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Mas nit, más brillante!

Por José Toscano Hoyos*

1 - Introducción

Con el arribo de la transmisión de televisión digital (TDT) y la distribución de Televisión

Digital (DTH, HFC, FTTH) por medios restringidos, en los años recientes hemos visto

evolucionar la tecnología de la recepción de televisión. En el año de 2004, México adopta

oficialmente el estándar tecnológico de transmisión de televisión digital terrestre A/53 de

ATSC (Comité de Sistemas de Televisión Avanzados).i

Recibimos con beneplácito y admiración los primeros receptores comerciales de TV HD

(High Definition) que iban desde resoluciones de 480p (SDTV) resolución digital

equivalente a la resolución estándar analógica o NTSC (National Television System

Committee), hasta 720p (HDTV) y posteriormente los televisores FHD (Full High

Definition) que logran la resolución 1080i (1K). Hoy nos vemos seducidos por televisores

en el mercado que son UHD (Ultra High Definition, 2160p (4K), introducidas al mercado

en 2012, que básicamente ofrecen en cuatro veces más la resolución 1080i.

Comparación de 4K con otras resoluciones, en la relación de aspecto 16:9.1

Pronto tendremos disponibles en el mercado, pantallas en 8K, que hoy ya se presentan

como prototipos en las exhibiciones de tecnología.

Los televisores UHD ofrecen además de una mayor resolución, una gama cromática más

amplia. Estos televisores modernos tienen entre sus ofertas tecnológicas un Rango

1 Imagen tomada de la página de siguiente página: https://es.wikipedia.org/wiki/Resoluci%C3%B3n_4K

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Dinámico Alto (HDR), en donde el contraste es de mayor rango, comparado con el Rango

Dinámico Estándar (SDR) de la televisión HD o FHD.

2 - Métodos de exploración

La letra “i” o “p” que aparece después de la expresión numérica que indica la resolución,

por ejemplo 1080i, hace referencia al método de adquisición de las imágenes. Existen dos

métodos de adquisición de imágenes.

La exploración entrelazada (interlaced)

Es el sistema de exploración, con la que comienza la televisión en el siglo pasado entre

los años de las décadas 1930 y 1940, sistema que utilizaba la televisión análoga; NTSC,

PAL (Phase Alternating Line), SECAM (Séquentiel Couleur à Mémoire) y otros

desarrollados en aquellos días. El dispositivo que los primeros receptores de televisión

usaron para formar la imagen fue el Tubo de Rayos Catódicos (CRT) que utilizaba un

material en su interior, que al ser impactado por electrones, éstos emitían luz. El haz de

electrones era emitido por un cátodo y acelerado por placas deflectoras haciendo que de

forma controlada se impacten en el material de la pantalla, emitiendo una luz para formar

las imágenes, determinadas por el haz de luz que era controlado por la electrónica del

receptor. Por su característica física – químicas, los CRT no eran lo suficientemente

“rápidos”.

En los días de la TV análoga, en México y otros países del continente americano se utilizó

el sistema NTSC que fragmentaba la imagen en 525 líneas que se dividían en dos grupos,

formando dos cuadros. Cada cuadro de 262 líneas, uno con las líneas pares y otro con las

líneas nones que se intercalaban a una frecuencia de 29.976 cuadros por segundo. Este

sistema todavía se utiliza hoy y es al método que hace referencia la letra “i”.

La exploración progresiva (progressive)

En este tipo de exploración las pantallas tienen la capacidad de leer o mostrar de manera

continua e integral las imágenes sin necesidad de combinar cuadros. Este tipo de

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pantallas leen todo el campo completo, de manera progresiva, haciendo un barrido de

arriba hacia debajo de forma secuencial.

Comparativo de escaneo entre exploración entrelazada y progresiva2

Hoy la mayoría de los contenidos, son grabados principalmente en exploración progresiva

“p” debido a que técnicamente es más fácil, y hay menos posibilidades de pérdida de

información, cuando es necesario cambiar de exploración progresiva (p) a exploración

entrelazada (i).

Dependiendo de la forma de distribuir, tanto por aire o por medio físicos, se utilizan ambos

sistemas.

En este sentido, la Disposición Técnica IFT-013-2016 para instalación y operación de

estaciones de televisión en México, dispone con relación a los índices de calidad de

servicio, sección 11.2, subsección 11.2.2, lo siguiente:

“… La resolución mínima para el formato de HDTV deberá considerar una

resolución de al menos 720 líneas en Exploración Progresiva (720p) o 1080

líneas en Exploración Entrelazada (1080i), en una relación de aspecto de

16:9…”

“… La resolución mínima para el formato de SDTV deberá considerar una

resolución mayor o igual al formato de 480 líneas en Exploración Entrelazada

(480i) en una relación de aspecto de 4:3 o 16:9…”

2 Imagen tomada de la página de internet: https://www.arturogoga.com/que-es-la-television-digital-que-es-la-television-en-

alta-definicion-hd-aprende-las-diferencias/

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De acuerdo a la Disposición Técnica, dependiendo de la resolución y formato,

los contenidos se transmiten en exploración progresiva para unos casos, o

entrelazada para otros.

3 – HDR (High Dynamic Range)

El concepto HDR, consiste en la capacidad de proporcionar un mayor nivel de contraste

entre las imágenes claras y obscuras en la pantalla, para crear una imagen mucho más

realista.

El contraste es medido por la diferencia entre los blancos de la brillantez y los negros de

la oscuridad en una pantalla de televisión, y se mide en candelas por metro cuadrado

(cd/m2), esta unidad es conocida con el nombre de “nit”. El mínimo ideal es

completamente negro, 0 nit – en la actualidad únicamente es posible en las pantallas de

OLED (Organic Light-Emitting Diode), los cuales, pueden apagar completamente los

pixeles. En el máximo la historia es diferente. En las pantallas de rango dinámico estándar

(SDR), generalmente producen de 300 a 500 nits, pero algunas pantallas con HDR, van

más allá.

El sistema visual humano es mucho más sensible a la luminancia (luminosidad) que a la

crominancia (color).

En Fotometría, la luminancia se define como la densidad angular y superficial de flujo

luminoso que incide, atraviesa o emerge de una superficie siguiendo una dirección

determinada. Otra forma de definir es como la densidad superficial de intensidad luminosa

en una dirección dada. Cuando hablamos de luminancia nos referimos al brillo que

percibe el ojo humano (más específicamente la pupila) en un punto en particular.

La crominancia es la componente de la señal de vídeo que contiene la información del

color.

El color está definido por dos magnitudes, la saturación, que nos da la cantidad de color y

el tinte que nos dice qué color es. Dependiendo del sistema utilizado para la codificación

de una imagen estas dos magnitudes toman diferentes formas.

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La dinámica de la gama del Sistema Visual Humano (HVS) puede distinguir desde 105 nit

del brillo de la luz del sol, hasta los 10-4 nit de la luz de las estrellas.

Una reducción en el rango dinámico se traduce en la dificultad de ver luces bajas (por

ejemplo, detalles en sombras profundas) y los resaltes (por ejemplo, nubes en un día

soleado brillante) simultáneamente; uno o el otro será "perdido". El impacto de la

reducción del rango especialmente para las reflexiones especulares (ocurre cuando los

rayos luminosos que inciden en una superficie reflectora muy plana son reflejados de

modo que el ángulo incidente es igual al ángulo reflejado), tales como la luz del sol que se

refleja fuera de la superficie del agua o del metal; Con HDR, tal luz suele provocar una

alteración fisiológica como respuesta en el espectador ("sintiendo" la luz, lo que ocurre

cuando se entrecierran los ojos, por ejemplo).

El impacto del HDR es difícil de representar sin una pantalla o monitor de referencia

diseñado para este propósito. Sin embargo, el concepto HDR puede ser expresado

mediante simulación, combinando exposiciones múltiples de la misma imagen, sin

impacto dramático de las reflexiones de los rayos de luz que chocan con superficies

rugosas, que provocan que los rayos reflejados viajen en direcciones distintas.

La figura A muestra una escena del Arco Gateway (al fondo) en San Luis Misuri, con baja

exposición de luz. Obsérvese que el edificio central en primer plano es “forzado”.

Figura A. Ejemplo de rango dinámico estándar de baja luminosidad.

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En la figura B, la exposición se ajusta en función de puntos del edificio para que se

reproduzca correctamente, pero ahora el detalle entre los edificios y en el cielo ya no son

visibles. En estos casos, el rango dinámico estándar (SDR) no es capaz de reproducir

áreas oscuras y claras simultáneamente.

Figura B. Ejemplo de gama dinámica estándar

La Figura C simula cómo una imagen HDR podría estar representada, la cual asemeja más al realismo que proporciona el sistema visual humano.

Figura C. Ejemplo de Rango Dinámico Alto, simulado por mapeo de tonos.

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Algunas demostraciones del beneficio del HDR, en los últimos años han convencido a

organizaciones que establecen normas, a estudiar esta nueva dimensión de la

experiencia televisiva.

Se cree que el HDR es posiblemente el más importante desarrollo para la televisión.

4 - Alto rango dinámico y la tecnología de pantalla

Gracias a los modernos materiales con los que hoy se fabrican las pantallas y monitores

de video, los rangos dinámicos de contraste comenzaron a evolucionar. En un principio el

PLASMA (Gases nobles emisores de luz) y posteriormente las pantallas conocidas como

LCD (Liquid Cristal Display) que en un principio se retroalimentaban con lámparas

fluorescentes que se situaban en la parte superior e inferior de la pantalla y su evolución a

las retroalimentadas con LED (Light-Emitting Diode); en ambos casos son pantallas de

cristal líquido, que divergen la forma en que retroalimentan la imagen. En tanto que la

pantalla OLED, está formada por diodos que emiten su propia luz, por lo que no requieren

de ser retroalimentados.

La cadena de transmisión de televisión existente asume un pico de brillantez de 100 nits.

Los actuales televisores de consumo logran aún más brillo que esto y la evolución de las

tecnologías continua buscando incrementar el brillo máximo y mejorar la relación de

contraste posible (rango dinámico).

Una de las tecnologías utilizada hoy en día es el panel iluminado LCD por una luz de

fondo LED (LED Backlight). Los paneles típicos de los años recientes logran una salida de

luz que varía de aproximadamente de 0.1 nits a cerca de 300 nits.

La retroalimentación LED típica usa LED’s azules combinado con fósforo amarillo, que

emite un espectro relativamente amplio para producir luz "blanca" que luego es filtrada

para dar rojo, verde y azul en el panel LCD. Existe un elemento de compensación entre el

brillo y la anchura de la gama del color. Un filtro de color que filtra con precisión la luz

entrante para dar un solo color saturado, filtrara más luz y entregara menos brillantez.

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Algunos fabricantes ofrecen pantallas LCD que incluyen el uso de retroiluminación

utilizando nanocristales (a veces denominados "puntos cuánticos") en donde un LED azul

se utiliza para excitar puntos cuánticos de fosforo rojo y verde. Estos retroiluminadores

pueden emitir bandas angostas de luz roja, verde y azul, permitiendo una gama de color

más amplia y un brillo mayor o una mejor eficiencia, como menos luz absorbida en los

filtros de color del LCD.

Las pantallas que usan ésta tecnología, fueron anunciadas en 2015 en el Consumer

Electronic Show (CES) en Las Vegas y prometen un brillo máximo de hasta 1200 nit.

Mientras que las pantallas de LCD filtran luz de la retroiluminación LED, en las

tecnologías de pantalla de emisión directa, nada de esta luz producida es absorbida en la

pantalla, ofreciendo la posibilidad de obtener altos niveles de brillantez.

De forma individual, también los pixeles se pueden desactivar completamente dando la

posibilidad de una mayor relación de contraste.

Pantallas de consumo basadas en OLED (Diodo Emisor De Luz Orgánico) en donde cada

pixel está formado por LED´s color azul, rojo y verde (algunas veces un LED blanco

adicional o un LED con filtro de color). Estas pantallas ofrecen un nivel de nivel de negro

muy oscuro, pero algunos no ofrecen un pico de brillo significativamente mayor, sin

embargo, niveles de brillantez pico de 800 nit o más, están siendo ya factibles.

Esto proporciona un alto nivel de contraste que la mayoría de las pantallas LCD, aunque

en la medida de que un nivel más oscuro depende de la reflectividad de la pantalla y el

nivel de luz ambiente en la habitación en donde se ve.

La tecnología de visualización continúa en desarrollo. Es posible que el sucesor de la

pantalla OLED sea directamente de puntos cuánticos OLED que ofrecería mayor brillo y

una gama de colores mejorada que la OLED.

5 - Alto rango dinámico en la estandarización

La industria sigue definiendo cuáles son los parámetros exactos para HDR y hay muchas

propuestas de cómo representar y transmitir ésta información, así como su impacto en los

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nuevos flujos de trabajo. El grupo de estudio sobre HDR de la SMPTE (Society of Motion

Picture and Television Engineers) está definiendo lo que es HDR y articulando los temas

que se necesitan para ser dirigida y estandarizada completamente para la producción de

video de principio a fin.

La SMPTE ha propuesto recientemente un nuevo estándar en esta área, llamado HDR-

EOTF (Electro Optical Transfer Function) para referencia de la masterización de pantallas

para soportar imágenes de alta gama de colores y alta luminancia. La UIT-R investiga

funciones de transferencia para sistemas de vídeo HDR, la OETF para formato de señal

de vídeo HDR y la referencia EOTF para referencia en la fabricación de pantallas. La

asociación MPEG (Moving Picture Experts Group) ha emitido una convocatoria sobre

tópicos de HDR para determinar qué cambios, si los hay, se deben hacer al estándar

HEVC (High Efficiency Video Coding). El proyecto de radiodifusión de vídeo digital (DVB)

en UHDTV está en proceso de definición de la segunda fase y el HDR es uno de los

temas principales a ser discutidos en este año. La Asociación de Discos Blu-Ray ha

definido un rango dinámico mejorado en su próxima especificación para UHD.

En adición al trabajo de las organizaciones al desarrollo de estándares que están en

proceso, todavía hay mucha investigación en el área del HDR.

Muchas de las características del HDR y la comprensión de la mejor manera de utilizarlas

están en su inicio. No obstante, el impacto del HDR en la experiencia de los televidentes,

de HD, y UHD, es apreciada por los consumidores, los científicos y los ingenieros por

igual.

Bibliografía consultada:

• The Future of 4K Ultra High Definition TV – Examining Methods to Acquire, Exchange and Distribute

Content. Matthew S. Goldman, Olie Baumann, Lukasz Litwic. Ericsson. Página 410. 2014 NAB

Proceedings.

• Implications of High Dynamic Range on the Broadcast Chain for HD and Ultra-HD Content. Lukasz

Litwic, Olie Baumann, Matthew S. Goldman y Philip White. Ericsson. Página 58. 2015 NAB

Proceedings.

• The combination of UHD, MPEG-DASH, HEVC and HTML5 for New User Experiences. David Price.

Ericsson. Página 325. 2015 NAB Proceedings.

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• Launching 8K/4K High Dynamic Range Television (HDR-TV Broadcasting. Yukihiro Nishida, Atsuro

Ichigaya, Takayuki Yamashita, Shuichi Aoki, Ichie Masuhara ans Tetsuomi Ikeda. Japan Broadcastin

Corporation (NHK). Página 259. 2016 NAB Proceedings.

i Acuerdo por el cual se Adopta el Estándar Tecnológico de Televisión Digital Terrestre A/53 de ATSC y se

establece la Política para la Transición de la Televisión Digital Terrestre en México. DOF. 2 de julio de 2004.

*José Toscano Hoyos. Es Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica, egresado de la Facultad de Ingeniería

de la Universidad de Guadalajara en 1987. Ha realizado estudios de Postgrado en Administración y en

Administración de Proyectos. Es Director de Telecom TM, S.A. de C.V.

Agosto 25 de 2017