotpica y la escotpica, en la que operan simultneamente los conos y losbastones, se conoce con el nombre de visin mespica.

Sensibilidadrelativa

100 %

50 %

0 %

380 nm 720 nm

Visin Escotpica

Bastones

Visin Fotpica

Conos

500 nm 550 nm

Sensibilidadrelativa

100 %

50 %

0 %

380 nm 720 nm

Visin Escotpica

Bastones

Visin Fotpica

Conos

500 nm 550 nm



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La distribucin de los conos y los bastones en la retina no es uniforme. Los primeros tienen unaconcentracin mxima en la zona central de la retina, denominada fvea central, donde se sita el eje

de visin. Mantienen una concentracin elevada en las proximidades del eje visual, en una regincircular de aproximadamente 1 cm de dimetro denominada maculea lutea, que rodea la fvea central.Los bastones se sitan principalmente en la periferia de la retina, teniendo una concentracinprcticamente nula en la fvea.

En la figura 1.8 se representa de forma aproximada la densidad de conos y bastones en la retinarespecto al eje visual; se observa que los bastones presentan una concentracin mxima en una regincircular que forma un ngulo de unos 20 respecto al eje visual y que prcticamente son inexistentesen la fvea. La distribucin de los bastones es aproximadamente simtrica respecto a la fvea,exceptuando el denominado punto ciego, que corresponde al punto de la retina de donde parte elnervio ptico, sobre el que no se encuentran ni conos ni bastones. Se estima que el nmeroaproximado de conos en individuos con visin normal es de unos 7 millones de sensores, mientras queel de bastones es del orden de los 120 millones.

Fig. 1.8 Distribucin y densidad de los conos y los bastones en la retina

En condiciones de iluminacin normal o alta, la percepcin de la visin es debida fundamentalmente alos conos, ya que los bastones, de mayor sensibilidad, se saturan y no proporcionan informacin alcerebro. En condiciones de poca iluminacin, la pupila se dilata permitiendo que la imagen quedeenfocada sobre la regin perifrica de la retina, obteniendo una respuesta debida fundamentalmente alos bastones. Los conos, al recibir poca energa lumnica, no se excitan, por lo que las imgenes

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