SISTEMAS DE TELEVISION COLOR

INDICE

• Introducción
• Sistemas de exploración y sistemas de color
• Compatibilidad y retrocompatibilidad
• La cámara de color
• Corrección de Gamma
• Inserción de la crominancia en la señal de video
• Fundamentos del sistema NTSC
• Síntesis

INTRODUCCIÓN

En la década del 40 solo existía televisión monocromática o blanco y negro, es decir, que la señal de video transmitida por las estaciones existentes, solo incluían la información de brillo de la imagen, la cual era representada en la pantalla del receptor como una sucesión de puntos con mayor o menor intensidad (tonos de grises).

Si bien hoy en día, ver imágenes en blanco y negro pueden no resultan atractivas, esta modalidad  de transmisión logra cumplir con un objetivo muy necesario:  dotar a la imagen reproducida de definición suficiente para que el espectador pueda discriminar dentro de la imagen, las formas, y tamaños relativos de los componentes de la escena.

Cuando la tecnología pudo agregarle color a la imagen, hubo que analizar la forma de incluir dentro del canal de televisión, la información de color (crominancia), sin detrimento de la información de brillo (luminancia), ya existente.

SISTEMAS DE EXPLORACION Y SISTEMAS DE COLOR

Conviene hacer una aclaración importante: hay que poder discernir entre 2 conceptos distintos, que en la practica se suelen tratar indistintamente.

Los sistemas de exploración de imágenes de televisión, se refieren a la manera en que la imagen es barrida por el haz, la cantidad de líneas de definición, las frecuencias vertical y horizontal, y otras características. Así, existen normas como la M en EE.UU., Brasil, Japón,   la norma N de Argentina, La norma B en Europa, etc. 

Los sistemas de codificación de color de imágenes de televisión, se refieren a la manera en que se agrega la información de color a la imagen. Así, existen 3 sistemas clásicos que se implementaron en el mundo: NTSC, PAL y SECAM.

COMPATIBILIDAD Y RETROCOMPATIBILIDAD

Se hace necesario agregarle a la señal monocromática de luminancia, la señal de crominancia. Para conseguir esto se debe mantener 2 condiciones importantes:

Compatibilidad

Es la propiedad de un sistema de televisión color que permite  la reproducción de las emisiones a color, en los receptores  monocromáticos existentes (por supuesto se verán las imágenes en  blanco y negro, aunque se hayan generado en el transmisor  a color).

Retrocompatibilidad o compatibilidad inversa

Es la propiedad de un sistema de televisión en colores que permite a los receptores de televisión en colores, reproducir en blanco y negro, las emisiones de un sistema existente en blanco y negro.

En ambos casos, las imágenes deben ser de buena calidad, por lo que la emisión en colores debe mantenerse dentro del canal de frecuencias previsto para blanco y negro, sin invadir canales adyacentes.

LA CÁMARA DE COLOR

Básicamente será igual a la monocromática, pero deberá tener algún agregado que le permita discriminar entre los 3 colores primarios que componen la imagen de toma, separarlos y obtener sendas señales de R, G y B. Esto se consigue con la inclusión dentro de la cámara de espejos muy especiales que en lugar de reflejar toda la radiación incidente, solo lo hacen con una pequeña banda de la misma, permitiendo que el resto de la radiación sea atravesada. Estos espejos se llaman dicroicos.

Entonces, con un juego de 2 espejos dicroicos y otro espejo normal se consigue separar la onda incidente en la cámara en sus 3 componentes primarias.

Con estos 3 colores se podrán reproducir la mayoría de los colores existentes en la naturaleza, por lo tanto, si se transmitieran estas 3 señales se podrían reproducir en un receptor destinado para este fin; sin embargo un televisor monocromático pre-existente no esta preparado para recibir estas 3 señales, sino solo la Y.

Se deduce, de la colorimetría,  que la relacion entre Y los 3 colores primarios esta establecida por la llamada ecuación fundamental de la Luminancia:

Y= 0.30.R + 0.59.G + 0.11.B

Conocido el hecho que se necesitan 3 señales para reproducir una imagen coloreada y una de las señales a trasmitir es Y,  resta todavía obtener 2 señales mas, que conformaran la señal vectorial de crominancia. Estas 2 señales deberán tener la particularidad de anularse en caso de tratarse de una imagen monocromática (solo brillo). Este hecho, al igual que el anterior son necesarios en relación a las 2 premisas anteriormente nombradas, compatibilidad y retrocompatibilidad. Observando que el blanco se obtiene con iguales cantidades de los 3 primarios, por ejemplo el blanco de máximo brillo se obtiene con señales normalizadas con R=G=B= 1v, se comprueba que Y=1v también. Por lo tanto la señal de crominancia estará formada por 2 de las 3 señales diferencia de color R-Y, G-Y, B-Y. Solo será necesario enviar 2 señales, además de Y, dado que la tercera es combinación lineal de las otras. En el receptor, de igual manera se podrán recuperar las componentes R, G y B a partir de Y y C, donde C es la señal vectorial de crominancia formada por 2 señales de diferencia de color. Al deducir la expresión analítica de las diferencias  de color, se comprueba que la diferencia al verde G-Y es la que tiene coeficientes menores y por ende menor potencia por lo que será más susceptible al ruido. Por lo tanto la señal de crominancia C estará compuesta por la diferencia al rojo y diferencia al azul, también simbolizadas Cr y Cb.

CORRECCIÓN DE GAMMA

El brillo de una pantalla de un Tubo de Rayos catódicos TRC no guarda relacion lineal con respecto a la intensidad del haz, sino más bien es una relacion de cuadratica a cubica. Debido a esto se hace necesario una corrección de Gamma en estudio, siendo Gamma ( γ) el exponente de la intensidad I cuando se cumple la ecuación L=k.I ^γ  . La condición ideal seria un Gamma igual a 1.

INSERCIÓN DE LA CROMINANCIA EN LA SEÑAL DE VIDEO

Se comprueba experimentalmente que la crominancia requiere un ancho de banda menor que el de luminancia, pero aun así, necesitan ubicarse ambas señales dentro del mismo canal de frecuencia, para cumplir la compatibilidad exigida. Para lograr esto hay que notar que el espectro de luminancia como el que se obtiene de crominancia, tienen la particularidad de ser discretos, es decir, están compuestos por rayas espectrales y no por una banda continua de frecuencias. La razón de esto hay que buscarla en el mismo proceso de generación de la imagen: a partir de la exploración punto a punto, lo que lo hace discretos.

Entonces, la solución se basa en intercalar ambos espectros, el de Y y el de C de manera de conseguir en el receptor una fácil separación de ambos. Esto se logra premodulando la croma con una frecuencia de subportadora color, que cambia según el sistema o la norma, pero que en todos los casos persigue un mismo objetivo, ubicar  la porción de mayor potencia del espectro de croma en una zona donde el espectro de luma sea notoriamente inferior, admitiendo un posible caso que la separación de ambos espectros no se pueda conseguir con absoluta eficacia. Aunque este sea el caso, de todas formas se contribuye a la compatibilidad y las imagenes recibidas seguirán siendo de buena calidad, aunque se vea afectada una pequeña porción de espectro.

FUNDAMENTOS DEL SISTEMA  NTSC

En el comité NTSC, por el año 1953, se sentaron las bases que debía cumplir el futuro sistema de televisión para un servicio publico. Entre muchas características se pueden destacar las siguientes:

(a)   La transmisión de luminancia se debe limitar al mismo espectro que sé venia empleando para transmisiones en blanco y negro. Ya estaban definidos los canales de 6MHz cada uno, el nuevo servicio debía hacer uso de estos mismos canales ya establecidos. En este tiempo ya era conocida la curva de sensibilidad del ojo y otros estudios sobre tricromia y colorimetría, también  se conocía la relacion entre luminancia y los 3 colores primarios: Y=0.30R+0.59G+0.11B.

(b)   Además de la luminancia, obtenida según (a), se debían trasmitir 2 señales mas para caracterizar completamente una imagen coloreada. Se conocía bien la teoría de los 3 colores, y  estaban convencidos que eran 3 señales las que se debían trasmitir; como por compatibilidad, una de estas señales debía ser obligatoriamente Y, quedaba por definir las otras 2. Se observo que en caso de una imagen no coloreada (negra, gris o blanca), se cumplía una relacion muy particular entre los 3 colores primarios: kR=kG=kB con  0 ≤ k ≤ 1, entonces se dedujo que las señales (kR-kY), (kG-kY), (kB-kY)  eran señales que definían solo el colorido de la imagen, pues en caso de negro, gris o blanco se anulaban, esto es no llevan información de brillo y cumplen con la compatibilidad exigida. Por lo tanto se decidió con buen criterio, enviar junto con la señal Y, las señales (kR-kY) y (kB-kY)  obteniéndose la restante en el receptor. Estas 2 señales se llamaron diferencia al rojo y diferencia al azul y  son las componentes de la señal de crominancia. También se descubrió que estas señales debían ser corregidas por alinealidades en la cadena de transmisión y en el tubo del receptor.

(c)   Representación gráfica en el circulo cromático. Así se destacan las señales en las respectivas normas, donde en un sistema de ejes cartesianos, se grafica la crominancia de cada color obtenible en la imagen, llevando el eje de abscisas la diferencia al azul y el eje de ordenadas la diferencia al rojo. También se puede referir un color dado en este mismo diagrama determinado por su matiz y su saturación, haciendo un cambio de coordenadas cartesianas a polares. El modulo representa la saturación y el ángulo formado por el vector representativo del color y el semieje positivo de abscisas representa el matiz.

(d)   Debe poderse introducir dentro del mismo canal de 6 MHz, y compartiendo banda con el espectro de luminancia, el correspondiente a la crominancia, sin perturbar, o en su defecto, perturbando lo menos posible al primero. Para lograr este objetivo se basaron en estudios ópticos, donde se establecía que el ojo es más sensible a diferencias de brillo sobre pequeñas superficies, que al color sobre idénticas superficies, concluyéndose que el ancho de banda de croma debía ser menor que el de luma. También se observo que los espectros contenían energía en paquetes, perfectamente ubicables dentro del canal, pues eran múltiplos de la frecuencia de línea o frecuencia horizontal. Se determino que el espectro de croma debía ubicarse en la zona de altas frecuencias de la luma, donde esta tenia paquetes de menor energía, por lo tanto, interferiría menos en esta zona.

(e)   Modulación de la subportadora. Para conseguir llevar el espectro de croma a la zona de alta frecuencia de la luma era necesario modular las señales de diferencia de color con una portadora que se denomino subportadora color. Como ambas señales diferencia de color debían trasmitirse simultáneamente sobre la misma portadora se recurrió a la modulación de amplitud en cuadratura, donde la modulación sobre la subportadora se hace con un corrimiento de fase de 90 grados, obteniéndose en definitiva una modulación en amplitud y fase. La determinación del valor de la subportadora se baso en el hecho que para intercalar ambos espectros de rayas, la subportadora debía ser un múltiplo de la semifrecuencia de línea, donde la luma dejaba huecos sin energía. Así se eligió un valor de fsc=3.579545MHz.

(f)     Sustitución de las señales diferencia de color. Sobre la base de estudios (elipses de Mac-Adam) y a las características fisiológicas del ojo, en el sistema NTSC se decidió correr los ejes de modulación que hasta entonces eran (B-Y) y (R-Y) por los definidos por una rotación de 33%, donde se creía se podían conseguir 2 ejes, uno con máxima sensibilidad, llamado I, al que se le asigna un gran ancho de banda, y otro eje de mínima resolución, llamado Q, al que se le asigna un menor ancho de banda. Esto solo fue una transformación lineal que no altero el principio de funcionamiento ni el tipo de modulación.

(g)   Primarios reales y blanco de referencia real para TV color. Conocido entonces era el diagrama de la ICI, y se definieron las coordenadas xy de los 3 primarios seleccionados y el blanco de referencia, que se aproximaron bastante a los teóricos.

(h)   Funcionamiento con la portadora suprimida. Se hizo necesario para la transmisión de la crominancia eliminarle la subportadora luego de la modulación, para la compatibilidad en receptores monocromáticos. Esta portadora color se regenera en el receptor a partir de un oscilador a cristal, pero hace falta que esta portadora en el receptor este sincronizada y en fase con la del emisor, por lo cual se agrega a la señal compuesta (luma, croma, sincronismos y borrados) unos ciclos de portadora color (entre 8 y 12) que el receptor utilizara en detectores síncronos. Esta señal auxiliar se denomina Burst o ráfaga de color (así mencionada en las normas).

SÍNTESIS

Resumiendo lo expuesto hasta ahora, se puede decir que el agregado de información de color a la imagen monocromática, se hizo de manera de mantener la compatibilidad con los equipos receptores de televisión pre-existentes a la mejora que significo la coloración de las imágenes.

Según predice la colorimetría, se necesitan 3 señales para definir una imagen coloreada: estas 3 señales podrían ser las correspondientes a los colores primarios, R , G y  B ; también podrían ser el brillo, el matiz y la saturación, pero el hecho que la señal Y (luminancia) se utilizaba con anterioridad a la mejora, se hizo necesario que una de las 3 señales a transmitir en TV color, fuera , precisamente , Y. Las otras 2 señales adoptadas fueron las diferencias al rojo  y al azul , R-Y  y B-Y lo que significo cumplir con la retrocompatibilidad.

Para cumplir con la compatibilidad exigida, se inserto la señal de crominancia en una porción del canal de televisión donde molestara lo menos posible (las altas frecuencias de Luminancia), consiguiéndose esto con la ayuda de una portadora de color.

A la vez, se aprovecho la característica discreta del espectro de luminancia y crominancia, para intercalar componentes del espectro, sin producir solapamientos.

La señal de luminancia es la que contiene la información de brillo de la escena, existía en televisión monocromática, y continuo existiendo en televisión color

La señal de crominancia esta compuesta por 2 señales diferencia de color, al rojo y al azul. Esta señal de 2 componentes contiene la información de color necesaria, que una vez procesada en el receptor, permite obtener las 3 componentes primarias R, G y B, y a partir de estas, la reproducción de la mayoría de los colores existentes.

El primer sistema estándar de codificación de color fue el NTSC, originario en EE.UU. en 1953. Posteriormente, en Europa se desarrollaron 2 sistemas mas, (PAL  y SECAM) con el objeto de brindar señales de televisión al  continente Europeo, pero sin las fallas inherentes del sistema americano.

Trabajo de Investigación de:

R.G. Bosco

Ing. Electrónico

Buenos Aires

Argentina

Rgbosco@hotmail.com