Digitalización de la Señal de Vídeo Analógica

Las tres señales YUV se digitalizan mediante el muestreo. Recordando el principio aplicado en audio, y según el Teorema de Muestreo de Nyquist-Shannon, para poder replicar con exactitud (es decir, siendo matemáticamente reversible en su totalidad) la forma de una onda, es necesario que la frecuencia de muestreo sea superior al doble de la máxima frecuencia de la señal.

En audio, este requisito (superior al doble de 20.000 Hz) se traduce en 44.100 Hz. Sin embargo, en la señal de vídeo, la frecuencia de muestreo debe ser igual al número de píxeles procesados por segundo.

Cálculo de Frecuencias de Muestreo y Requisitos de Ancho de Banda

Ejemplo 1: Resolución Estándar (625 líneas)

• Para 625 líneas y 833 columnas, con 50 cuadros por segundo, la frecuencia de la señal de vídeo es: $(833/2) \times 625 \times 50 = 13 \text{ MHz}$.
• Muestreo de la señal Y (Luminancia): $13,5 \text{ MHz}$ con 8 bits por muestra.
• Velocidad de datos resultante: $108 \text{ Mbit/s}$.

Ejemplo 2: Resolución Full HD (1920×1080)

Para una resolución de $1920 \times 1080$ a 60 Hz:

• Píxeles por pantalla: $(1920/2) \times 1080 = 1.036.800$.
• Frecuencia de píxeles por segundo: $1.036.800 \times 60 = 62.208.000 \text{ Hz} = 62,2 \text{ MHz}$.

Considerando los espacios de borrado (la resolución real es $2200 \times 1125$), la velocidad de muestreo es de $74,25 \text{ MHz}$ para 60 Hz, lo que supone $594 \text{ Mbit/s}$ para transmitir una sola señal (Y, U o V).

Para transmitir las tres señales YUV (sin compresión):

• Velocidad total requerida: $594 \times 3 = 1782 \text{ Mbit/s} = 1,8 \text{ Gbit/s}$.
• En términos de almacenamiento (dividiendo entre 8): $1,8 / 8 = 0,225 \text{ Gbytes/s} = 225 \text{ MB/s}$.

Como se observa, transmitir vídeo YUV al 100% (sin compresión) requiere una velocidad de transmisión extremadamente alta.

El Espacio de Color YUV y el Submuestreo Cromático

RGB vs. YUV

Una cámara digital identifica la intensidad en los tres colores primarios, conocido como RGB (Rojo, Verde y Azul). Sin embargo, la señal de vídeo no se transmite en RGB, principalmente para mantener la compatibilidad con sistemas de recepción en blanco y negro.

En el modelo RGB, no es posible prescindir de ninguna componente para obtener un color específico. En cambio, el color de un píxel en el modelo YUV se codifica según tres parámetros:

• Y (Luminancia): Representa la intensidad o brillo.
• U y V (Crominancia): Son las dos componentes que añaden la información del color.

Las fórmulas de conversión básicas son:

$$Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B$$

$$U = B – Y$$

$$V = R – Y$$

Fundamento del Submuestreo de Color (*Chroma Subsampling*)

Dado que el sistema visual humano nota mejor las variaciones en la luminancia (Y) que en las componentes de color (U y V), es posible reducir la información de color sin una pérdida perceptible de calidad. Esta técnica, que consiste en no enviar toda la información de color de cada píxel, se denomina Submuestreo de Color o Chroma Subsampling.

Los tipos de submuestreo de color se identifican mediante tres números separados por dos puntos (A:B:C).

Principales Esquemas de Submuestreo

Los esquemas más relevantes en el ámbito de la televisión y el vídeo digital son:

4:4:4 (Sin Compresión)

No existe compresión cromática. Se utiliza la misma cantidad de muestras para Y, U y V. Es común en tarjetas gráficas de ordenadores y postproducción de alta calidad. Debido al gran tamaño que ocupa, no es un formato habitual para la grabación o la transmisión.

Requisitos de Almacenamiento (Ejemplo Full HD 60 fps): Una señal Full HD ($1920 \times 1080$) requiere 3 bytes por píxel. A 60 cuadros por segundo, el flujo de información es de $360 \text{ MB/s}$, lo que implica $1296 \text{ Gigabytes}$ para almacenar una hora de vídeo (sin contar el audio).

4:2:2 (Compresión 1.5:1)

Por cada cuatro píxeles, se utilizan cuatro muestras para la luminancia (Y), dos para la componente U y dos para la componente V. La reducción se aplica horizontalmente. Este esquema reduce la cantidad de información en un factor de 1.5. Es utilizado frecuentemente en cámaras de vídeo profesionales.

4:2:0 (Compresión 2:1)

Es el esquema más común, utilizado en formatos como DVD, Blu-Ray, TDT estándar y HD. Se mantienen cuatro muestras de luminancia (Y) por cada cuatro píxeles, pero las muestras de crominancia (U y V) se reducen tanto horizontal como verticalmente.

La información de crominancia (U y V) solo se añade cada dos líneas. Esto significa que, por cada ocho píxeles, solo habrá cuatro bytes de información de color, en lugar de los dieciséis que se encontrarían en una codificación 4:4:4. En total, se pasa de 24 bits a 12 bits por grupo de píxeles, comprimiendo la información total (color y luminancia) a la mitad.

Bloques Fundamentales del Procesamiento Digital de Vídeo

Una vez muestreada la señal (utilizando esquemas como 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, etc.), el procesamiento se divide en dos etapas principales:

1. Codificación de la Fuente (Compresión y Multiplexación)

Este es el proceso de compresión de la señal de vídeo y audio (utilizando formatos como MPEG) y la multiplexación para el envío conjunto de ambas señales.

Este proceso se implementa en un bloque o circuito de Codificación MPEG y Multiplexión, cuyos componentes pueden identificarse siguiendo el esquema del fabricante o basándose en sistemas de normalización de componentes electrónicos:

• Sistema Proelectron.
• Sistema JEDEC.
• Sistema JIS.

2. Codificación del Canal (Detección de Errores y Modulación)

Este proceso se encarga de la inserción de bits para la detección y corrección de errores, y de la modulación de la señal si esta debe ser emitida por el aire.

Este tratamiento se conoce como el proceso DVB (Digital Video Broadcasting), e introduce dos elementos clave a la señal ya comprimida:

• Algoritmos de Detección y Corrección de Errores: Como Viterbi y Reed-Solomon (parte de la codificación del canal).
• Modulación de la Señal: Generalmente COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing o Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal Codificada) para la televisión digital terrestre (TDT).

La Codificación del Canal y la Modulación Digital se implementan en bloques de circuito específicos, reconocibles mediante los mismos sistemas de normalización de componentes electrónicos:

• Sistema Proelectron.
• Sistema JEDEC.
• Sistema JIS.