Norma ITU/CCIR 601 Y Cuantificación Digital

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En este tutorial voy a hablar de el muestreo de una señal digital y para ello voy a mencionar antes la norma ITU/CCIR 601.

Hoy en día cientos de millones de aparatos de televisión digital en todo el mundo funcionan sobre la base de una Recomendación de la UIT, la norma ITU 601, y ha sido el documento técnico más citado y utilizado en la historia de la televisión.

Las siglas del nombre vienen de Sector de Radiocomunicaciones de la UIT (UIT–R) y de su predecesor, el Comité Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones (conocido por su acrónimo francés, CCIR). En el otoño de 1981 la Comisión de Estudio 11 del CCIR aprobó un documento en el que se describen los valores parámetro de un formato de vídeo digital, “Parámetros para la codificación en estudio de la televisión digital con un formato de imagen de norma 4:3 y pantalla amplia de 16:9”.

A principios de 1970 se hicieron experimentos donde se transformaban las señales analógicas compuestas existentes PAL, SECAM y NTSC en versiones digitales. En términos técnicos esto se denomina “codificación digital compuesta”.

Se tuvo que elegir una frecuencia de muestreo, es decir, la velocidad a la cual se examina la señal analógica y ésta se convierte en números digitales. Pero no obstante, no fue posible encontrar una única frecuencia de muestreo que sirviera simultáneamente para los sistemas PAL, SECAM y NTSC a causa de las modalidades de desarrollo de dichos sistemas. Había que tener en cuenta una serie factores en la elección de una frecuencia de muestreo a escala mundial: la calidad de la imagen debía ser suficientemente buena y la señal digital debía ser capaz de soportar los diversos procesos de postproducción de televisión (“margen de calidad para el postprocesamiento”), para el cual se necesitaban como mínimo 13 MHz.

Entre todas las frecuencias de muestreo posibles para la señal de luminancia, 13,5 MHz tenía un atributo único: es un múltiplo común de las frecuencias de línea de ambas estructuras de exploración de 525/60 y 625/50, los dos sistemas podían ofrecer el mismo número de muestras por línea activa. Esta fue la frecuencia de muestro que se estableció creando un sistema digital común para la televisión de todo el planeta; 13,5 MHz (señal de luminancia Y) y 6,75 MHz (señales de diferencia de color U, V).

¿Qué es la cuantificación y el muestreo digital?

El muestreo digital es una de las partes de digitalización de las señales donde se van tomando muestras de una señal analógica a una frecuencia para después cuantificarla y codificarla. Dicho de otra manera, es la cantidad de veces que medimos el valor de la señal en un periodo de tiempo (generalmente de 1 segundo).

Todo esto del muestreo está basado en el Teorema del muestreo de Nyquist-Shannon y básicamente lo que nos dice este teorema es que la cantidad de veces que debemos medir una señal para no perder información debe de ser al menos el doble de la frecuencia máxima que alcanza dicha señal. (Por ejemplo, si queremos grabar una conversación telefónica y el ancho de banda de la red telefónica es de 3khz, para no perder información deberemos tomar 6.000 muestras/segundo).

La cuantificación mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras. Asigna un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida; (la muestra toma un valor digital).

La codificación traduce los valores analógicos obtenidos durante la cuantificación al código binario.

Conversión analógica-digital

Convertir una señal analógica a digital facilita su procesamiento; su codificación, compresión, etc, y hacer que la señal digital resultante sea más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas. Lo convierte en una señal con más calidad.

Conversor AD.svg
«Conversor AD» por JmcalderonTrabajo propio. Disponible bajo la licencia Dominio público vía Wikimedia Commons.

¿Por qué digitalizar?

  • Si una señal digital experimenta interferencias o perturbaciones leves, puede reconstruirse y ser amplificada mediante sistemas de regeneraciones de señales.
  • Su procesamiento es más fácil a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal.
  • Permite la multigeneración infinita sin pérdidas de calidad.
  • Es posible aplicar técnicas de compresión de datos sin pérdidas o técnicas de compresión con pérdidas basados en la codificación perceptual mucho más eficientes que con señales analógicas.

Pero como todo lo que tiene una serie de ventajas, también encontramos algunos inconvenientes:

  • Se necesita una conversión analógica-digital previa y una decodificación posterior, en el momento de la recepción.
  • i no empleamos un número suficiente de niveles de cuantificación en el proceso de digitalización, la relación señal/ruido resultante se reducirá con relación a la de la señal analógica original que se cuantificó.
  • bajo; (solo deja pasar la parte baja de la frecuencia), sobre la señal a muestrear para evitar el efecto conocido como aliasing, que podría hacer que componentes de frecuencias fuera de la banda de interés quedaran registrados como componentes falsos de frecuencia dentro de la banda de interés.

Dicho todo esto de otra manera para que quede más claro, el efecto de aliasing es un efecto de ‘barrido’ no deseado que aparece cuando la frecuencia de muestreo es demasiado baja para reproducir fielmente los detalles de la imagen, por ejemplo efectos de parpadeo en contornos muy marcados tales como líneas horizontales. También se conoce como efecto Moiré en algunos casos:

Moire pattern of bricks.jpg
«Moire pattern of bricks». Disponible bajo la licencia CC BY-SA 3.0 vía Wikimedia Commons.

Imagen correctamente muestreada de una muralla de ladrillos

Moire pattern of bricks small.jpg
«Moire pattern of bricks small». Disponible bajo la licencia CC BY-SA 3.0 vía Wikimedia Commons.

Aliasing espacial en la forma de Patrón de Moiré

Muestreo de color

Para procesar video en el dominio digital, se necesita un muestreo que forma las líneas horizontales y columnas verticales. La frecuencia de muestreo (sampling rate), tiene que ser un múltiplo de la frecuencia de líneas, de aquí se establecieron las nomenclaturas 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0 que hacen referencia a la luminancia y a la crominancia.

El ojo es más sensible a la luminancia que a la crominancia. La información de luminancia siempre la va a respetar en todos los píxeles, por eso el primer número siempre va a ser un 4, porque siempre habrá información de Y. Pero no tiene por qué ser así con la crominancia.

Si se muestrea toda la señal: 4; luminancia en todos los píxeles.

Si muestreamos la mitad: 2, sólo en dos de cada cuatro habrá información de color.

Si muestreamos 1/4: 1, sólo habrá un píxel de cada cuatro con información de color.

Captura de pantalla 2015-06-17 a las 12.39.25


La imagen nos muestra píxeles de un cuadro de video en una matriz 4:4:4. Al analizar la imagen vemos que cada línea contiene píxeles con 4 valores Y, 4 Cb y 4 Cr. Este esquema es el estándar por excelencia del color pero no hay muchos equipos que trabajen así y la mayoría graba a 4:2:2.

Usado para infografías y cine digital.

Captura de pantalla 2015-06-17 a las 12.41.39

4:2:2

Aquí la mitad de la información de los pixeles se ha eliminado. Los equipos y programas que trabajan así pueden coger la información de los píxeles adjuntos y reconstruir la información que falta.

Calidad de estudio.

Captura de pantalla 2015-06-17 a las 12.41.46


Algunos formatos como MPEG usan el formato 4:2:0 que tendría un esquema así. El valor de luminancia existiría en todas las líneas para cada píxel pero de cada línea, solo habría dos píxeles con información Cb y en otra con información Cr.

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