miércoles, 3 de junio de 2015

Informe 4K-UHD 2015 (Cap3)

Aunque mi ingles es muy malo he decidido intentar traducir el documento hecho por JVC USA "The 4K-UHD 2015 Report).

La traducción aunque se va ha seguir en su argumento y lo más literal posible, evidentemente quedará distorsionada por mi mal ingles, mi interpretación, escritura y explicaciones adicionales en caso de que lo crea necesario, por tanto pido disculpas a su autor por adelantado.

Como siempre mi tiempo es muy limitado por tanto lo iré traduciendo y colgándolo por capítulos bien sea de forma continua o separada por algún otros artículos, en todo caso el último capitulo incorporara en su titulo la palabra Final.



El Raw :

La matriz del Sensor Bayer  
Por varias buenas razones, incluyendo el tamaño / peso, problemas de costos de fabricación y de distancia focal, el uso de bloques ópticos con 3 sensores no funciona comercialmente para 4K.
¿Cuál es la solución? Afortunadamente para proporcionar la solución ya tenemos tecnología disponible, el sensor con filtro Bayer.
Para producir una buena imagen digital de calidad y 4K de resolución ,se necesita como mínimo un único sensor con filtro Bayer de 8,3 millones de foto-células o píxeles para recopilar información. Se detallará mas tarde.




Patentado en 1979 lleva el nombre de su inventor, BE Bayer de la “Eastman Kodak Company”, un filtro Bayer, es un conjunto de filtros cuadrados de color rojo, verde y azul (CFA) los cuales se encuentran alineados a una matriz de foto-células, en un patrón tal que cada foto-célula sólo se "expone" a luz roja, verde o azul. En cualquier matriz "Bayer estándar", hay el 50% de foto células verdes, el 25% de rojos y el 25% azules.
Vea la ilustración. En un filtro Bayer el valor de luminancia en gran medida esta determinado por la lectura del valor del color verde mientras que el rojo y el azul son los que determinan mayoritariamente la croma.
La luz al incidir en una foto célula genera un voltaje (analógico, que varia con la intensidad de la luz que recibe), y este voltaje tiene que ser leído y convertido a datos (digitales). 
El la salida del sensor  (4K), los datos “es decir la información ya digital de cada foto-célula” más de 8,000,000 se extrae a muy alta velocidad con un flujo de datos muy alto y conocida con el nombre de RAW.

Un archivo de datos RAW es un registro de los datos extraídos del sensor sin procesar.

El filtro Bayer "un buen compromiso".

La industria de la televisión de entretenimiento ya ha adoptado el uso de cámaras de vídeo de 4K con un único sensor de imagen, reconociendo que no es práctico exigir  cámaras 4K diseñadas con 3 sensores. 
Para producir una alta calidad de vídeo 4K con un único sensor Bayer, el sensor debe contener como mínimo alrededor de 8,3 millones de foto-células activas, pudiendo llegar en los sensores mas grandes de tamaño o de gran formato de hasta más de 20 millones. 

El Bayer es un buen compromiso, si bien un único sensor de tipo Bayer con 8,3 millones de foto-células no es capaz de producir matemáticamente una imagen 4K RGB "exacta", si es capaz de producir un espectacular vídeo de 4K.

El 4K-UHD se "compone" de 4 cuadrantes de 1920x1080.
En 1080i60 (60 entrelazado = 30p), la frecuencia de muestreo de la luminancia es 74.25MHz lo que resulta limitado por el teorema de Nyquist en banda de paso superior a 30MHz (SMPTE 274).
En 60p (30p 2x) 1080 SMPTE 274 establece una frecuencia de muestreo de luminancia de 148.5MHz con resultante Nyquist en el borde pasa-banda superior de 60MHz. 
Pero en 4K tenemos un solo sensor Bayer de 8.3MP.. . . y como R, G y B son maestreados de forma separada (al igual que los bloques de 3 Sensores), el Verde en el sensor Bayer solo tiene asignada  la mitad de 8,3 millones ,un total de 4.150.000 foto-celulas  que si se muestrea 60 veces por segundo equivale a una frecuencia de muestreo de 252MHz, este muestro está  de nuevo limitado por el teorema Nyquist a una banda de paso máxima 110MHz en banda superior, que es menos de la mitad de la frecuencia de muestreo de 252MHz. Esto es sólo aproximadamente el doble de la resultante de 60MHz que obtenemos a 1080 60p, lo que indica que la mejora “académica matemática” en la resolución es de aproximadamente x2, es decir (Entre la adquisición a a 1920x1080p60 con 3Sensores y la adquisición en 4Kp60 con un solo sensor Bayer de 8.3MP el incremento antes de interpolación y procesamiento –Bayering, es solo x2 y no x4. 

El 4K-UHD Bayer es una mejora de 4x o 8x respecto a 1080i60?
En primer lugar comparando sólo uno (1) fotograma de vídeo de 4K-UHD y 1080i60 y asumiendo que es "Académica-mente perfecta", el número de máximo de píxeles en una imagen es 4 veces mayor en 4K-UHD. Ver tabla y compara 8.294.400 con 2.073.600 .


Sin embargo, debemos tener en cuenta el factor temporal o espacial-mente, en 1080i60 el vídeo está entrelazado, por lo tanto entrega solo 30 imágenes completas en un cuadro, En 4K-UHD-60p ofrece 60 imágenes completas en un cuadro o segundo que da un total de 8.294.400 x 60 = 497.664.000 puntos de píxeles / seg mientras el 1920x1080i60 sólo ofrece 30 imágenes completas por segundo con un total de 2.073.600 x 30 = 62.208.000 puntos de píxeles / seg. 
Esto significa que temporalmente, en píxeles o puntos por segundo entregados a la audiencia en casa en su televisión de pantalla plana, 4K-UHD entregará (ya que es una proposición entrega futura) 8x más puntos de píxeles que el actual 1080i60 ATSC entregado por cable / satélite. ¿Qué te parece!


El análisis anterior mira pixel o puntos / seg, con un vídeo 4K-UHD-p60 entregado a un televisor de pantalla plana de resolución nativa 4K-UHD-p60 (mapeado píxel a píxel), pero existe otro factor a tener en cuenta, y es que con el vídeo 1080i60 entregado a un televisor de pantalla plana nativa 1080p60  TV se requiere o necesita pasar de i60 a p60 lo cual conlleva un procesamiento dentro de la TV, (interpolación, desentrelazado ,etc.).

Por cierto, estamos mirando el 4K-UHD que está "comprometido" sólo en el momento de la adquisición a través de imprecisiones en el proceso Bayer, mientras que el 1080i60 está "comprometido", tanto en el momento de la adquisición a través de la captura de entrelazado (de acción rápida / deportes, aunque sea en 3 sensores de imagen) y en el momento de la conversión de entrelazado a progresivo para ver la imagen a través de en la pantalla.

¿Qué significa esto en la transición a un mundo 4K-UHD?
Aunque HD entrelazado (1080i60) ha servido a la industria de la televisión durante muchos años, la mayoría de nosotros ahora esta de acuerdo en que cuanto antes podamos retirar el formato 1080i60, lo mejor es un mundo de televisión progresiva.
Durante varios años, la industria de la televisión estaba explorando 1080p60, e incluso velocidades mayores de fotogramas progresivos para la adquisición de los deportes. La transición a un mundo 4K-UHD está firmemente en marcha y no hay vuelta atrás. Pero
1080p60 (y p24) aún tendrán un papel importante que desempeñar en el programa de televisión de alta definición y brotes comerciales, que puede ofrecer una mejora del HD al consumidor, con  la conversión cruzada a los formatos de emisión ATSC HD aunque la adquisición de vídeo 4K-UHD debe ser considerada seriamente para cualquier nuevo proyecto.

Considera esto:
Todas las cámaras de sensores individuales basados ​​en Bayer deben confiar en de-Bayering, interpolación y procesamiento para aumentar sustancialmente la resolución efectiva de los datos de imagen adquiridos.
En un sensor de tipo Bayer 4K con 8,3 millones de foto-celulas, se obtiene básicamente la resolución de 1080 x2 en RAW antes de-Bayering llengando a una resolución casi 4x de 1080 DESPUÉS de-Bayering,. Esta  base teórica de mejora de resolución 2x 1080 es la misma para cualquier tamaño (grande, mediano, pequeño formato) siempre que el sensor utilizado para adquirir 4K tenga 8,3 millones de foto-células (en comparación con 3 Sensores 1920x1080).

¿Cuantos millones de foto-células son requeridas en un solo sensor de tipo Bayer para lograr una resolución  matemáticamente verdadera 4K antes del proceso de de-Bayering? La respuesta es simple, 3x8.294.400 o alrededor de 25 millones de foto-células, que seria una foto-célula para cada pixel de cada color R,G y B.
Sin embargo en si duplicamos el total de foto-células alrededor de 16,6 millones, entonces habrá una trama de pixeles de 3.840x2.160 del color verde (50% del sensor Bayer)  que "determina la luminancia" ,lo cual dará como resultante un 4K real (B&W) y de hecho alcanzará cerca del 4K de color (25%R+25%B) lo cual sería similar a realizar un muestreo 4:2:2.
La industria de la Televisión de entretenimiento acepta para reducir costes, tamaño físico, disminuir el consumo de energía y aumentar la flexibilidad operacional el uso de un único sensor (Bayer) en las cámaras, las cuales brindan un "buen compromiso" de calidad costes y flexibilidad.





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