Resolución

Este artículo es mi traducción sobre un informe muy interesante llamado "La dura realidad acerca de la Resolución" escrito por Peter Utz, un respetado experto. Otro artículo interesantes se puede encontrar en : http://hometown.aol.com/ajaynejr/vidres.htm

Al final hay un artículo mío sobre los CCD (charge coupled device) que se usan y la resolución que dan.

Si echamos un vistazo a los Foros de Discusión -incluido el nuestro- veremos como hay muchas y repetidas alusiones al tema de la resolución. Los aficionados creemos que éste es el único elemento a considerar cuando hablamos de "calidad de imagen". Eso no es así.

Usando la cámara adecuada podemos editar tres veces sobre el "malísimo" VHS y el resultado puede tener un aspecto mejor que un grabacion hecha con una videocámara Hi8. Otras veces, 270 líneas de resolución dan mucha mejor sensación que una grabación con sistemas de 550 líneas [mi "famosa" polémica de porqué un "Paraisos Cercanos" grabado en mi viejo vídeo VHS tiene mucho mejor aspecto que mis grabaciones en miniDV) ¿ Porqué ocurre esto ? Pues porque hay otros muchos aspectos a considerar además de la resolución: relación señal/ruido, color, compresión, procesados de señal, etc. Si aceptas el principio aquí expuesto de que la resolución no lo es todo, puedes pasar al siguiente artículo, "Resolución de las Cámaras"

Resolución de las Cámaras:

Aquí empieza la traducción y ligera adaptación. Está un poco anticuada y suele hablar de S-VHS y VHS, pero yo creo que los conceptos son aplicables al miniDV. Entre corchetes, los comentarios de mi cosecha. Que os aproveche:

"Cuando nos planteamos la compra de una cámara y analizamos los catálogos de los fabricantes, vemos como algunos anuncian cámaras con 570.000 pixels, otros con 800.000, incluso con 1.200.000, etc pero si al final vamos a acabar transfiriendo a VHS con solo 240 líneas, ¿ para qué tantos pixels ? ¿ Se notará la diferencia ? ¿ Porqué los profesionales usan cámaras carísimas ( de más de 2 millones ) y editan en S-VHS si al final acaban dando la copia al cliente en formato VHS ?

Estas preguntas se repiten una y otra vez. Lo primero es entender el concepto de resolución y pixel.

Resolución

La resolución mide la finura de la imagen y se especifica en líneas horizontales. La imagen de TV se compone de 525 líneas [625 para el PAL] horizontales, nos lo podemos imaginar como una ventana veneciana hecha con 525 [625] láminas.Por esta razón, la resolución vertical siempre es la misma [la ristras de pixels horizontales dan resolución vertical, y las verticales resolución horizonta. Pensadlo un momento]

Si mirásemos a través de una ventana con una persiana veneciana gigante y pudiéramos ver una escalera distante y contar 525 escalones, entonces tendríamos una resolución vertical de 525 líneas. Si no pudiéramos contarlos, debido a que están confundidos o tapados por las láminas de la persiana veneciana, entonces tedríamos menos resolución. Acercando la escalera, podríamos contar los 525 escalones. Esto es una primera simplificación al estudio, ya que de las 525 líneas de la TV [NTSC] solo 483 se usan realmente para imágen [unas 575 para el PAL].

Volvamos a nuestra ventana veneciana y nuestra "carta de resolución" ( nuestra escalera ). Podríamos pensar que 483 líneas de TV nos darían una resolución vertical de 483 ( podríamos contar 483 escalones en la escalera). Pero esto no es cierto. Si una línea muestra un escalón, la siguiente línea debe mostrar el espacio entre escalones, para que dos escalones adyacentes no se confundan en uno. Llevándolo al límite, si cada línea muestra un escalón la escalera parecería un "todo" macizo. Debemos poder ver "escalon-espacio-escalón-espacio", definiendo esto como una imagen con 4 líneas de definición, necesitando 4 líneas para ello.Por tanto, con 483 líneas de TV podemos ver 120 escalones, pero aún así esto es llamado "483 líneas de resolución". De nuevo, aquí hay una simplificación. La resolución real de 483 líneas de escaneo es 483 x 0.7 = 338 líneas [400 PAL] ¿ Porqué 0.7 ? Imaginemos que miramos por la ventana veneciana y vemos los escalones entre las láminas. Si movemos un poquito la cabeza se podría dar el caso de que las láminas tapasen justo los escalones y no viéramos nada de la escalera. La definición de resolución insiste en que debemos ser capaces de contar los escalones, bajo todas las circunstancias… Pues bien, los científicos y matemáticos se han sacado un factor ( "Kell Factor") de 0.7 que dice que "no importa como mires por la ventana, como media el 70% de los escalones deben ser visibles". [uff ]

Volviendo a las cámaras, encontramos que una imagen de TV NTSC de 525 líneas [625 PAL] usa 483 [575 PAL] para la imagen, resultando en una resolución vertical de 338 líneas [400 PAL]. El sensor de una cámara debe tener 483 pixels dispuestos verticalmente para acomodar las 483 líneas de scan horizontales. [Para el PAL se necesitan 575 pixels verticales]. [Para fijar conceptos, el NTSC proporciona una resolución máx. vertical de unas 340 líneas, mientras que el PAL proporciona 400. ]

Del mismo modo podemos hablar sobre la resolución horizontal. Si imaginamos una cerca [para que no se escapen las vacas locas, por ejemplo], compuesta por 400 picas verticales y la filmamos con nuestra cámara, si somos capaces de contar 400 picas verticales, es que la cámara tiene 400 o más líneas de resolución horizontal. Sí, ya sé que las picas están en vertical … pero las contamos de derecha a izquierda, en horizontal. Por eso se habla de resolución horizontal. [gluggg hay que pensar un poquito. Para poder discernir dos rayas verticales muy juntas, debemos tener los pixels dispuestos horizontalmente muy juntos]. De nuevo se ha simplificado. Para poder contar 400 picas, debe ser posible observar también el espacio entre ellas. Se debe ver pica-espacio-pica-espacio. Es decir, 4 lineas de resolución horizontal. Un CCD con 400 pixels horizontales podrá contar 200 picas y 200 espacios. De nuevo, hay que referirse al factor Kell de 0.7, dando 400 x 0.7 = 280 líneas de resolución horizontal. Pero como las pantallas de TV no son cuadradas si no que tienen un factor 4/3 = 1.33 hay que corregir este dato y quedan 280 / 1.33 = 210 [ufff, a pensar otro poquito]

Por tanto, las líneas verticales de resolución son siempre las mismas, impuesta por la norma de TV, pero las horizontales dependen de la calidad del equipo [por eso se especifica este dato]. [La resolución vertical va a ser muy similar en todas las TV salvo casos extremos de televisores muy pequeños o de extremada baja calidad, con una rejilla de apertura muy poco fina]

Vamos a lo práctico: leemos en un catálogo que la cámara tiene 410.000 pixels ( supongamos que es una cámara en blanco y negro). ¿ Cúal es la max. resolución teórica ? Vamos con los cálculos. De los 410Kpixels el 92% queda dentro de los bordes de la imagen [?], el resto no son efectivos. Nos restan 380Kpixels efectivos. Hay que dividir entre 483 líneas de scan activas [NTSC, PAL 575], y nos quedan 786 pixels por línea. Multiplicado por el factor Kell 0.7 quedan 550. Ahora multiplicamos por 0.75 por aquello de la relación de aspecto 4:3, y nos da 412 líneas de resolución. Para el sistema PAL saldrían 347 líneas. [Las videocámaras PAL suelen llevar CCD de más pixels que sus homólogas NTSC para compensar este efecto]

Cámaras y vídeos.

Los vídeos VHS tienen una resolución de 240 líneas. Son líneas de luminancia. La resolución de color es mucho menor, pero el ojo es muy poco sensible a ella. Los sistemas S-VHS y Hi8 tienen mucha más resolución, hasta 400 líneas, pero sólo si usamos la entrada S-video ( luminancia y crominancia separadas). Si usamos las entradas de video compuesto, la resolución cae a 330 líneas. La TV ya hemos visto que tiene unas 330 líneas [NTSC] de resolución. Pero las cámaras profesionales llegan a las 500 o 700 líneas. Volvemos a la pregunta inicial ¿para qué tanta resolución si al final se usan 400 líneas en el mejor de los casos ?

La respuesta es que cuanto mejor sea la cámara mejor será el resultado final. Obviamente todo tiene un límite coste/prestaciones y llega un momento en que una mejora de la fuente original apenas se notará visualmente, pero sí economicamente. Pero , técnicamente hablando a qué es debido este fenómeno ? Tiene que ver con la profundidad de modulación. Pongamos que filmamos un punto blanco con todo el resto de la imagen en negro. Si filmamos con una cámara de 700 líneas, el punto será bien definido y nítido. Si lo hacemos con una de 300 líneas, el punto estará ya un poco borroso. Si ahora grabamos a VHS, éste meterá "otra capa de borrosidad" sobre el original. Lo tomado con 300 líneas, tendrá "dos capas" de borrosidad. Lo grabado con la cámara de 700 líneas, solo una.

[Aquí viene una explicación técnica sobre los analizadores de onda y la profundidad de modulación, quizás demasiado técnica y dificil de comprender sin tener un aparato delante.]

Otras características de las buenas cámaras

Las cámaras con 3 CCD pueden usar una técnica especial de desplazamiento con los que consiguen que con 3 CCD de 500 líneas, se acabe obteniendo 700 líneas de resolución.[ Es lo que hace Canon en la XL1 y XM1]. Las cámaras con 3 CCD dedican uno a cada color, con filtros más precisos y colores más naturales.

Las cámaras buenas tienen mejor la relación señal-ruido, dando imágenes con menos grano. Una imagen bien perfilada pero con grano no es agradable de ver [no confundir con el grano de la fotografía ]

Del mismo modo, un buen CCD presenta menor efector SMEAR ( imágenes corridas cuando se filman luces muy puntuales, tales como faros de coches por la noche, luz de velas , etc).

Las lentes profesionales son mucho menos propensas a las aberraciones cromáticas, fenomeno que hace que distintos colores enfoquen en distinto plano, dando imágenes más borrosas.Asimismo, evitan las distorsiones de barril , tan frecuentes en tomas angulares. Las lineas verticales son siempre verticales, independientemente de la posición del zoom.

Las lentes profesionales llevan mejores recubrimientos antirreflexivos, con menos pérdida de luz y menos efecto "halo".

Por no hablar de los controles manuales de las cámaras profesionales, que no solo dan imágenes con más resolución, si no más bellas."

Bueno, pues hasta aquí la traducción. La verdad es que me gustaría saber que opina este hombre de las actuales miniDV.

Datos de CCD reales

A continuación os presento los datos suministrados por Panasonic para algunos de sus CCD comerciales del año 1994. Uno de ellos, el NM3723 es el que monta mi "vieja" miniDV JVC J70. Todos los datos son para CCD PAL.El número de pixels es ya el efectivo "bruto" (JVC especifica para la J70 670K pixels, pero ya vemos que efectivos son 623K que se quedan en unos 400K si tenemos en cuenta la estabilización)

Vemos como todos (menos el primero y el último ) tienen 582 pixels verticales, coincidiendo con la teoria expuesta anteriormente de que el número debería ser de 575 (hay unos pocos más por cuestiones técnicas). En cuanto al número de pixels horizontales, varia de acuerdo a la calidad requeridad por el sistema. ¿ Qué pasa con el primero, el NM3723 EIS ? Pues que está pensado para utilizar sistemas electrónicos de estabilización de imagen y tiene un cierto número de pixels de sobra para este menester. Si comparamos el primer dispositivo con el segundo, vemos como el fabricante declara la misma resolución. De aquí se intuye que el primer dispositivo tiene unos 227K pixels de sobra para implementar una "ventana de imagen móvil dentro de un marco exterior fijo". Moviendo esta ventana interior se compensa las vibraciones de nuestra mano al sujetar la cámara (sobretodo después de una noche de copas).

En cuanto a los pixels horizontales y su traslación a resolución vertical, pues no me salen muy bien las cuentas que hemos echado antes, pero más o menos se ve la relación.

Hoy en día casi todos los fabricantes de miniDV usan 410Kpixels efectivos reales ( una vez descontados los que usa la estabilización electrónica) lo cual da unas cifras de resolución de unos 420 x 430 pixels. Es una lástima que no haya un ajuste de usuario para utilizar todo el CCD, desechando la estabilización. ( En nuestras cámaras, desactivar la estabilización no significa usar todo el área de imagen del CCD, significa simplemente eso, que está desactivada).

Sony especifica para muchos de sus modelos un CCD de 810Kpixels, pero luego anuncia que se quedan en 420K ( el restante es para estabilización). La matriz resultante podría ser de 720 x 582 pixels, con una resolución extrapolada de 420 x 454 ( por extrapolación con el NM3727).

La PC100 anuncia 1Mpixels, con 690K efectivos, pero yo aquí tengo mis dudas ya que estaría usando 310K para estabilización, mientras que la PC4 /5 usaría 390K. Si suponemos que la estabilización es igual de "buena" en ambos, para la PC100 quedan 610Kpixels lo que nos lleva a una posible matriz de 1048 x 582 y una resolución de 420 x 661 .

Todo esto es pura especulación y no sé si la extrapolación con los dispositivos de Panasonic tiene lógica. También hay que tener en cuenta las limitaciones de las ópticas y de los circuitos de procesado de señal. Son datos para la polémica. Por cierto, conseguir los datos de los CCD que montan las cámaras de hoy en día es poco menos que imposible. Ya se cuidan los fabricantes de que no salgan "sabiondos" poniendo pegas …En esta página podeís encontrar datos de algunos CCD de Sony : http://www.sel.sony.com/semi/ccdarea.html

¿ Y el último monstruito de la tabla de arriba ? Es un CCD B/W destinado a sistemas de alta definición. Ya vemos como se las gastan los profesionales del año 1994 (imaginaos hoy en día). Y luego empezamos con la polémica de por qué los documentales profesionales se ven mejor que los de nuestras miniDV ….

Medida práctica de la resolución

Como ya se ha explicado, la resolución puede depender de múltiples factores. Para tener un dato real de su valor hay que realizar una medida de ella. Para este propósito se emplea un patrón de resolución, una carta de ajuste. En ella hay unas líneas divergentes con una escala graduadas en "líneas de resolución" . Allá donde la cámara deja de ser capaz de discernir dos líneas, se hace una lectura en la escala de resolución. Es necesario que la carta de ajuste sea de buena calidad, imprimida sobre papel fotográfico de grano fino. Evidentemente hay que ponerla a la distancia precisa, referenciada por el fabricante de la carta en función de su tamaño.

Si alguno quiere conseguir una , la tiene disponible por 84$ en http://www.edmundoptics.com con la referencia "EIA Resolution chart K52-997". El tamaño es 8.5" x 11.5". Estos tíos de Edmund Optics tienen un catálogo fabuloso, si podeís pedirlo merece la pena: tienen "de todo" en óptica profesional. Por algún sitio de la red he visto esta misma carta escaneada y en formato JPEG, lista para ser imprimida ( gratis, pero no es lo mismo). La podeís descargar en un link que hay aquí :http://www.bealecorner.com/trv900/respat/

Resumiendo y contestando a mi pregunta

La resolución es un parámetro de calidad muy importante, pero no el único. La resolución vertical para el sistema PAL es un dato fijo, en torno a 400 ~ 420 líneas. La resolución horizontal viene dada por el número de pixels del CCD. En las cámaras miniDV actuales de 800Kpixels puede estar en las 450 líneas (suponiendo que las lentes y circuitos internos son de buena calidad). Cámaras con CCD de más pixels o 3 CCD pueden superar esta cifra y llegar a las "míticas" 500 líneas.

Otros factores que van a influir en la calidad de la imagen son la profundidad de modulación, relación señal ruido, margen dinámico, ópticas, integridad de la señal, sistema de compresión elegido …

¿ Qué ofrecen cámaras profesionales de alto standing tipo Betacam Digital 16:9 sobre las miniDV domésticas ? (Ya sé que esta comparación no es justa y es un caso extremo)

- Tres CCD de alta resolución ( mejor contraste, colores más nítidos y calibrados, más resolución "inicial").

- CCD "pata negra" de relación 16:9 , sin pérdidas como cuando se graba en 16:9 usando CCD de 4:3.

- Ópticas de calidad y buen tamaño ( buena luminosidad, ausencia de aberraciones y distorsiones, poco halo, buen contraste)

- Sistema de compresión menos agresivo ( en vez del 5:1 del miniDV usa 1.77:1, de nuevo menos pérdida de detalle y menos "ruido mosquito" y otros "artifacts" digitales)

- Más bits para la cuantización ( usa 10 bits por canal de vídeo, en vez de 8 lo cual brinda mejor contraste y menos saturación, cielos azules con nubes blancas … )

- Sistema de cuantización 4:2:2 en vez del 4:2:0 del miniDV PAL ( de nuevo, mayor cuidado de la señal de color, con más saturación, detalle y naturalidad).

Bueno, pues "Paraisos Cercanos" está filmado usando cámaras Betacam Digital 16:9. ! Al fin la respuesta! ! Nada de levantarse a las 6 de la madrugada para tener buena luz ! ! Nada de planificar bien las tomas, cuidar el audio, filtros especiales, buena postproducción ! Simplemente consiste en tener la cámara adecuada ( al menos, para obtener calidad bruta de imagen, otra cosa es que salga un fistro de documental…y reconozco que levantarse temprano tambien ayuda para evitar la espantosa luz del mediodia). La diferencia de aspecto general es tan grande, que estas mismas imágenes pasadas a VHS siguen teniendo "mejor calidad" (pero menos resolución) que un original miniDV. De nuevo queda claro que "la resolución no lo es todo".

Tampoco quiero dejar aquí una idea pesimista o negativa del miniDV: estamos comparando cámaras de 10 o 20 veces más precio. Las miniDV siguen dando una relación calidad precio imbatible y además ya muy cerquita o a la par de la calidad de los sistemas profesionales utilizados con más frecuencia en las grabaciones en vivo y reportajes. Por no hablar de su reducidísimo tamaño y peso. (Betacam Digital 16:9 es un sistema de alta calidad reservados para programas y reportajes que precisan "lo mejor" en imagen)