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Timestamp: 2016-12-08 01:03:38+00:00

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⭐INTRODUCCION A LA TELEVISION
INTRODUCCION A LA TELEVISION
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Santiago Díaz Rubio
1 1 1 INTRODUCCION A LA TELEVISION 1.0 Introducción. Para un elevado porcentaje de la humanidad, la televisión forma parte de la vida cotidiana. Sus aplicaciones, ya sea para entretenimiento o información, o bien como herramienta en numerosas actividades, son innumerables y continúan creciendo. Abarcar todos los aspectos relacionados con la televisión sería más bien motivo de una enciclopedia que de un texto que pretende ser introductorio para el conocimiento de los sistemas de televisión. El tratamiento que se da en este texto sigue una línea tradicional en el sentido de presentar los temas que se consideran de mayor relevancia y que abarcan campos muy diversos. De hecho, el mayor énfasis es en el aspecto de vídeo, sin descartar por ello algunos temas importantes relativos al sonido. Así, los temas tratados son básicos y, en buena medida, comunes a las diversas aplicaciones de la televisión. El tratamiento matemático, en la mayoría de los casos, se ha reducido al mínimo de modo que el lector no familiarizado pueda, si no prescindir de ellos, comprenderlos al menos cualitativamente. En este capítulo se ofrece una panorámica general de los sistemas de televisión, partiendo de los aspectos más relevantes de su desarrollo histórico y su evolución hasta nuestros días. Se resumen las principales aplicaciones y se ofrece una clasificación de los sistemas según diversos criterios de aplicación. Se resumen también los principales estándardes en uso o en vías de adopción, tanto para los sistemas analógicos como para los digitales, sin entrar de momento en los detalles de las señales y tratándolas únicamente desde un punto de vista general en términos de sus características fundamentales. El objetivo que se pretende, es que el lector adquiera una visión inicial de conjunto de los sistemas de televisión antes de entrar en detalles. 1.1 El contexto de la televisión Aunque el término televisión se usa extensamente, el sentido que se le da suele ser ambiguo. Para evitar confusiones, conviene definirlo en el contexto en que aplicará en este texto y lo haremos en la forma tradicional, adecuando la definición a las condiciones actuales. Así, por televisión entenderemos aquí la generación, procesado, almacenamiento y transmisión de imágenes, generalmente en movimiento, así como del sonido asociado a ellas y de otros datos o información adicional que puede ser independiente de la imagen y sonido, como puede ser un cuadro de teletexto, información alfanumérica o gráfica relativa a la programación, etc.2 2 Conviene distinguir entre el concepto de televisión y el de vídeo. Este último se refiere únicamente a la imagen, ya sea fija o en movimiento, sin incluir el sonido u otros servicios. La incorporación de computadoras en el entorno de la televisión y el desarrollo de Internet en los últimos años, abre un inmenso abanico de posibilidades futuras en que la televisión tradicional 1, pasa a formar sólo una parte de todo el conjunto de posibles servicios accesibles al consumidor y que se designan un tanto ambiguamente como multimedia. En sus orígenes, el objetivo principal de la televisión fue la difusión de programas de entretenimiento, deportes y noticias por medios radioeléctricos y, posteriormente, a través de cable y satélite. Los estándardes en uso para los sistemas analógicos de televisión, se produjeron en su mayoría hace más de cincuenta años, dando lugar a un desarrollo técnico continuo hasta nuestros días. Estos sistemas analógicos alcanzaron una gran madurez a lo largo de más de cinco décadas y fueron encontrando aplicación en una inmensa variedad de campos. Lo que inicialmente tuvo como propósito principal el entretenimiento, se ha convertido en una herramienta indispensable en numerosas actividades científicas, médicas, industriales y domésticas. Puede afirmarse que, desde el punto de vista de la ingeniería, la televisión constituye uno de los campos más completos y atractivos de desarrollo y aplicación de la ciencia y la técnica, no sólo en los aspectos de electrónica y comunicaciones, quizá los más evidentes y con los que más se asocia a la televisión, sino en otros terrenos tan diversos que van, desde la mecánica a la fisiología. Por ejemplo, una cámara de de televisión es un dispositivo en el que se aplica microelectrónica, óptica, procesado de señal, tanto analógica como digital, principios psicofisiológicos, sistemas de control y mecánica, sólo por citar algunas de las áreas de conocimiento que intervienen en su concepción y diseño. Los conocimientos de ingeniería eléctrica, iluminación, acústica, mecánica e ingeniería civil son indispensables en el diseño de un estudio y de las instalaciones asociadas. El empleo de radioenlaces y las comunicaciones por satélite son una necesidad cotidiana. En transmisión, además de los conocimientos de teoría de información, modulación, codificación de canal, etc., es necesario aplicar conocimientos de electricidad, electrónica de potencia, control, etc. En la construcción de una torre para soporte de antenas, intervienen no sólo la mecánica y resistencia de materiales, sino factores climáticos y meteorológicos. El sonido y la vidoegrabación constituyen áreas muy amplias que requieren una gran especialización. En fin, la televisión integra una inmensa cantidad de conocimientos y actividades técnicas que difícilmente se encuentran en otros campos. En el terreno de producción de programas el panorama no es menos amplio, atractivo, ni complejo. La concepción, producción y realización de un programa requiere, según el tema, del concurso de numerosas personas con especialidades o talentos muy variados: escritores, escenógrafos, compositores, locutores, artistas, sastres, maquilladores, carpinteros, armeros, domadores, etc. Así, si se desea darle un mínimo atractivo visual, estético y de continuidad a un programa, aparentemente tan simple como la exposición de una clase, es necesario un guión previo, escenografía, decorado, maquillaje, musicalización, iluminación, etc. Este es, en cualquier caso, un campo en el que no es posible profundizar aquí. Lo importante es dejar claro el concepto de que, con excepción de aplicaciones específicas como en vigilancia, 1 Designamos aquí como televisión tradicional a la destinada a transmitir programas de entretenimiento, información, deportes, etc.3 3 observación de procesos, operaciones quirúrgicas, percepción remota por satélites o vehículos espaciales y otras similares, la televisión, en su concepto más popular, no puede realizarse con la simple colocación de una cámara frente a una persona o un escenario. Requiere de una planificación previa, tanto técnica como de realización. En el desarrollo de los sistemas de televisión, sin duda ha sido un factor importante lo que puede llamarse el modelo o concepción de sistema, totalmente diferente entre Estados Unidos y el resto del mundo, en particular Europa. El modelo estadounidense ha influenciado, aunque no completamente, el concepto de los sistemas de televisión en el continente americano y en algunos países asiáticos en que la influencia política y económica de los Estados Unidos ha sido importante, con la excepción de Japón. El modelo estadounidense se basa en el hecho de que la radiodifusión es una actividad que, aunque pública, se adjudica a empresas privadas cuyos objetivos son puramente comerciales. La única excepción en los Estados Unidos, la constituye el sistema de radiodifusión pública, PBS (Public Broadcasting System). Por ello, lo que se pretende de tales sistemas es su rentabilidad financiera, de modo que cada espectador es un consumidor potencial de la publicidad transmitida, bien sea ésta directa o subliminal. Aunque en la actualidad el modelo europeo tiende a acercarse al americano, en algunos países prevalece aún el principio de que la radiodifusión es un servicio público cuya finalidad, además de entretener e informar, es la de cumplir otras funciones sociales como el apoyo a la educación, la reafirmación de valores nacionales y la armonía en la convivencia social, aspectos cuya rentabilidad no puede medirse en términos monetarios. Según este modelo, el Estado asume la obligación de llevar a todos sus habitantes las señales de radio y televisión sin otra restricción que la de que el espectador adquiera el receptor adecuado y, en algunos casos, pague un impuesto, generalmente modesto, para contribuir al mantenimiento del servicio, como ocurre en el Reino Unido. A consecuencia de esta diferencia de concepto en los modelos de televisión, el desarrollo en Europa ha seguido líneas diferentes a las de los Estados Unidos. En la actualidad el modelo que prevalece en casi todo el mundo es el comercial. 1.2 Inicios de la televisión Resultaría extenso y, seguramente incompleto, hacer una reseña histórica de la televisión, cuyos orígenes se remontan a la últimas décadas del siglo XIX. Los intentos para transmitir imágenes a distancia por medios eléctricos se remontan a 1876, 2 el mismo que año de la invención del teléfono. En esa época se conocía ya que la resistividad del selenio variaba según la luz incidente sobre él, de modo que tan pronto como Alexander Graham Bell demostró que era posible transmitir señales complejas por medios eléctricos, un buen número de inventores comenzaron a trabajar sobre la posibilidad de ver mediante la electricidad. Algunos de los esquemas propuestos se basaban en el empleo de un mosaico de detectores de selenio, en tanto otros invocaban la exploración o barrido de imágenes con uno o más puntos de selenio. La reproducción podía realizarse, en teoría, con sistemas tan ambiguos y variables como el movimiento de un lápiz, o la acción electroquímica sobre un papel tratado adecuadamente. La técnica fundamental sobre la que se desarrollaron los sistemas prácticos desde sus inicios, se basó en la exploración o barrido de la imagen a transmitir que, para tal efecto, se considera formada por un conjunto de líneas horizontales. La imagen se explora línea a línea horizontalmente y, las líneas sucesivas, de arriba a abajo, 2 Electronics. April 7, Special Commemorative Issue.4 4 de manera semejante a la lectura de una página, como se trata con algo más de amplitud en el capítulo 4. La idea del barrido es anterior a la televisión y se remonta al pantelégrafo de Caselli alrededor de 1860 y de algunos otros que consiguieron la transmisión telegráfica de textos escritos con tinta especial, explorándolos de manera semejante al facsímil. En este caso se trata de imágenes bitonales, es decir sólo con tonos blancos o negros, a diferencia de la televisión monocromática en que lo que se transmite es una escala de grises, es decir de tonos continuos entre el negro y el blanco. En televisión es necesario disponer de un sensor optoeléctrico capaz de registrar los niveles variables de gris y no sólo los dos niveles de blanco o negro. El primer invento que tuvo consecuencias prácticas fue el telescopio eléctrico, patentado por el inventor alemán Paul Gottlieb Nipkow en 1884 y que se basaba en un disco conocido después como disco de Nipkow, que se muestra esquemáticamente en la figura 1.1, con 24 agujeros equiespaciados sobre una espiral cercana a la periferia del disco, que constituía lo que podría considerarse la cámara de televisión. La imagen a transmitir se enfocaba sobre una pequeña región en la periferia del disco, que giraba a 600 revoluciones por minuto. Según giraba el disco, la luz proyectada a través de los agujeros, exploraba secuencialmente una imagen translúcida, a lo largo de una línea y una lente, detrás de la imagen, recolectaba las muestras de luz, correspondientes a cada punto de la imagen y las enfocaba sobre una única célula de selenio, en la que se producía una corriente eléctrica proporcional a la intensidad luminosa de cada elemento de la imagen. En el extremo receptor, Nipkow propuso utilizar un modulador magneto óptico basado en el efecto Faraday, para hacer variar la intensidad luminosa de los elementos de la imagen reproducida en concordancia con los de la transmitida. Para formar la imagen era necesario un segundo disco, idéntico al primero y girando en sincronismo con él. Fig 1.1 Disco de Nipkow Nipkow no construyó físicamente el sistema, ya que la tecnología de la época no lo permitía. Sin embargo, debido a su naturaleza mecánica el disco Nipkow no funcionaba eficazmente con imágenes grandes y altas velocidades de rotación para conseguir una mejor definición. No obstante, su disco fue el modelo para varios sistemas electromecánicos de televisión desarrollados posteriormente, en particular por John Logie Baird en Inglaterra.5 5 Fig Sistema de Baird utilizando el disco de Nipkow En 1926, en Londres, Baird demostró un sistema de televisión con 30 líneas de barrido en que la generación de la imagen y su reproducción se hacían mediante discos giratorios como los ilustrados en la figura 1.2. El elemento sensor en el transmisor era una fotocelda de selenio, la señal se transmitía por un cable corto hasta el receptor y se reproducía con una lámpara de neón, produciendo una imagen borrosa de color rojo anaranjado y de tamaño algo inferior al de una tarjeta de crédito, semejante a la mostrada en la figura 1.3. Fig Imagen con barrido a 30 líneas por cuadro con el sistema de Baird. En los Estados Unidos, Alemania, Francia y Rusia, entre otros, se trabajó también con sistemas electromecánicos y fueron muchos los que contribuyeron al desarrollo de los primeros sistemas de televisión. En los Estados Unidos, en Marzo de 1922, Charles Francis Jenkins Jenkins desarrolló un sistema capaz de reproducir imágenes en movimiento y lo utilizó para transmitirlas por radio entre Washington y Philadelphia en Si bien Jenkins visualizó aplicaciones comerciales para su sistema, la gran depresión económica ocurrida a finales de la década de 1920 en Estados Unidos, llevó su empresa a la bancarrota y la RCA (Radio Corporation of America) adquirió los derechos de muchas de sus invenciones. En abril de 1925, H. E. Ives 3 y asociados de la Bell Telephone y de ATT, realizaron un sistema para transmitir imágenes fijas, de color, a través de líneas telefónicas. Con él, lograron 3 H. E. Ives, et al. The Transmission of Pictures over Telephone Lines. BTSJ. April 1925.6 6 transmitir con gran definición fotografías y textos, entre los que se encuentra la versión en japonés de un tratado entre Estados Unidos y Japón e incluso, huellas dactilares con gran detalle. Este trabajo, si bien más en el campo del facsímil que en el de televisión propiamente dicha, aplica principios utilizables en ésta y resulta sorprendente cómo, con los limitados recursos de la tecnología de la época, fue posible la transmisión de imágenes de gran definición, superior quizá a la de los primeros sistemas de televisión que empezaron a extenderse en años posteriores. En Europa, las primeras transmisiones experimentales fueron llevadas a cabo por la BBC (British Broadcasting Corporation) en 1929, utilizando un sistema debido a John L. Baird, basado en imágenes formadas por 30 líneas 4 exploradas mecánicamente. Los primeros experimentos formales en televisión se llevaron a cabo por Baird en Londres, alrededor de 1925 en forma similar a los trabajos realizados por Jenkins, excepto que Baird utilizó transmisión por cable en lugar de radioeléctrica. Pocos años después se inició un servicio regular de radiodifusión de televisión utilizando el sistema de Baird y, en 1932, se habían vendido en Inglaterra alrededor de diez mil receptores de televisión utilizando un disco de Nipkow con unas 30 líneas de resolución. Los intentos formales para transmisión al público en general se iniciaron en 1936, con el sistema de Baird, mejorado a 240 líneas y un sistema desarrollado conjuntamente por las empresas Marconi y EMI (Electrical and Musical Industries), completamente electrónico, de 405 líneas, transmitiendo en cada sistema en días alternos. Este último fue adoptado en el Reino Unido en febrero de 1937 y utilizado hasta hace pocos años en ese país. El sistema de 405 líneas se convirtió en el estándard designado como Sistema A del CCIR, en la Banda I (41 68 MHz). En 1936, se transmitieron por televisión los Juegos Olímpicos celebrados en Berlín, aunque las transmisiones fueron a distancia de unos pocos Km y sólo para muy escasos receptores. En la figura 1.4 se muestra una de las cámaras utilizadas y fabricadas por Telefunken. La cámara utilizaba como sensor de imagen un iconoscopio. Fig Cámara utilizada en los Juegos Olímpicos de Berlín en 1936 Es interesante hacer notar que Baird estaba aparentemente mas interesado en probar sus ideas que en refinarlas para utilización comercial y, como consecuencia de ello, desarrolló una actividad febril que produjo una cantidad considerable de innovaciones, entre las que cabe mencionar la transmisión de imágenes por línea telefónica entre Londres y Glasgow en 4 G. H. Hutson, P. Shepperd & W.S. J. Brice. Colour Television. System principles, engineering practice and applied technology. McGraw Hill Book Co. (UK) 1990.7 y, en 1928, por onda corta a través del Atlántico y también entre un barco y tierra en ese mismo año. Llevó a cabo la primera demostración de televisión cromática en 1928 y la transmisión simultánea de imágenes y sonido en En 1931 efectuó la primera transmisión directa de televisión de un evento público, las carreras de caballos de Epsom, y llevó a cabo transmisiones en la banda de UHF en Todos los sistemas anteriores, con excepción del Marconi EMI, se basaron en aplicaciones del disco de Nipkow y los trabajos de Baird se centraron principalmente en este tipo de sistemas de televisión electromecánicos. Sin embargo, éstos adolecen de una serie de problemas que no pudieron ser realmente superados en aquellos años como la baja resolución y el parpadeo notorio en la imagen reproducida, aunados a la complejidad de los sistemas electromecánicos necesarios en el receptor. Los sistemas totalmente electrónicos como el de Marconi EMI, permitieron resolver esos problemas y, sin menoscabo alguno del indudable mérito de Baird, constituyen la base de los sistemas actuales de televisión. 1.3 Sistemas electrónicos de televisión La descripción del primer sistema de televisión totalmente electrónico se debe a Alan Archibald Campbell Swinton, publicado la revista Nature el 18 de junio de De manera semejante a Nipkow, Campbell Swinton no llegó a una implementación práctica, pero describió sus ideas con gran detalle. Su sistema estaba basado en el tubo de rayos catódicos inventado en 1897 por Karl Ferdinand Braun en Estrasburgo. Campbell Swinton propuso utilizar los tubos de rayos catódicos tanto en el transmisor como en el receptor, reconociendo que el problema principal era visualizar un transmisor eficiente que, bajo la influencia de luz y sombra, pudiera variar suficientemente la corriente eléctrica transmitida de modo que pudiera producir las variaciones necesarias en la intensidad del haz electrónico en el tubo de rayos catódicos del receptor. Boris Rosing, en el Instituto Tecnológico de S. Petersburgo en 1907, estuvo más cerca de la realidad. Desarrolló un sistema que realizaba la exploración de la imagen mediante un disco de Nipkow en el transmisor y un tubo de rayos catódicos de Braun en el receptor. La Revolución Bolchevique acabó con su trabajo, pero motivó a uno de sus discípulos, el físico Vladimir Kosma Zworykin, emigrado a los Estados Unidos en 1919, a continuar el trabajo y, primero en la empresa Westinghouse y luego en la RCA (Radio Corporation of America), fue una de las personas que, probablemente, más hayan contribuído al desarrollo de la televisión, gracias en parte al patrocinio que le brindó David Sarnoff, entonces en la RCA. En 1923, Zworykin solicitó la patente de sus ideas que, posteriormente, constituirían la base de los sistemas modernos de televisión. En 1924 demostró un receptor de televisión con un tubo de rayos catódicos de 7 pulgadas, con deflexión electrostática y electromagnética del haz electrónico. En el mismo año, demostró también un dispositivo electrónico que constituyó una revolución en el campo de la televisión: el iconoscopio (figura 1.5), con el que era posible la exploración electrónica de la imagen para su transmisión. En 1925, solicitó la patente de un sistema de televisión en color totalmente electrónico.8 INTRODUCCION A LA TELEVISION 8 Anillos Colectores Soporte del Mosaico Placa de Señal Mosaico Yugo Magnético Lente Cátodo Filamento Primer Ánodo Fig Iconoscopio de Zworykin. En 1929 y, trabajando independientemente, Philo Taylor Farnsworth demostró un sistema de televisión completamente electrónico utilizando un tubo de rayos catódicos con deflexión electromagnética para la reproducción de la imagen. Anteriormente, en 1927, había desarrollado una cámara electrónica, utilizando un tubo de cámara diseñado por él, el disector de imagen, que posteriormente encontró aplicaciones en cámaras fijas adosadas a proyectores de películas y algunos de cuyos principios como el de multiplicación electrónica fueron incorporados por Zworikyn en el iconoscopio de imagen y en el orthicón. En 1931 se incorporó a la empresa Philco donde continuó sus investigaciones. Farnsworth fue sin duda, junto a Zworykin uno de los grandes pioneros de la televisión electrónica, si bien con mucho menos apoyo que éste. En los Estados Unidos, la NBC (National Broadcasting Corporation), inició en 1939 transmisiones regulares en las poblaciones de Nueva York, Schenectady y Los Angeles, con la emisión de dos programas de una hora por semana. El sistema empleado fue el de la RMA (Radio Manufacturers Association), con 441 líneas, que evolucionaría posteriormente a 525 líneas por cuadro, con barrido entrelazado y 30 cuadros por segundo. En la figura 1.4 se muestra una de las cámaras utilizadas en la inauguración de la Feria Mundial de Nueva York en Esta cámara fue fabricada por RCA y utilizaba también el iconoscopio de Zworykin. El conferenciante de la fotografía es David Sarnoff vicepresidente entonces de la compañía RCA Victor, en el discurso que pronuncio El nacimiento de una industria predijo que la televisión llegaría a ser el medio más importante de información y entretenimiento.9 9 Fig Cámara utilizada en Estados Unidos en 1939 en la conferencia de David Sarnoff en la Feria Mundial de Nueva York. La evolución en Europa siguió caminos similares, dando lugar a diferentes sistemas y, en los años que siguieron a la Segunda Guerra Mundial la televisión fue alcanzando madurez técnica, sobre todo en los Estados Unidos, gracias a las innovaciones en los diferentes dispositivos y circuitos electrónicos que hicieron posible la generación y transmisión de imágenes de gran calidad. A finales de la década de los cuarenta, eran ya numerosos los países en que las transmisiones de televisión se realizaban en forma regular. La British Broadcasting Corporation (BBC) inició transmisiones regulares de imágenes fijas con 30 líneas por cuadro en 1928 y, en 1936, con imágenes en movimiento utilizando dos sistemas en días alternos, uno el electromecánico de Baird, mejorado a una resolución de 240 líneas y otro, completamente electrónico de las empresas EMI y Marconi con resolución de 405 líneas. En 1937 este último, designado entonces como de alta resolución fue adoptado como estándardd en el Reino Unido. En los Estados Unidos, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) autorizó las transmisiones comerciales el 1 de julio de 1941, aunque como ya se mencionó, se venía transmitiendo desde hacía años de manera regular. En los años siguientes la televisión tuvo un período de hibernación a causa de la guerra y los experimentos en este campo se redujeron considerablemente. En 1942 se entrenó a unos vigilantes de incursiones aéreas, mediante una red de televisión y fue una de las raras ocasiones en que este medio de comunicación se utilizó en el contexto de la segunda guerra mundial. Una aplicación militar de la televisión en la segunda guerra mundial fue para la dirección de bombas, mediante una cámara adosada a la parte inferior de la bomba, que no tenía propulsión propia, pero si podía planear, la imagen recogida por la cámara era transmitida al avión de bombardeo y se controlaba el vuelo del planeador por radio, la bomba y el sistema de visualización y control se muestran en la figura 1.5.10 10 Fig Sistema de televisión para bombardeo aéreo Las cámaras utilizadas para estos fines utilizaban iconoscopios y algunas, disectores de imagen y podían considerarse compactas para la tecnología de la época. Hay que tener en cuenta que en los años de la segunda guerra mundial, el transistor aún no se había inventado y toda la electrónica se basaba en válvulas de vacío, como se ilustra en la figura 1.6 en que se aprecia el iconoscopio a la izquierda y la electrónica con válvulas en la parte restante. Fig Cámara utilizada para bombardeos aéreos en la segunda guerra mundial Si bien la tecnología de las cámaras no evolucionó de manera importante en esa época, uno de los campos relacionados con la televisión, el de los tubos de rayos catódicos, recibió un fuerte impulso, en buena medida porque estos dispositivos se utilizan en radar, sonar, loran 5 y localizadores de dirección por radio, así como en osciloscopios, instrumento indispensable de medida en electrónica y comunicaciones. Aún así, los tubos sensores de imagen continuaron evolucionando y, en 1945, la RCA introdujo el orthicón de imagen, que se muestra en la figura 1.5, y que también fue inventado por Zworykin 6. Este tubo constituyó el avance más notable en la tecnología de cámaras de televisión, ya que su sensibilidad es tal que es capaz de producir una señal en cualquier condición de luz que resulte aceptable para el ojo humano; a modo de ejemplo, el orthicón ha llegado a producir señales válidas de televisión en escenas iluminadas únicamente por velas. Otra ventaja de este tubo, respecto al iconoscopio fue la de utilizar un área sensora (fotocátodo) relativamente pequeña, de unos 5 cm de diagonal, lo que en su época permitió reducir algo el tamaño y peso de las cámaras. El orthicón está formado por un mosaico plano de cristal en uno de sus extremos. La cara interna de dicho mosaico está recubierta por una capa de un compuesto alcalino metálico la cual constituye una superficie fotoeléctrica.. La emisión de electrones por parte de la capa se somete a aceleración y mediante un campo magnético intenso se enfoca sobre un cristal de 5 Loran: Long Rage Navigation o navegación a largas distancias. 6 Para un tratamiento amplio y detallado de la estructura y funcionamiento del orthicón de imagen, puede consultarse el texto del propio Zworykin: Television, 2nd Edition. V.K. Zworykin and G.A. Morton. John Wiley & Sons, Inc. New York, 1954.11 11 muy baja conductividad, llamado placa acumuladora. Frente de la placa hay una rejilla metálica con un mallado de unos orificios por centímetro cuadrado. En la parte posterior de la placa, existe un cilindro metálico que recubre la parte interior del tubo y constituye el elemento de desaceleración. Finalmente, por detrás del anillo hay una capa en el cuello del tubo que actúa de ánodo. Al final del tubo hay un cañón de electrones y una estructura denominada multiplicador de electrones. Fig Orthicón de imagen Tanto el iconoscopio como el orthicón son tubos de tipo fotoemisivo y, aunque este último ofrece considerables ventajas en lo que respecta a la calidad de imagen, su tamaño es grande y no es adecuado para cámaras portátiles. Además del orthicón de imagen, el disector de imagen inventado por Farnsworth y de menores dimensiones que aquél, resultó ser un tubo de cámara de excelentes características, capaz de generar imágenes de calidad similar al orthicón. En la figura 1.8 se ilustran dos tipos de disector, a la izquierda, de los primeros modelos y a la derecha, uno de diseño más moderno. Fig Disectores de imagen La razón principal por la que prevaleció el orthicón, en tanto que el disector se utilizó muy poco a pesar de sus buenas características no es precisamente técnica. Zworykin tenía todo el apoyo financiero de David Sarnoff, vicepresidente entonces de la RCA, empresa preponderante en la industria de radio y televisión, en tanto que Farnsworth no consiguió contar con apoyos similares y no consiguió comercializar el disector en la misma escala. En la actualidad aún se mantiene la controversia de si el verdadero padre de la televisión electrónica fue Farnsworth y no Zworykin, que incluso incorporó o, quizá, se apropió de12 12 algunas de las ideas de Farnsworth en sus inventos. En cualquier caso, no se puede negar el mérito de ambos en el desarrollo de la televisión electrónica. También en la década de 1940 se desarrollaron tubos de tipo fotoconductivo, el principal de ellos el vidicón, de tamaño bastante menor que el orthicón y del que se muestran dos tipos en la figura 1.9. Fig Dos tipos de vidicón El vidicón, del que se desarrollaron numerosas variantes sobre todo para cámaras de color en la década de 1960 y posteriores, contiene una placa fotosensible 7 y un cañón electrónico que genera un haz de electrones para barrer la placa punto a punto. La placa fotosensible está formada por un alineamiento bidimensional de fotodiodos de silicio, con un cátodo común y ánodos aislados. La incidencia de luz sobre la placa produce pares electrón hueco que, por recombinación da lugar a disminución de la carga superficial. El haz electrónico, enfocado sobre la placa y barriéndola punto a punto, deposita una cantidad suficiente de electrones sobre la placa para compensar la carga que se ha perdido desde el barrido anterior en cada punto. Esta carga es mayor en las zonas iluminadas de la placa que en las oscuras. El desplazamiento de la carga, que es igual a la carga depositada por el haz, produce la señal de vídeo en la entrada del amplificador acoplado al tubo. El vidicón, inicialmente, no producía imágenes de la misma calidad que el orthicón, ya que requería más luz que éste para producir imágenes de cierta calidad, por ello, al principio se utilizó principalmente en telecines 8 (figura 1.10). Típicamente la película utilizada en los telecines de las décadas de los cincuenta y sesenta era de 16 mm, si bien luego se utilizó extensamente la de 35 mm y, eventualmente, de 70 mm. En la actualidad el telecine se utiliza principalmente para grabación de películas en medios magnéticos u ópticos para su transmisión o comercialización posterior. 7 En los tubos de cámara esta placa fotosensible suele designarse con el término en inglés target 8 El telecine consiste de una cámara de televisión sobre la que se proyecta la imagen de un proyector cinemátográfico, concentrada sobre la pequeña área de la placa fotosensible del tubo de cámara. La intensidad luminosa es considerable y, en esas condiciones, el vidicón resultaba más que adecuado.13 13 Fig Telecines típicos de los años Estándardes Los sistemas iniciales de televisión, en particular los electromecánicos, no obedecieron ningún estándardd determinado, si bien todos se basaron en el mismo principio de barrido o exploración de la imagen línea a linea, de izquierda a derecha y de arriba a abajo, de forma similar a como se lee un texto. Las primeras imágenes estaban formadas por cuadros de 30 líneas (véase figura 1.3), de modo que su calidad era muy baja. Ya del cine se había aprendido que para reproducir imágenes en movimiento es necesaria una secuencia continua de cuadros, proyectada con rapidez suficiente como para que no produzca parpadeo y de al espectador una sensación de continuidad. En los inicios del cine se proyectaban 16 cuadros por segundo, lo que producía un parpadeo desagradable, posteriormente se aumentó a 24 cuadros y, aunque el parpadeo resultaba notorio, era algo más aceptable. Hay que notar que en un proyector de cine la película no se mueve de forma continua, sino a saltos, de modo que cada cuadro se para unos instantes frente a la lámpara del proyector y se proyecta la imagen completa sobre la pantalla, de ahí que las películas tengan perforaciones en las orillas en las que penetra una rueda dentada que proporciona ese movimiento discreto o a saltos. En televisión no se puede transmitir la imagen completa de un cuadro, sino que es necesario transmitir secuencialmente uno a uno cada elemento de imagen que compone el cuadro. Esto es una complicación importante respecto al cine. Volviendo al parpadeo de la imagen, en el cine esto se resolvió proyectando cada cuadro dos veces sin aumentar la velocidad de la película. Para ello se introdujo un obturador en forma de dos brazos de una cruz de Malta que gira frente a la lámpara obstruyendo la luz y dejándola pasar dos veces hacia la pantalla mientras la película está parada. Esto da la sensación de que se proyectan el doble de cuadros y se reduce el parpadeo. El número de líneas tiene que ver con la resolución de la imagen. Si el número de líneas es pequeño, el ojo no ve la imagen continua sino en franjas. Esto se aprecia en las imágenes de la figura 1.11, producidas con los primeros sistemas electromecánicos de televisión. Los primeros sistemas desarrollados por Baird tenían una resolución de 30 líneas que aún para imágenes muy pequeñas apenas puede resultar aceptable. El barrido a 48 líneas es algo mejor pero todavía la imagen es muy deficiente. El barrido a 150 líneas da lugar a una imagen razonablemente aceptable si es de dimensiones relativamente reducidas.14 14 (a) (b) (c) Fig Imágenes con barrido a 30 lineas por cuadro (a), 48 líneas (b) y 150 líneas (c). En el Reino Unido se adoptó como estándardd el sistema electrónico de 405 líneas por cuadro en 1937 y fue, de hecho el primer estándardd de este tipo en el mundo. En los Estados Unidos se experimentó con diferentes números de líneas y finalmente se adoptó como estándardd el de 525 líneas por cuadro. Ambos sistemas, el británico y el estadounidense producían imágenes de calidad completamente aceptable. Ya se mencionó que en el cine problema de parpadeo se resolvió proyectando 24 cuadros por segundo. En realidad 24 2 con el obturador en forma de cruz de Malta. Esta técnica no puede aplicarse a las imágenes de televisión. El número de cuadros por segundo adoptado en televisión estuvo sin duda influido por el cine, pero también en buena medida por la frecuencia de la línea de suministro de energía eléctrica, 60 Hz en los Estados Unidos y 50 Hz en Europa. El número de líneas por cuadro y de cuadros por segundo está directamente relacionado con el ancho de banda requerido para transmitir las imágenes. Cuanto mayor sea el número de líneas o el de cuadros, mayor será el ancho de banda necesario. El ancho de banda de una señal de televisión explorada a 525 líneas y 60 cuadros por segundo, o a 625 lineas y 25 cuadros, es del orden de unos 10 MHz, que si se transmite por radio, modulada en amplitud, ocuparía una banda de 20 MHz. Tomando un poco la idea del cine, Ulises Sanabria, estadounidense de ascendencia española, inventó el sistema de barrido entrelazado, de modo que cada cuadro se divide en dos campos, uno formado por las líneas pares y otro por las impares, de modo que la señal se genera a la mitad de la frecuencia de la línea de suministro de energía eléctrica, 30 cuadros/seg en los Estados Unidos y 25 cuadros/seg en Europa. Si los cuadros completos se transmitieran a esta frecuencia el parpadeo, aunque ligero, sería apreciable. Al generar dos campos por cada cuadro, cada uno con la mitad de las líneas, se explota una característica perceptual de la visión que actúa, en estas condiciones integrando la información de los dos campos en la imagen de un cuadro completo. De hecho esta es una forma de compresión de información, elemento fundamental en la televisión digital. Evidentemente, la idea de Sanabria fue empírica, muy ingeniosa, como muchas otras en el desarrollo de la televisión y gracias a ella fue posible hacer factible la transmisión con un ancho de banda razonable. En resumen, los estándardes de barrido adoptados fueron de 405 líneas/cuadro y 25 cuadros/seg, utilizado sólo en el Reino Unido hasta los años ochenta del siglo XX, 525 líneas/cuadro, 30 cuadros/seg y ancho de banda de la señal de vídeo de 4.2 MHz, en los Estados Unidos y otros países que adoptaron este sistema y 625 líneas/cuadro, 25 cuadros/seg y ancho de banda de vídeo de 5.2 MHz, adoptado en Europa y la mayor parte de los países del mundo. En Francia estuvo en uso durante algunos años un sistema monocromático de 819 líneas con un ancho de banda de vídeo cercano a los 10 MHz, pero dejó de usarse a principios de los años sesenta, ya que por una parte consumía un ancho de15 15 banda excesivo para transmisión y, por otra parte, la calidad de la señal no era apreciablemente mejor que la de los sistemas de 525 o 625 líneas. Actualmente sólo dos sistemas prevalecen, el de 625 líneas, 25 cuadros y el de 525 líneas 30 cuadros. En todos los casos anteriores la relación entre la anchura y la altura de la imagen, designada como relación de aspecto es de 4 a 3, es decir cuatro unidades de ancho por tres de alto. Estas dimensiones también son herencia de las imágenes cinematográficas. También en todos los casos el barrido es entrelazado. No deben confundirse los estándardes de barrido con los estándardes de color, NTSC, PAL y SECAM que pueden utilizarse con cualquiera de los sistemas de barrido, excepto con el de 405 líneas en que, en principio, sólo pueden transmitirse señales monocromáticas. Por otra parte, los estándardes de barrido mencionados antes son los aceptados mundialmente para televisión y, en general, son diferentes a los utilizados en monitores de computadoras. En este terreno no se puede hablar de estándardes universales. Se trata de estándardes de facto (de hecho) y fueron originados por los diversos fabricantes de computadoras, ya que en este caso en algunas aplicaciones como el manejo de gráficos, se requiere mayor resolución que la que proporcionan los estándardes de televisión, lo que redunda en mayor número de líneas de barrido y frecuencias de cuadro mayores. También en el caso de computadoras se suele utilizar el barrido progresivo en lugar de entrelazado, es decir se exploran las líneas sucesivamente y no de forma alternada en dos campos. La razón para que la frecuencia de cuadro esté relacionada directamente con la de suministro eléctrico es que tanto aquélla como la de línea deben ser sumamente precisas, ya que cualquier variación daría como resultado la pérdida de sincronismo de la imagen y, por tanto, su destrucción. En la época del desarrollo de los sistemas electrónicos de televisión la tecnología no estaba tan avanzada como ahora y eran necesarios osciladores de gran estabilidad, que aumentaban el precio de los receptores. Puesto que la frecuencia de la línea de suministro eléctrico es sumamente estable, una opción razonable fue la de enganchar la frecuencia de cuadro, o mejor dicho, la de campo, a la de la línea de energía. 1.5 Sistemas monocromáticos y de color Hasta mediados de la década de 1950 los sistemas de televisión fueron monocromáticos, si bien en los años posteriores al término de la segunda guerra mundial y, principalmente en los Estados Unidos, se trabajó sobre la posibilidad de transmitir imágenes en color. Para era esencial que los sistemas de color fueran totalmente compatibles con los sistemas monocromáticos, es decir, los receptores monocromáticos debían poder reproducir, en blanco y negro, las señales transmitidas en color y, de la misma forma, los receptores de color, debían poder reproducir las señales monocromáticas. Se desarrollaron varios sistemas, cuyo detalle no analizaremos aquí y finalmente, el 17 de diciembre de 1953 se aprobó por la Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos el sistema designado como NTSC 9 y se autorizó su funcionamiento comercial el 23 de enero de Fue adoptado luego por Canadá, Japón, México y posteriormente por la mayor parte de los países americanos con excepción de Argentina, Brasil y las colonias francesas y holandesas en América. Estos temas se tratan con mayor amplitud en el capítulo 4. Entre 1953 y 1967 se desarrollaron en 9 National Television Standards Committee16 16 Europa dos sistemas de televisión en color que, aunque basados en los mismos principios del sistema NTSC, presentaban algunas variantes Fig Cámaras típicas de las décadas de 1950 y 1960 En la década de aún no se disponía de medios para grabar la señal de televisión ni tampoco de cámaras portátiles de televisión, cosa que hoy nos parece de lo más normal. Las cámaras de televisión, en su mayoría eran monocromáticas, utilizaban orticones de imagen y tecnología de válvulas electrónicas, por lo que eran de dimensiones considerables y, dependiendo del modelo fácilmente podían pesar de 40 a 60 kg, como se aprecia en la figura Las cámaras de televisión requieren de tres tubos o sensores de imagen. Las primeras utilizaban tres orthicones y llegaban a pesar cerca de 100 kg. Como se aprecia en la figura Fig Una de las primeras cámaras de color, la RCA TK41 En las imágenes anteriores puede verse que en las cámaras se utilizaba una torreta con cuatro lentes diferentes. Dichas lentes, todas de longitud focal fija se utilizaban para diversos acercamientos de la escena, entre ellos generalmente se tenía un gran angular, un telefoto y otros dos de longitudes focales intermedias. La lente en uso enfocaba la imagen sobre el fotocátodo del tubo de imagen en el interior de la cámara. Las lentes se colocaban en posición17 17 mediante una palanca operada por el camarógrafo en la parte posterior de la cámara bien fuera manualmente como en la cámara de la derecha o mediante un motor accionado por in conmutador como en la cámara de la izquierda. A mediados de la década de los sesenta comenzó a extenderse el uso de lentes de longitud focal variable conocidos como zoomar o zoom, hoy incorporados en prácticamente todas las cámaras de televisión y la mayoría de las cámaras fotográficas. En la fig 1.14 se ilustra una cámara monocromática con lente zoomar de finales de los años 50 y, en la figura 1.15, se ilustran tres tipos de lentes zoomar, en (a) uno de los primitivos, en (b), un zoomar para cámara de estudio y en (c) uno utilizado comunmente en cámaras portátiles. Fig Cámara con lente zoomar de finales de los años 50 (a) (b) (c) Fig Tres tipos de lentes zoomar. (a) De los años cincuenta del siglo XX. (b) y (c) Lentes zoomar usados en cámaras actuales. La tecnología de cámaras de televisión fue evolucionando hacia el empleo de tubos de cámara de menores dimensiones basados en el principio de fotoconductividad, a diferencia del orthicón y del iconoscopio que son tubos fotoemisivos. Este tipo de tubos se desarrollaron también en la década de 1940 y se emplearon inicialmente en las cámaras adosadas a proyectores de película o telecine. El primer tubo del tipo fotoconductivo que se desarrolló para uso amplio en televisión fue el vidicón, de tamaño bastante menor que el orthicón y que se ilustra en la figura 1.9.18 18 Al vidicón le siguieron otros tubos similares, entre los que puede mencionarse el saticón y, en la década de los sesenta y principalmente para cámaras de color, se desarrollaron el plumbicón (fig. 1.16), leddicón, chalnicón, etc., todos ellos basados en los mismos principios físicos, pero con diferentes materiales fotosensibles y distintas respuestas espectrales. Fig Plumbicón En el caso de estos tubos de cámara, la imagen se proyecta sobre un mosaico o target fotoconductor en forma de una placa muy delgada y constituido por una capa fina de material fotoconductor, de conductividad variable y directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente. Este material fotoconductor se deposita sobre un electrodo transparente que actúa como la placa de señal y está cargado positivamente con respecto al cátodo emisor del haz electrónico. Este haz, al barrer secuencialmente la superficie del mosaico, deposita una cantidad suficiente de electrones sobre éste para compensar la carga en cada punto, que es mayor en las zonas más iluminadas y menor en las oscuras. La cantidad de carga depositada por el haz electrónico da lugar a una corriente de señal que, en cada instante, será proporcional a la intensidad de luz incidente sobre cada punto del target. En las últimas décadas del siglo XX los avances en los dispositivos de estado sólido han sido considerables y, en la actualidad, prácticamente todas las cámaras de televisión utilizan este tipo de sensores de los que, el más común está constituido por matrices de dispositivos acoplados por carga (CCD 10 ), inventados en El principio de funcionamiento de estos dispositivos es completamente diferente al de los tubos de cámara, si bien la señal que entregan, al igual que los tubos de cámara es analógica. En la figura 1.17(a) se muestra un sensor CCD de alta resolución y, en la 1.17(b), un sensor de línea del tipo usado en máquinas de facsímil (fax) y escáneres. Fig. 1.17(a) Sensor CCD de alta resolución 10 Charge Coupled Device.19 19 Fig. 1.17(b). Sensor CCD de línea. El empleo de dispositivos acoplados por carga permitió grandes avances en el desarrollo de las cámaras, reduciendo considerablemente su tamaño y peso. Las primeras cámaras verdaderamente portátiles comenzaron a aparecer en el mercado a mediados de la década , como la que se ilustra en la figura Fig Cámara profesional portátil con CCD. (Foto cortesia de Ikegami Electronics) 1.6. Generación y procesado de la señal de TV. La señal de televisión está constituida, en general y en su forma más simple, por la señal de vídeo y la del audio asociado. Estas señales son eléctricamente independientes y se generan de forma diferente, si bien deben guardar una relación precisa entre sí. Cuando en la televisión se reproduce una escena del mundo real, para la generación de la señal de vídeo se emplea una cámara, que mediante un transductor opto eléctrico, convierte la luz de la escena en una señal eléctrica. Si la escena ha sido previamente filmada en película, ésta se proyecta también sobre una cámara (telecine) de características similares. La señal eléctrica resultante puede manejarse en el dominio analógico o en el digital y sufrir diversos procesos antes de su transmisión en tiempo real, o bien puede ser almacenada en medios magnéticos (cinta o disco) u ópticos (videodisco), para su procesado y transmisión posteriores. Otra forma de generar señales de vídeo es por medios puramente electrónicos, en cuyo caso se tienen imágenes artificiales o sintéticas, de las que el ejemplo más común son los videojuegos y los20 20 dibujos animados. Así, las fuentes de señal de vídeo pueden ser cámaras, magnetoscopios 11, discos magnéticos u ópticos, computadoras, etc. La señal de audio o sonido se genera de forma independiente a la de vídeo y dicha generación puede ser simultánea, como en el caso de una escena real o una película, o bien el audio puede insertarse posteriormente mediante un proceso de edición o postproducción, como ocurre con frecuencia cuando se agrega música o efectos sonoros a materiales visuales previamente grabados. Es importante enfatizar que, tanto la señal de vídeo como la de audio en su forma original, son analógicas y, en los sistemas digitales requieren ser convertidas a señales digitales. En los capítulos 4 y 5 se tratan con mayor detalle las características de ambos tipos de señal. El conocimiento de la señal analógica de vídeo, independientemente de que los sistemas analógicos se empleen cada vez menos, es fundamental para comprender adecuadamente los procesos a que se somete la señal de vídeo en el dominio digital. En la realización de un programa de televisión o en un sistema de circuito cerrado, se utiliza generalmente más de una cámara y de una fuente sonora, por lo que es necesario mezclar las señales y, con frecuencia, agregar efectos especiales tanto visuales como audibles, para lo que se utilizan mezcladores 12. Además es necesario sincronizar y distribuir las señales en el entorno del estudio 13 o centro de producción, así como efectuar las correcciones necesarias para mantener la calidad adecuada de las señales y visualizarlas en múltiples lugares mediante monitores, tanto de vídeo como de forma de onda y de audio. Las señales de los diferentes estudios deben también encaminarse adecuadamente, bien sea para su grabación o transmisión. En la figura 1.19 se muestra esquemáticamente, y muy simplificada, la porción del sistema correspondiente a la generación de la señal de vídeo. 11 También es frecuente el término máquina de videotape. 12 Al mezclador de audio se le designa a veces en el medio televisivo como mesa de mezclas y al de vídeo como switcher, generador de efectos especiales o SEG, de las iniciales en inglés de Special Effects Generator. 13 En estas notas se emplea el término estudio, en lugar de plató, con el que a veces se designa en España y que es poco frecuente en otros paises de habla española. El vocablo set, designa generalmente la porción del estudio en que se monta la escenografía para un programa. Así, en un estudio pueden estar montados varios sets simultáneamente. Mostrar más
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