Sistemas de Captura de Imágenes en Televisión: Componentes y Funcionamiento

9.1 ENG: Electronic News Gathering (Captura de Noticias). Camcorder (Cam Recorder)

• Exteriores, reporterismo y noticias.
• Pequeñas, ligeras y autónomas (batería o alimentador DC).
• No necesitan conexión a otros equipos (CCU…).
• Grabador de vídeo incorporado.
• Procesan y graban el sonido.
• Diferentes tipos de soporte de grabación: memoria, cinta…

Son más pequeñas y ligeras que las EFP.

9.2 Partes de un Sistema de Cámara de TV

En ocasiones especiales no es práctico tener todos los elementos de una cámara de TV en el mismo equipo, por espacio, peso, tamaño…

Por un lado, el bloque de sensores CCD (amplifica la señal de salida) y por otro lado, y a cierta distancia, el resto del procesado del equipo.

Frecuente en biomedicina, seguridad, investigación, producciones especiales de TV.

Se tiene lo mínimo indispensable cerca de la imagen a captar y el resto del procesado se hace en un lugar sin limitaciones físicas.

Visor

Monitor (1’’-2’’) para ver lo que está captando la cámara o la señal de retorno enviada desde la CCU.

Normalmente en blanco y negro para percibir más fácilmente las altas frecuencias (transiciones) y coger foco.

La señal de entrada es la de luminancia de la señal de salida de la cámara.

Visor de EFP: mayor tamaño que ENG (6’’-8’’) y mejores prestaciones. Tiene regulación de brillo y contraste. Puede llevar parasol. Funciones como ‘peaking’ (realce de bordes) y ‘zebra’, para alertar al operador con rayas diagonales grises que el diafragma está muy abierto, provocando zonas ‘quemadas’. Solo se ve en la imagen del visor.

La cámara tiene un generador de caracteres básico que permite mostrar en el visor información de los parámetros de la cámara.

Información como código de tiempo, temperatura de color, diafragma, vúmetros de audio, resolución, es muy útil para el operador.

9.3 Sistemas de Captura de Imágenes: Óptica

• Lente convergente (o cóncava).
• Lente divergente (o convexa).

Controles principales:

• Zoom (Wide – Tele).
• Diafragma (iris) (‘números f’).
• Foco.
• Duplicador (o extender).
• Macro.
• Parasol.

Las ópticas de las cámaras de estudio llevan indicadores de valor del zoom e iris.

9.4 Sistemas de Captura de Imágenes: Bloque Dicroico

Prisma: elemento transparente formado por varias caras planas (no paralelas) con el fin de producir reflexión, refracción y descomposición de la luz.

Dicroico (separa los colores).

Dicroísmo: propiedad de un material para dividir un haz de luz policromática en 2 o más haces monocromáticos, con distintas longitudes de onda.

Filtro dicroico: transmite a través de ellos la luz de un intervalo de longitudes de onda y refleja la luz que no pertenece a ese intervalo. Separación en haces RGB con prismas dicroicos.

3 CCDs idénticos, pero los filtros dicroicos de delante no. Cada uno capta la cantidad de luz incidente, pero solo de la longitud de onda respectiva (R, G o B).

Agrupación de todo: bloque de prisma dicroico, filtros y CCD’s.

9.8 Cámaras Especiales

• Cámara lenta (Slow Motion o simplemente ‘SlowMo’).

Velocidad de captura normal (x1), doble (x2). Doble reproducida en SlowMo (x 0,5).

• 24xHD: triaxial (1 Km) o fibra (4 km). 1.080i/720p, 12 bits. Hasta 120 Hz (1.080i/720p). Bit rate de salida en función de la frecuencia de cuadro (ejemplo de HD): 60HZ -> 1,485 Gb/s, 120HZ -> 2,970 Gb/s.
• 1.920 x 1.080p (16/9), sensor CMOS 2 Mpx, 1.000 frames/s. Selección 1-1.000 frames/s en pasos de uno, manteniendo la resolución.
• 1.280 x 720p, sensor CMOS, transferencia de datos por fibra, fv = 1.150 Hz.
• Steadycam.
• Cámara aérea giroestabilizada (sistemas de helicóptero, lanchas,…).
• Grúa o ‘cabeza caliente’.
• Spydercam.

9.5 Sensores de Imagen

CCD: Charge Coupled Device (Dispositivo de Cargas Acopladas)

• Semiconductores de silicio compuestos por una matriz ortogonal de elementos o celdas sensibles a la luz (fotopíxeles).
• Operan basándose en el efecto fotovoltaico: al incidir energía luminosa (fotones) en cada sensor se acumula una carga eléctrica proporcional al número de fotones que recibe.
• La carga acumulada en cada celda de esta matriz genera una corriente proporcional a la carga almacenada: a mayor intensidad luminosa, mayor carga almacenada y mayor corriente entregada a la salida.
• Se exploran secuencialmente todas las celdas, una a una, de la misma forma que se lee un libro, hasta que se completa un cuadro.
• Al final de la lectura, los electrones generados en cada detector individual son transferidos a una zona de almacenamiento.

Disponen de una zona sensible a la luz (Imaging area) y otra de almacenamiento de la carga de cada elemento (Storage area).

• La transferencia de la primera zona a la segunda se puede hacer al acabar cada línea (IT: Interline Transfer) o del cuadro (FT: Frame Transfer).
• En los CCDs tipo IT la lectura de la información es más rápida (cada línea), por lo que la imagen obtenida tiene más nitidez y precisión que con FT. La señal que entregan los CCDs es analógica y de un nivel extremadamente bajo. Es preciso amplificarla con amplificadores de muy bajo ruido antes de convertirla a digital para su posterior procesado.
• El ruido electrónico (ruido de fondo por agitación térmica) aumenta fuertemente con la temperatura: se dobla cada 7ºC aproximadamente.
• Al ser dispositivos sensibles a la luz, los CCDs se emplean también en fotografía, escáneres, telescopios astronómicos,…
• Partes: Image area, metal or ceramic package, connection pins, gold bond wires, bond pads, on-chip amplifier, serial register.

Bloque CCDs: 3 prismas dicroicos, 3 filtros RGB, 3 CCDs, 3 preamplificadores y 3 conversores A/D.

Sensores CMOS

CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor (Semiconductor de Óxido de Metal Complementario). Alternativas a los CCD de silicio.

Incorporan 1 amplificador por celda en lugar de 1 al final de la cadena. Más compactos y consumen menos que los tradicionales CCD.

Mejora de la Sensibilidad Mediante el Sistema ‘On-Chip Microlens’

La sensibilidad del CCD depende de las dimensiones del pixel: cuanto más grande, más fotones inciden y más electrones se generan a la salida. Mejor relación S/N.

Es común poner lentes cóncavas delante de cada celda para aprovechar el máximo de luz sin aumentar la superficie del dispositivo.

Si la resolución de un CCD no es muy elevada, se puede aumentar artificialmente con un desplazamiento (offset) de ½ pixel.

9.7 Adaptador de Cámara

Las cámaras EFP trabajan con varias señales simultáneamente:

• Vídeo ‘de ida’: R, G, B o bien Y, B-Y, R-Y.
• Vídeo ‘de vuelta’: una, dos o incluso tres señales de retorno desde la CCU.
• Sincronización: genlock.
• Audio: micrófono 1, micrófono 2.
• Intercom para el operador (ida y vuelta).
• Tally.
• Datos CCU: diafragma, órdenes de balance de blancos y negros…

Las primeras cámaras tenían conexiones multicore, cada señal por una patilla (pin).

• Inconvenientes:
  • Cable muy grueso y poco manejable.
  • Cable y conector complejos, ya que hay que manejar muchos tipos de señal, cada una con una impedancia determinada (líneas de transmisión).
  • Si se suelta o daña un pin, la cámara pierde operatividad o deja de funcionar.

Solución: modular señales y enviarlas multiplexadas en frecuencia sobre un solo cable, con un conector robusto.

Se emplea un rango de frecuencias determinado para las señales de ida y otro para las de vuelta. Mediante filtrado se separan.

En las cámaras EFP, hay que añadir la modulación de las 3 componentes y su posterior multiplexado en frecuencia para enviarlas desde el cuerpo de la cámara a la CCU.

Así, las señales involucradas (vídeo, audio y datos) transitan sobre un único cable. El procesado es complejo, pero simplifica la conexión y la hace más robusta.

Por el cable va la alimentación DC para que funcione la cabeza de cámara. Al fin y al cabo se trata de una frecuencia cero.

Las cámaras EFP utilizan cable triaxial en lugar de multicore, salvo las más modernas y caras que emplean fibra óptica (la filosofía de trabajo es la misma, pero se sustituye el medio de transmisión, es decir, cable eléctrico por fibra óptica, o lo que es lo mismo, señal eléctrica por luz).

a) Multicore. b) Triaxial (abreviadamente ‘triax’). c) Fibra óptica. 2 pines: fibra óptica (1+1). Otros 2 pines: alimentación para la cámara.