Tema 2: La Cámara. Unidad Electrónica - PDF

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image sensors video technology optical-electrical transduction

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This document is a lecture or study guide on image sensors, focusing on optic-electrical transduction and the role of materials like CCD and CMOS. It is potentially part of a course on media technology at the University of Seville.

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T.2-MAVIS.pdf veronica_rdrgz Tecnología de los Medios Audiovisuales 2º Grado en Publicidad y Relaciones Públicas Facultad de Comunicación Universidad de Sevilla Reservados todos los derechos. No se permite la expl...

T.2-MAVIS.pdf veronica_rdrgz Tecnología de los Medios Audiovisuales 2º Grado en Publicidad y Relaciones Públicas Facultad de Comunicación Universidad de Sevilla Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10255436 T.2 La cámara. Unidad electrónica 1. TRANSDUCCIÓN ÓPTICO-ELÉCTRICA Materiales fotoquímicos Materiales fotoeléctricos Los materiales fotoquímicos son utilizados por Los materiales fotoeléctricos son utilizados la fotografía y el cine convencional. por la televisión, vídeo, fotografía digital y Utiliza determinados compuestos como las cine digital. sales de plata, que se oscurecen según la Determinados materiales (silicio y selenio) cantidad de luz que reciben y se aprovechan cambian sus propiedades eléctricas cuando para fijar la imagen de forma permanente. reciben luz y, además, lo hacen de forma Procedimiento negativo/positivo para copias proporcional a la luz recibida. múltiples. Los materiales fotoeléctricos pueden ser: A la derecha de la imagen tenemos un negativo ↳ Fotoemisores obtenido en el interior de la cámara (en el plano ↳ Fotoconductores focal) al exponer el material fotoquímico a la luz durante una breve fracción de tiempo. Además, en este los valores tonales están invertidos, es decir, donde llega mucha luz, se oscurece y viceversa. En cambio, a la izquierda tenemos el proceso de revelado, a partir del negativo obtenemos un positivo, es decir, una imagen con las tonalidades similares a la escena fotografiada. Un transductor es aquello que convierte una forma de energía en otra forma de energía. Un sensor de imagen es un dispositivo que convierte la luz (la imagen óptica) en electricidad (señal vídeo), siendo pues un transductor óptico-eléctrico. Por extensión, decimos de la cámara de vídeo o de la cámara fotográfica digital que son un transductor óptico-eléctrico, pero el verdadero transductor es el sensor de imagen. La señal vídeo la llevamos a un dispositivo (por ejemplo un televisor o un monitor) capaz de proporcionar una imagen a partir de la información eléctrica de la señal vídeo. Estos dispositivos son pues transductores eléctrico-ópticos. 2. SENSORES DE IMAGEN El sensor de imagen recoge la luz y la transforma en electricidad, y los más utilizados en la imagen digital son el CCD (Charge Coupled Device, dispositivo de doble carga) y el CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, semiconductor complementario de metal-óxido). Ambos sensores son de silicio enriquecido con otros compuestos, y tienen una gran cantidad de diminutos fotorreceptores ordenados en filas y columnas. Cada uno de los fotorreceptores, al recibir luz, cambia sus propiedades eléctricas de forma proporcional a la luz recibida. Se suele emplear el término fotorreceptores, pero es también es común hablar de fotodiodos, fotositos o receptores fotónicos. 2.1 CCD (Charge Coupled Device) El CCD es un transductor óptico-eléctrico, un circuito electrónico de pequeñas dimensiones que contiene un gran número de fotorreceptores (o fotodiodos) colocados ordenadamente en filas y columnas (distribución en forma de matriz). Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10255436 Al proyectar la imagen sobre el CCD, cada fotorreceptor genera actividad eléctrica en función de la luz recibida, es decir, los fotorreceptores reciben fotones y emiten electrones. Imaginemos que los fotorreceptores están en “reposo” (sin emitir electrones). Seguidamente se proyecta la imagen captada por el objetivo sobre el CCD (se abre el obturador un breve instante, marcado por la velocidad de obturación seleccionada, y se vuelve a cerrar). Los fotorreceptores liberan un cierto número de electrones en cantidad proporcional a la intensidad luminosa que ha recibido cada uno de ellos en el instante en que el obturador estuvo abierto. Las zonas más luminosas de la imagen, por su gran carga de fotones, provocarán una fuerte emisión de electrones en los fotorreceptores correspondientes, mientras que las zonas menos iluminadas de Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. la imagen, con poca carga de fotones, provocarán escasa actividad eléctrica en los fotorreceptores correspondientes y, por tanto, menor emisión de electrones. Todos estos electrones se van transfiriendo ordenadamente hacia un punto de salida y conforman la señal vídeo de un frame, y cuando se ha descargado la totalidad de electrones que la imagen ha desencadenado, los fotorreceptores vuelven a la posición de “reposo”. Se abre de nuevo el obturador, se proyecta una nueva imagen en el CCD, y se inicia una nueva conversión de fotones de luz en electrones hasta completar un nuevo frame. Así, frame a frame, 25 frames por segundo, se va generando la señal vídeo, que se digitaliza y se almacena en un archivo de imagen. 2.2 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) El CMOS o semiconductor complementario de metal-óxido, es un sensor similar al CCD, está formado por una matriz de fotorreceptores. La carga eléctrica almacenada en cada fotorreceptor dependerá en todo momento de la cantidad de luz que incide sobre él (+ luz, +carga). La diferencia fundamental con el CCD es que cada fotorreceptor del CMOS realiza la descarga de sus electrones individualmente y, además, cada fotorreceptor digitaliza esta descarga eléctrica. Estas acciones se efectúan dentro del propio CMOS sin necesidad de circuitos externos. El CMOS consigue reducir costes y permite equipos más pequeños al reducir chips (incluido en teléfonos móviles, ordenadores, tabletas…). También tiene menor consumo de energía (posibilita mayor autonomía de los dispositivos que funcionan con baterías) e integra mayor número de fotorreceptores que el CCD 2.3 Resolución y tamaño del sensor La calidad de imagen se relaciona con la cantidad de puntos sensibles a la luz con que cuenta el sensor → cuanto más fotorreceptores tenga el sensor, mayor resolución. La mínima calidad en televisión profesional (SD) requiere sensores de aproximadamente 330.000 fotorreceptores, y en HD de poco más de 2 millones. Muchas cámaras domésticas y semi-profesionales no tienen ese número de fotorreceptores, lo que hacen es “interpolar” (calcular electrónicamente un número de líneas que no tiene el sensor). A esto se le denomina resolución aparente. El tamaño del sensor y el nº de fotorreceptores no son los únicos factores que intervienen en la calidad de la imagen. Los circuitos de procesamiento de la señal son también fundamentales Tamaño del sensor Los sensores hacia los que parece tender la industria del vídeo profesional de alta definición son los Full Frame (Fotograma Completo), con medidas similares al formato estándar de 35 mm de fotografía (área sensible de 36 x 24). Plan Turbo - Eliminar los vídeos + 10 descargas sin publicidad por sólo 0,99€ / mes - Oferta limitada a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10255436 Existen sensores de mayor tamaño que el Full Frame, aunque actualmente están poco implantados comercialmente en cine y vídeo digital por el elevado flujo de datos que generan, aunque la resolución y la sensibilidad son excelentes. Existen sensores de menor tamaño que el Full Frame en multitud de cámaras de fotografía, vídeo y cine digital, en dispositivos como teléfonos móviles, tabletas, ordenadores… Algunos de ellos proporcionan gran calidad de imagen, y otros tienen un coste reducido o un tamaño adecuado para pequeños dispositivos. 2.4 Pista, frames, línea y píxel Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. PISTAS Al grabar capturamos información de vídeo y de audio en forma de datos digitales que se almacenan en un soporte (en nuestro caso tarjeta SDHC). Esta información se organiza en pistas separadas, generalmente una pista de vídeo y dos o más pistas de audio. En otra pista se puede grabar información sobre TC, hora y fecha de grabación… pregunta examen → ¿Qué es el código de tiempo (TC)? hora, minutos, segundos y frame (00:00:00:00) ¿y para qué sirve? para identificar cada uno de los frames/ fotogramas. FRAMES La pista de vídeo contiene una serie de frames o imágenes fijas (el equivalente en vídeo al fotograma cinematográfico). Cada segundo de vídeo tiene un número determinado de frames, es lo que denominamos velocidad / frecuencia de imágenes o frame rates. LÍNEAS Cuantas más líneas más definición, pero mucha más información (más peso). En algunos tipos de vídeos, estas líneas se muestran desde la parte superior de la pantalla y siguen hacia abajo hasta la última línea. Se conoce como barrido progresivo (p). Cuando otros tipos de vídeo realizan un barrido desde la primera línea impar de la parte superior de la pantalla hasta la línea inferior impar y, a continuación desde la primera línea par a la última línea par se denomina barrido entrelazado(i), y cada frame o cuadro consta de dos campos (campo impar y campo par). PÍXEL El píxel es una contracción de picture element (elemento de imagen) y es el componente más pequeño de una imagen de vídeo. Un frame de vídeo HD tiene 1920 píxeles por línea (resolución horizontal) y 1080 líneas horizontales (resolución vertical) que componen el frame 1920 x 1080 = 2.073.600 píxeles. 3. LA SEÑAL VÍDEO La señal vídeo es una señal eléctrica obtenida a partir de los electrones que emite cada fotorreceptor del sensor cuando recibe fotones (luz). La lectura ordenada de los electrones emitidos fotorreceptor a fotorreceptor, línea a línea, frame a frame es lo que conforma la señal de vídeo. Por tanto, la señal vídeo es portadora de información (eléctrica) de la imagen captada por el objetivo y proyectada en el sensor de imagen. Con la información eléctrica de la señal vídeo, reproducimos la imagen en el televisor. Todos los elementos que conforman un sistema de televisión deben estar perfectamente sincronizados entre sí para que exista una correspondencia exacta entre lo que capta la cámara y lo que reproduce el televisor. Plan Turbo - Eliminar los vídeos + 10 descargas sin publicidad por sólo 0,99€ / mes - Oferta limitada a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10255436 3.1 Señal vídeo - televisión en Blanco y Negro Con las cargas eléctricas obtenidas en el CCD se genera una señal eléctrica (señal vídeo) cuyo valor (medido en voltios) es proporcional al brillo de la escena. El valor 1 v. es el nivel de blanco → valor que alcanza la señal vídeo en las zonas de imagen de máxima luminosidad. El valor 0,3 v. es el nivel de negro → valor que toma la señal vídeo en las zonas más oscuras. Todos los valores posibles de brillo de la escena, toda la escala de grises, están contenidos entre el nivel de negro y el nivel de blanco, entre 0,3v. y 1v. Por debajo del nivel de negro tenemos el nivel de sincronismo, donde se encuentran unos impulsos eléctricos de final de línea, final de campo o final de frame que no producen luminiscencia en la pantalla. 3.2 La señal vídeo en color ¿Cuál es el comportamiento del ojo humano ante las radiaciones luminosas? Ante las radiaciones provenientes de cualquier objeto, el sistema óptico del ojo humano (córnea, iris y cristalino) produce una imagen reducida e invertida en la retina. Posteriormente, en la retina se transforma la información luminosa de esta imagen en impulsos eléctricos que el nervio óptico lleva al cerebro. La retina contiene dos tipos de células sensibles a la luz: Los bastones se ocupan de registrar la intensidad o cantidad de luz, son ciegos al color pero son los más efectivos en condiciones de poca luz. Los conos son sensibles a las diferentes longitudes de onda de la imagen recogida en la retina, en definitiva traducen el color de esa imagen. Existen tres clases de conos en la retina: ↳ los que se excitan cuando reciben radiaciones luminosas de una longitud de onda de unos 7.000 Ǻ → correspondiente al rojo. ↳ los que reaccionan a una longitud de onda de 5.400 Ǻ → correspondiente al verde. ↳ los que reaccionan a radiaciones de 4.500 Ǻ de longitud de onda → correspondiente al azul. Una luz de color rojo puro solo excitaría a los conos sensibles a la longitud de onda del rojo, pero el color magenta (compuesto de rojo y de azul) excitaría a dos tipos de conos → los sensibles al rojo y los sensibles al azul, y lo hará de una forma proporcional a la cantidad de radiaciones del rojo y del azul que contenga esa luz magenta. Con la estimulación diferencial de los tres tipos de conos de la retina obtenemos toda la sensación de color, es decir, a partir de los colores rojo, verde y azul podemos ver todos los colores. Píxeles y celdas El tratamiento televisivo del color tiene lugar a través de los procesos de descomposición y reconstrucción del color basado en la síntesis aditiva. Las cámaras descomponen cualquier color en sus componentes RGB y los televisores y monitores reconstruyen cualquier color a partir de RGB. Cada píxel está compuesto de tres celdas, cada una de un color primario (RGB), y con la mezcla en distintas proporciones de RGB podemos ver los píxeles de cualquier color. La televisión en color surgió con el compromiso de ser compatible con los televisores en B & N. Los tres sistemas de color que surgen en los años 50 (con sucesivas mejoras en el tiempo) PAL, SECAM y NTSC tienen un punto común → la codificación de las tres señales originales (RGB) que entrega la cámara en otras dos señales: ↳ Señal de luminancia (Y), que lleva la información del brillo de la escena. ↳ Señal de crominancia (C), que lleva toda la información del color (matiz y saturación) de la escena. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10255436 Las dos señales se emiten conjuntamente y los receptores las interpretan del siguiente modo: Televisores en blanco y negro → ignoran la señal de crominancia y obtienen a partir de la luminancia una imagen en B/N. Televisores en color → utilizan las señales de luminancia y crominancia para recuperar en la matriz de color las señales originales de RGB. Sistemas de TV analógica en color PAL (Phase Alternating Line) Gran parte de Europa y muy implantado en otros países Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. SECAM (Séquentiel Couleur à Mémoire) Francia, antigua URSS y norte de África NTSC (National Television System Committee) EE.UU, países de América Latina entre otros países. Sistemas de TV digital DVB (Digital Video Broadcasting) Desarrollado en Europa, ha sido adoptado en esta y en la mayor parte de los países del mundo. ATSC (Advanced Television Standards Committee) Producido en los Estados Unidos, ha sido adoptado en ese país, Canadá, México y Corea del Sur. ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) Es un estándar desarrollado y adaptado en Japón. DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcast) Es el estándar de Televisión para terminales fijos y móviles. 4. TELEVISORES Y MONITORES → Transductores eléctrico ópticos En un televisor o en un monitor la imagen que podemos observar se forma por una matriz de puntos de luz. Cada punto de luz es un píxel, que está formado por tres subpíxeles RGB que vemos como un único punto de color. Cada subpíxel se ilumina según el valor de la señal vídeo de color correspondiente. Hay varias tecnologías para efectuar esta transducción electro-óptica → Tubo de rayos catódicos, televisor de plasma, pantallas de cristal líquido, OLED… Cada una de ellas ha supuesto una mejora tecnológica en la recepción de imágenes. 4.1 Pantallas OLED El OLED es un diodo orgánico (Organic Light-Emitting Diode) que genera y emite luz cuando recibe una corriente eléctrica (electrones), la cual es proporcional a la cantidad de electrones que recibe. Por tanto, una pantalla OLED es un panel de diodos, en la que cada píxel está formado por un diodo para cada color (RGB). Terminología que suele usarse al hablar de cámaras de vídeo Cámaras domésticas → reducción constante de tamaño y peso, gama baja y ajustes sencillos. Cámaras semiprofesionales o prosumer → buena calidad de imagen y ciertos ajustes. Cámaras profesionales → gama alta, en ocasiones se utilizan como cámaras ENG y de estudio. Cámaras ENG (Electronic News Gathering) → “captación electrónica de noticias”. Cámaras EFP (Electronic Field Production) → “producciones electrónicas de campo”, se utilizan para retransmisiones deportivas, espectáculos… donde la cámara se mueve en un entorno reducido, mientras que el operador de cámara solo se preocupa de encuadrar y enfocar. Cámaras Broadcast → muy alta calidad, y priorizan la calidad de imagen sobre la portabilidad (tv) Cámaras de cine digital → alta resolución de las imágenes y tratamiento del color Plan Turbo - Eliminar los vídeos + 10 descargas sin publicidad por sólo 0,99€ / mes - Oferta limitada

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