DATV 2da Parte

DATV en términos simples - Parte 2
Por Brian Kelly Traducción: LU7DTS
Este artículo fue publicado en la revista CQ-TV, cuestión 209.

Vimos en la primer parte la forma en que un voltaje analógico, que bien podría ser una señal de vídeo o de sonido, puede ser representado por una serie de números. En esta parte, espero poder explicar por qué la conversión a la tecnología digital hace que el trabajo de manipulación de la señal sea mucho más fácil.

No es sólo el hecho de que las señales digitales normalmente no se degradan a lo largo de toda la vía de transmisión, como las analógicas, sino que además son más fáciles de manejar en un entorno de su producción. Tratar de hacer trucos ingeniosos en señales analógicas es muy difícil, incluso algo tan sencillo como un desvanecimiento cruzado de un cuadro a otro implica trabajar sobre el sincronismo, el bloqueo de los tiempos de origen de la imagen juntas y luego la mezcla a través de amplificadores de ganancia variable. Voy a explicar la forma más sencilla se hace digitalmente, un poco más adelante.

Antes de entrar más profundamente en el estudio, demos primero un paso atrás para ver por qué las señales digitales son mucho más robustas que las analógicas. Todo se reduce a las formas en que las señales se degradan a medida que pasan a través de circuitos, de los cables y a través del aire.
Podemos clasificar la degradación analógica en dos categorías, la pérdida de integridad de la señal y la adición de interferencias. La integridad de la señal se ve afectada cada vez que pasa a través de un circuito no lineal, lo que significa que para un cambio dado de la señal de entrada en el circuito, la salida cambia por una cantidad desproporcionada. Visiblemente esto se muestra como un error en el contraste o brillo y su severidad puede variar con frecuencia, dando sombra extraña o efectos de manchas en la imagen. Si el problema se encuentra cerca de la sub-frecuencia de la portadora de color (4.433MHz en formato PAL, o en 3.579MHz en el formato NTSC) que, además, puede causar la pérdida color o colores excesivos incluso colores equivocados. La segunda categoría igualmente problemática es la que tiene señales adicionales no deseadas mezcladas con la señal que queremos. El deterioro más evidente proviene de "nieve" en la imagen, como se ve cuando el nivel de señal es débil. Esto es causado por la adición de tensiones aleatorias a la imagen, ya sea de fuentes naturales o de los flujos de electrones aleatorios en los dispositivos de amplificador. En la mayoría de las circunstancias, el nivel de amplificación se reduce cuando una fuerte señal es recibida, lo que también resulta en menos de amplificación de las fuentes de ruido. Los efectos no deseados también pueden provenir de reflexiones lo que causa una recepción diferida de la señal que se mezcla con la original. Cuando la reflexión se ha retrasado bastante, la imagen se muestra con 'fantasma', sombra de su propia imagen desplazadas hacia un lado. Cuando el retraso es menor, ésta ya no es visible como una imagen separada, pero todavía puede causar problemas debido a que la imagen fantasma se suma o resta de los ciclos individuales. Usted probablemente ha notado que algunas imágenes 'fantasma' producen algo que se parece a negativos fotográficos y si es causado por alguna reflexión móvil, por ejemplo por los aviones que pasan cerca, la imagen puede alternar de positivo a negativo. Cuando los retrasos son muy pequeños, la adición de aquellos positivos y la resta de los negativos pueden causar todo tipo de distorsión desagradable de la forma de onda o incluso su eliminación. Así como en las señales de aire sufren de esto denominado "efecto multi-path ', efecto que se ve también en las señales de cable si la impedancia de la fuente de señal y la impedancia del receptor no coinciden con la impedancia del cable. El efecto fantasma resulta ser muy grave para la buena recepción de la imagen. A veces este efecto se utiliza deliberadamente para medir la longitud de un cable (Time Domain Reflectometry o TDR) dado que el tiempo de retardo entre la señal y su reflejo es proporcional a la distancia que éstas han viajado y por lo tanto proporcional a la longitud del cable.

Las señales digitales tienen una enorme ventaja sobre las analógicas y es en que sólo tienen dos niveles de voltaje en lugar del número infinito numero como el caso de las analógicas. Esto virtualmente elimina la necesidad de llevar a través de circuitos lineales. Los bits binarios de la ADC sólo tienen dos estados, un “cero” o un “uno”. Un “cero” es generalmente considerado como una ausencia de tensión, mientras que un “uno” suele ser una tensión positiva, por lo general +5V. En algún punto entre los dos hay un umbral, cualquier tensión por debajo de este umbral se considera un “cero”, por lo tanto se considera un “uno” cualquier voltaje por encima del umbral. Si la tensión de +5V se supone que es el nivel de «uno» y la mitad de esa tensión o sea + 2.5V, se supone que es el umbral, aún una señal de que muestre una tensión de + 2.4V debido al ruido posee el 100% de integridad ya que no cruza el umbral de un estado a otro. En la práctica, tener +2.4 V debido al ruido sería considerado como caso extremadamente ruidoso. Los niveles de ruido digital son generalmente mucho más bajos que eso. A pesar de que los sistemas digitales son altamente inmune al ruido (fig. 3), se siguen tomando medidas para reducir al mínimo la posibilidad de que éstos produzcan interferencias. La más común de estas medidas es hacer que el umbral sea más alto que la mitad de tensión del antes de asumir que es un “uno” y un umbral más bajo que la mitad de la tensión antes de asumir que es un “cero”. En otras palabras, el umbral ya no es fijo, la tensión tiene que ir más allá del punto a mitad de la tensión para cambiar de estado un uno u otro sentido. Esto tiene como efecto la limpieza de la señal dado que la probabilidad de causar problemas de ruido es mayor durante el tiempo de ascenso y de descenso en el paso de la tensión entre los bordes de la zona de umbral, lo que no produce ningún efecto. La señal digital no sólo es una señal mucho menos inmune al ruido aleatorio, sino que cualquier señal proveniente de reflexión tiene niveles mucho más bajos que el umbral y por lo tanto se ignoran.

Por lo tanto la TV digital es menos proclive a la distorsión y el ruido, y en sí misma una buena razón para usarla. Vayamos ahora a la manipulación de vídeo digital de varias maneras y veamos que resulta mucho más fácil que en el mundo de las señales analógicas. He clasificado los innumerables efectos de vídeo en sólo unas pocas categorías, la mayoría de los trucos más complejos son combinaciones de estos.

Control de brillo.
Como la imagen está hecha de muestras (pixels) y cada uno tiene un valor numérico, simplemente añadiendo o restando del valor cambiará el brillo (fig.4abc). El valor normal oscilaron utilizado es de 0 - 255 (suponiendo 8-bit de datos, es 0-1024 si 10-bit de datos se utiliza), con los números más altos significa más cerca de la punta blanca. Mover todos los píxeles en valor hace que el mover la imagen de conjunto hacia el nivel de pico blanco. Por el contrario, si los valores de píxel se reduce la imagen va más oscuro. Obviamente, hay una necesidad de limitar los valores para que no salgan fuera del rango válido, pero que es fácil de hacer.

Figuras 4a, 4b y 4c

Control de contraste.
Por contraste nos referimos a la diferencia entre las partes oscuras y claras de la imagen. Un alto contraste: la diferencia es mayor (fig. 5). Para expandir los valores de píxeles por lo que el contraste es mayor, todo lo que tenemos que hacer es multiplicar cada valor por una cantidad fija. Del mismo modo, la división produce una reducción de contraste.

Fig 5

Color y saturación.
La forma que estos trabajan depende de la forma en que las señales fueron originalmente digitalizadas. Si las muestras representan los valores de píxeles separados para el rojo, el verde y el azul, el color se puede cambiar mediante la multiplicación (como cambiar el contraste) cada uno por una cantidad diferente. El efecto será el desequilibrio de los niveles relativos y visualmente provocará un variación de color. La saturación es controlada de forma similar pero el cálculo es un poco diferente ya que las diferencias entre cada color tiene que ser reforzada por una combinación que resulta de restar uno de otro y luego multiplicar el resultado para lograr subir nuevamente los niveles. Si las muestras fueron digitalizadas desde una señal compuesta, la matemática en este caso es muy complicada pero supone un proceso no demasiado alejado de la decodificación, la mejora y luego volver a codificar la señal. Les prometí en la primer parte no incluir las matemáticas así que voy a dejar este aspecto para su estudio en otros lugares.

Llave (interruptor) y superposición.
Existen procesos de sustitución de parte de una imagen por otra. En su forma más simple, superponiendo, una imagen, por lo general un título o texto, se da prioridad sobre el fondo. Usted ha visto que esto se utiliza para poner los logotipos del canal en la esquina de las emisiones de televisión comercial y para añadir el nombre o la ubicación de los periodistas en los programas de noticias. La llave es una variación de estos donde una o más imágenes se insertan en otra. El efecto se utiliza frecuentemente para poner presentadores pronóstico del tiempo "en frente" de los mapas meteorológicos. La diferencia entre ambos es que uno está reemplazando el fondo con uno nuevo, mientras que la otro consiste en cambiar las fuentes de imagen en un momento decidido por cualquiera de los contenidos de una de las imágenes o una imagen en una tercera llamada mate. El mate es normalmente un negro sobre una imagen blanca fija (por ejemplo, un rectángulo del tamaño del mapa del tiempo), que decide cuál será la imagen seleccionada. Un negro significa “ imagen A” mientras que un blanco significa "imagen B”, obviamente, la imagen mate debe ser cuidadosamente colocada o la imagen se cortará en lugares equivocados. Una variación sobre el tema de llave (interruptor) es el uso de color (codificación de colores) o de claves de luminancia; de esta forma el contenido de una imagen, ya sea en color o brillo se utiliza para cambiar imágenes. En el mundo analógico, es muy difícil distinguir los niveles exactos o colores, pero operar la llave ( interruptor) de una señal digital, es mucho más fácil. En lugar de tratar de definir la luminancia exacta, las tonalidades y niveles de saturación de uso de los comparadores analógicos, simplemente se puede definir un rango de números, y la matemática resulta muy simple.

Desvanecimiento cruzado (Cross fading)
Cambiar de una fuente de vídeo a otra puede ser hacer mediante un cambio brusco o mediante un desvanecimiento gradual de una fuente de video (fade out) mientras que la otra aparece (fade in) Esto no es demasiado difícil de hacer en circuitos analógicos si las dos señales están simultáneamente sincronizadas. Sin embargo, se trata de algo más que reducir el nivel de una señal y mientras de aumenta en nivel en la otra. Esto es porque los pulsos de sincronismo deberán permanecer a un nivel constante a través del proceso. Normalmente, se quita el sincronismo a ambas señales, luego se produce el desvanecimiento cruzado de las señales de video, y luego uno de los sincronismo originales es reinsertado. En cambio en la TV digital, la misma idea se utiliza, pero el desvanecimiento de una y aparición de la otra se hace por reducir numéricamente una de las muestras mientras se aplica el mismo factor para aumentar la otra. Por ejemplo, si las señales A y B se multiplican por 0,5, ambos estarán en un nivel medio, que darán lugar a nivel completo de una mezcla de 50/50. Cuando la señal A se multiplica por 0,25 y la B por 0,75 (o sea, 1 - 0,25) dará una mezcla de 25/75 a favor de la fuente B.

Sincronización de fuentes de vídeo.
Con la tv analógica la única manera de hacerlo es con el procedimiento 'Genlock' aplicado a ambas señales de video. Una señal de vídeo tiene una zona de trama visible "y la sincronización de los pulsos que no son visibles, pero es esencial asegurarse de que cada línea de exploración se encuentra en la posición correcta en la pantalla. Cuando dos o más fuentes de vídeo son mezcladas, es esencial que los pulsos de sincronismo se encuentren en línea entre ellos de lo contrario una de la imágenes se verá desplazada con relación a las otras. Normalmente, esto se logra utilizando un estándar de generación de pulsos de sincronización (SPG), que conecta a cada una de las fuentes de señales de vídeo y las mantiene a todas sincronizadas.

Hacerlo digitalmente es muy diferente, la necesidad del Genlock no es tan importante, aunque sigue siendo preferible. Esto es porque si la imagen se almacena en forma de números en un dispositivo de memoria es posible leerla nuevamente en un momento diferente. En otras palabras, un grado de retardo de tiempo se pueden cubrir con carácter temporal, retrasando una de las señales hasta que quede en línea con la otra. El dispositivo de memoria toma las riendas. No obstante hay un límite para que la duración del retraso que pueda ser utilizado en algún momento para que el dispositivo de memoria lo llene. Es por eso que continua siendo importante bloquear las señales si es posible, la memoria permite corrimientos o retardos por un mínimo de tiempo, pero a medida que se escriben y se leen de forma simultánea, nunca logrará llenarse, si las señales o fuentes están relativamente cercanas entre sí.

Sin atascarse con fórmulas, aquí están las líneas de "pseudo-código" que una computadora que maneje vídeo podría utilizar. Pongo énfasis en que estos no son programas reales y sería muy improbable que funcionen tal como son, pero la idea detrás del código es de esperar que sea aparente.

Control de brillo: new level = old level +/- amount to change brightness by.
Control de contraste: new level = old level * amount to change contrast by.
Solapamiento : if position in picture is right, source = A, otherwise source = B.
Llave de croma: if ( a < red < b) and (c < green < d) and (e < blue < f) select source A, otherwise select source B. Here abcde and f are the min and max for each colour.
Llave de luma: if level of A > threshold, select source A, otherwise select source B.
Mezcla: new level = (source A * fraction) + source B * (1 – fraction).

Quizá esto tenga para ustedes sentido, hay por supuesto muchas más fórmulas utilizadas para crear efectos de llaves (interruptores) especiales.

Todos los métodos digitales mencionados hasta ahora han tenido algún tipo de efecto sobre la imagen en un lugar fijo en la pantalla, ya sea cambiando su nivel o su origen. La TV digital también ofrece una selección totalmente nueva de "espacios". Si bien es cierto que estas también se puede hacer utilizando circuitos analógicos, lo que sería tremendamente complicado y tedioso para adaptarse a situaciones diferentes. La 'palabra espacio "se refiere simplemente a la posición en relación con el espacio alrededor de algo. Crucial para efecto espacial digital es el dispositivo de memoria y el hecho de que, una vez almacenados, muestras de video puede ser recuperado en un orden diferente. Por lo general, a medida que el DAC produce sus muestras, éstas se almacenan en la siguiente dirección de memoria disponible. Si se recuperara en el mismo orden y en el mismo ritmo, la imagen podría ser reproducida a través de un ADC para mostrar exactamente la misma imagen que se almaceno. Ahora, imagine que pasaría si las direcciones de memoria se vuelven a leer en orden inverso, la imagen también se invierte. Intente hacer esto mismo con un circuito analógico! De hecho, no hay ninguna razón por la que las direcciones de memoria deban estar en secuencia, hacia adelante o hacia atrás, y que incluso ellas puede ser totalmente aleatorias. Los memoriosos recordarán las imagenes por Videocrypt que se utilizaban para las emisiones por satélite de BSkyB habrán notado que incluso cuando las imagenes eran "revueltas", era posible saber si los subtítulos o créditos de desplazamiento se estaban mostrando. Esto era así debido a que cada línea se almacenaban en un dispositivo de memoria y reproducidas en una posición horizontal diferentes de acuerdo a una secuencia secreta de las líneas de dirección de memoria. El truco era conocido como "cortar y rotar", porque en cada línea tenía varios puntos de 'cortes' los puntos donde la reproducción realizaba estos cambios de acuerdo a cada "corte" donde la imagen había sido "cortada" o invertida. La lectura de las muestras de manera diferente a la forma en que fueron grabadas, no se utiliza solo para el cifrado o encriptado. Si un número fijo se añade a la dirección de memoria, la imagen recuperada se moverá a través de la pantalla. Adicionando de un número igual a la longitud de cada línea la imagen se moverá hacia arriba o hacia abajo. Lectura de los datos de vuelta más rápido de lo que se almacena la imagen hace más estrecho y el reverso, la lectura de vuelta más lento hace más ancho (fig. 6).

Fig 6 Compare la forma de onda con la de la Fig 4a

Como puede ver, es posible realizar todo tipo de posición de vídeo y el nivel de cambio con sólo ajustar algunos números. Las imágenes digitales son mucho más resistentes y versátiles que sus homólogas analógicas. La desventaja de la tecnología digital es que se producen grandes cantidades de números. En la parte siguiente que voy a explicar el truco llamado de compresión que reduce el volumen de dígitos, sin reducir sensiblemente la calidad de imagen.

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