Resoluciones en teledifusión digital y factor de Kell

 

En 1940, Ray Davis Kell evidenció que el telespectador percibe una resolución inferior a la real. Una buena señal PAL tan sólo ofrece 400 líneas de resolución, mientras que una señal XGA ofrece 690 líneas de resolución. Las resoluciones de la televisión digital (DVB) abarcan desde 260 líneas (LDTV) a 756 líneas (HDTV).

 

En el desarrollo de la televisión en color (NTSC, PAL o SECAM) se tuvieron en cuenta la relación de aspecto (4:3), la dis­tancia de visión (6 veces la altura de la pantalla en PAL y 7 veces la altura de la pantalla en NTSC), la agudeza del ojo (aproximadamente, un minuto de grado o 0,002907 radianes) y la sensibilidad del ojo al color (el verde se percibe con ma­yor brillo que el rojo y el azul).

 

El número de Líneas (N), en función de la agudeza (A) y de la distancia de visión (D), queda expresado por la fórmula siguiente:

 

N= 1 / (A x D)

 

Si en la fórmula se introducen los valores de agudeza (0,002907 radianes) y de distancia de visión (6 en PAL y 7 en NTSC) se obtienen 572,7 líneas en PAL y 490,9 líneas en NTSC. A través de estas necesidades se desarrollaron el NTSC con 525 líneas totales y el PAL con 625 líneas to­tales.

 

Los estándares de televisión de alta definición de 1.125 y 1.250 líneas requieren distancias de visión más cortas para ver los detalles más finos. En ambos sistemas la distancia de visión es 3 veces la altura en lugar de 6 o 7.

 

 

Factor de Kell

 

 

A raíz de la aparición de la televisión digital (DTV) se ha observado la importancia del factor de Kell o relación de utilización, que evidencia que la exploración progresiva es preferible a la entrelazada. Por esta circunstancia, la industria de la teledifusión, especialmente en Estados Uni­dos, se está equipando con cámaras y sistemas para exploración progresiva. En Europa los teledifusores, aunque difundan en digital, todavía siguen anclados en el viejo y querido PAL.

 

En 1940, Ray Davis Kell de la RCA Labs colaboró con Vladimir Kosma Zworkin en el desarrollo de la televisión. Ray Davis Kell realizó investigaciones sobre la resolución subjetiva y objetiva de la imagen de televisión. A través de sus investigaciones se desprende que el telespectador visualiza una resolución subjetiva inferior a la resolución objetiva (real). La relación entre la resolución subjetiva y la resolución objetiva se conoce por factor de Kell o relación de utilización. El factor de Kell toma en consideración efectos psicovisuales, en donde el cerebro resuelve menos información de la que existe en realidad. En los sistemas de exploración entrelazada en factor de Kell es de 0,7 y en los sistemas de exploración progresiva es de 0,9. En NTSC, también conocido por 480i, se utiliza un sistema de exploración de 525 líneas totales y 480 líneas activas (las que se restituyen en pantalla), pues 45 líneas, que no son visibles, se utilizan para el borrado. Por tanto, en NTSC el espectador tan sólo percibe 336 líneas (330 líneas, redondeando).

 

En PAL, también conocido por 576i, se utiliza un sistema de exploración de 625 líneas totales y 576 líneas activas, pues 49 líneas se utilizan para el borrado, y por tanto, el espectador percibe 403,2 líneas (400 líneas redondeando). Las 400 líneas del PAL corresponden a la resolución vertical, es decir, la habilidad del sistema para definir las líneas horizontales de la imagen. Se desprende, por tanto, que el PAL ofrece una resolución de un 21,2% superior al NTSC.

 

El término resolución espacial es aplicable en fotografía, pero no en televisión o vídeo. En fotografía la resolución espacial depende del grano de la emulsión y es idéntica en todas las direcciones. En televisión debido a los barridos horizontal y vertical existen dos resoluciones: vertical (función del número de líneas del sistema) y horizontal (función del ancho de banda del sistema). En PAL, para mantener una resolución espacial idéntica tanto en sentido vertical como horizontal y teniendo en cuenta que la relación de aspecto es de 4:3, la resolución horizontal (habilidad del sistema para definir las líneas verticales de la imagen) debe ser de 533,3 líneas (530 líneas redondeando). Estas 530 líneas de resolución horizontal equivalen a la sucesión de 265 puntos blancos y 265 puntos negros a lo largo de una línea horizontal. Las 530 líneas de resolución horizontal se expresan, comúnmente, como 530 LTV (Líneas de TV). Para que el espectador perciba las 530 LTV, y tomando en consideración el tiempo activo de una línea (52,5 microse­gundos) se requiere un ancho de banda de 5 MHz. Los formatos magnéticos analógicos sobre cinta en cassette, por trabajar con una banda pasante más reducida, ofrecen menos resolución. Así, basta recordar que el VHS ofrece 240 LTV y el S-VHS y el Hi8, 380 LTV.

 

 

Resolución informática

 

 

La industria informática, a diferencia de la industria teledifusiva, se apoya en sistemas cerrados, en donde cada fabricante diseña el sistema que mejor se adapta a sus necesidades técnico-económicas. Por esta circunstancia se ha desarrollado una gran diversidad de sistemas. Además, la industria informática, que se apoya en sistemas digitales, utiliza el término resolución vertical para definir el número de líneas activas y el término resolución horizontal al número de elementos elementales o pixels por línea. En la tabla 1 se muestran las características básicas de diferentes tarjetas gráficas. Puede apreciarse que la resolución espacial, tomando en consideración la relación de aspecto, es idéntica, tanto en sentido horizontal como en vertical. Todas las imágenes informáticas son de resolución progresiva y en estas condiciones el factor de Kell es de 0,9. Por tanto, para una imagen XGA la resolución vertical que percibe el espectador es de 0,9.768, es decir, 691,2 líneas (690 líneas, redondeando). Por tanto, si este espectador la compara con una buena imagen PAL (400 líneas) aprecia una notable diferencia, ya que la imagen XGA ofrece una resolución de un 72,5% superior a la imagen PAL.

 

 

Parámetro	VGA	SVGA	XGA	XVGA
Relación de aspecto	4:3	4:3	4:3	5:4
Resolución horizontal	640	800	1.024	1.280
Resolución vertical	480	600	768	1.024
Líneas activas	480	600	768	1.024
Líneas totales por cuadro	525	666	806	1.068
FH (KHz)	37,8	48,077	56,476	76,02
FV (Hz)	72,2	72,188	56,476	71,18
Ancho de banda (MHz)	15,75	25	37,5	63,24

Figura 1.- Resoluciones horizontal y vertical de algunas tarjetas gráficas informáticas.

 

 

Resoluciones en teledifusión digital

 

 

Con la aparición de la televisión digital han aparecido nuevos términos relativos a la resolución que contribuyen a definir mejor el sistema. Así, la resolución espacial queda definida por el producto de las líneas activas por cuadro por los pixels activos por línea. Para una imagen de HDTV de 1.080 líneas activas y 1.920 pixels por línea la resolución espacial será de 2.073.600 pixels. Ahora bien, si la imagen es de exploración entrelazada la resolución espacial que percibirá el espectador, tomando en consideración un factor de Kell de 0,7, será de 1.451.520 pixels. Para una imagen de HDTV de 720 de líneas activas y 1 .280 pixels por línea, la resolución espacial será de 921.600 pixels. Si esta imagen se explora en modo progresivo la resolución que se percibirá, tomando un factor de Kell de 0,9 será de 829.440 pixels. Ello significa que la imagen de HDTV de 1.451.520 pixels ofrece una resolución espacial superior al 75% en comparación con una imagen de HDTV de 829.400 pixels. Por el momento, no existen sistemas visualizadores de HDTV para 1.451.520 pixels de precio asequible y debido a ello, esta elevada resolución tan sólo está destinada para quedar implantada en salas profesionales. Para el mercado doméstico la resolución espacial de 829.400 pixels es la más idónea, pues ya existen visualizadores de precio asequible.

 

En el cine electrónico se utiliza el formato 24P, el cual es capaz de ofrecer una resolución espacial de 1.866.240 pixels.

 

En televisión digital también hay que tomar en consideración la resolución temporal, un término que no existe ni en fotografía ni en informática, pues en ambos sistemas se visualizan imágenes estáticas, es decir, detenidas en el tiempo. La resolución temporal es la capacidad de resolver imágenes en movimiento dando una sensación de un movimiento totalmente continuo. Un estándar tiene mayor resolución temporal cuando mayor sea su frecuencia de exploración. Así por ejemplo, un estándar explorado a 25 cuadros por segundo tiene menos resolución temporal que uno de 60 cuadros por segundo.

 

Otro concepto que aparece en la televisión digital se refiere a la resolución dinámica y sirve para indicar la resolución aparente percibida por el espectador en un objeto que se mueve por la pantalla, dentro de los limites de seguimiento preciso del ojo. En otras palabras, es la capacidad de resolver los detalles espaciales de un objeto en movimiento.

 

 

Exploraciones

 

 

Gracias a la televisión digital es posible enviar imágenes de exploración progresiva. La exploración progresiva está ganando adeptos, ya que ofrece sustanciales ventajas frente a la exploración entrelazada. Las características que ofrece la exploración entrelazada se pueden resumir de la forma siguiente: tecnología ampliamente experimentada en PAL, mejor resolución espacial para un determinado ancho de banda, menor ancho de banda, presencia de artefactos con objetos inclinados, notable parpadeo entre líneas, más difícil de procesar que la exploración progresiva, diseño económico de los visualizadores de TRC (Tubo de Rayos Catódicos), no adecuada para visualizadores de nuevo diseño (plasma, LCD, D-ILA, DMD, etc.) y resolución dinámica vertical un 50% inferior a la resolución vertical en exploración progresiva.

 

Las características que ofrece la exploración progresiva se pueden resumir de la forma siguiente: compresión más eficiente que la exploración entrelazada, máximas facilidades de conversión bidireccional de la resolución (hacia arriba o hacia abajo), máximas facilidades para reducir el ruido (moscas y escalados), totalmente compatible con la nueva generación de visualizadores (plasma, LCD, D-ILA, DMD, etc.), mejor resolución vertical percibida (mejor factor de Kell) y parpadeo con velocidades de 24, 25 o 30 cuadros por se­gundo (se solventa con memorias de cuadro en los visualizadores).

 

 

Estándares digitales

 

 

En DTT (Televisión Digital Terrestre) existen, básicamente, tres estándares: ATSC de Estados Unidos, DVB-T en Europa y el ISDB-T en Japón. La ATSC desde un principio apostó por una televisión de superior calidad a la NTSC, pero utilizando para ello el ancho de banda del canal (6 MHz). En Europa se apostó por una televisión de calidad similar al PAL capaz de difundir datos (radio o Internet), y adecuada para una recepción móvil. En Japón se apuesta por la difusión jerárquica (HDTV, SDTV y datos) por el mismo canal. Por el momento, Estados Unidos es el único país del mundo que difunde en HDTV y próximamente, lo hará Australia (estándar de difusión en DVB y sonido Dolby Digital).

 

En la figura 2 se muestran las características básicas de los diferentes formatos de la ATSC. Existen tres resoluciones básicas: alta (HDTV), realzada (EDTV) y estándar (SDTV). Para HDTV existen dos posibilidades: 720P (720 líneas activas en exploración progresiva) y 1.080i (1.080 líneas activas en exploración entrelazada). El 720P es el formato que se está implantando, pues existen visualizadores de precio razonable y el progresivo ofrece mejor calidad que el entrelazado. No hay que olvidar, que en un visualizador de TRC la iluminancia es inversamente proporcional a la resolución horizontal. Debido a ello, los monitores de TRC para 1.080 líneas son de grandes dimensiones y de precio muy elevado.

 

Transmisión	Analógica	Digital	Digital	Digital	Digital
Denominación	NTSC	SDTV	EDTV	HDTV	HDTV
Resolución máxima	480i	480i	480P	720P	1.080i
Relación de aspecto	4:3	4:3	4:3 y 16:9	16:9	16:9
Capacidad del canal	1	5-6	5-6	1-2	1
Descripción	Lo que se conoce actualmente	Imagen y sonido similar al DVD	Mejor imagen, función de la fuente	Máxima calidad de imagen	Máxima calidad de imagen

 

Figura 2. Características básicas de los diferentes formatos del estándar ATSC y de la NTSC

 

En la figura 3 se muestran las resoluciones de los formatos digitales de la ATSC: SDTV (televisión de definición estándar) y HDTV.

 

Formato	Líneas de exploración	Frecuencia de exploración	Pixelación  (V x H)	Velocidad de cuadro	Relación de aspecto	Formatos
SDTV	525 total 480 activas	15.750Hz (60i)	640 x 480	24P, 30P, 60P o 60i	4:3	4
EDTV	525 total 480 activas	31.500Hz (60P)	704 x 480	24P, 30P, 60P o 60i	4:3 y 16:9	8 (4 x 2)
HDTV	750 total 720 activas	45.000Hz (60P)	1.280 x 720	24P, 30P o 60i	16:9	3
HDTV	1.125 total 1.080 activas	33.750Hz (60i)	1.920 x 1.080	24P, 30P o 60i	16:9	3

 

Figura 3. Resoluciones de los formatos digitales ATSC. La definición baja (LDTV) no se contempla en esta norma.

 

En la figura 4 se muestran las características básicas de los diferentes formatos de la DVB. Existen cuatro resoluciones básicas: HDTV, EDTV, SDTV y baja (LDTV). En la DVB se contempla la relación de aspecto de 20:9, una relación muy panorámica. La relación de 20:9 es similar a la relación 2,21:1 utilizada en el cine panorámico (70 mm). En DVB la resolución de la LDTV se apoya en la resolución del Vídeo-CD de Philips. En la figura 5 se muestran las resoluciones de los formatos digitales de la DVB.

 

 

Transmisión	Analógica	Digital	Digital	Digital	Digital	Digital
Denominación	PAL	LDTV	SDTV	EDTV	HDTV	HDTV
Resolución máxima	576i	288P	576i	576P	720P	1.080i
Relación de aspecto	4:3	4:3	4:3, 16:9 y 20:9	4:3, 16:9 y 20:9	16:9 y 20:9	16:9 y 20:9
Capacidad del canal	1	8-16	5-6	2-3	1-2	1
Descripción