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CCIR 601
CCIR 601 es la primera norma sobre la televisión digital, encargándose del muestreo de la señal. Se aplica solamente en estudios, sin llevar a cabo ningún tipo de compresión.
Dicha norma, ha ido evolucionando desde que fue creada, en los años 80, lo que hace interesante o imprescindible especificar la família de parámetros a los cuales hace referencia. Empezando por la relación de aspecto (4:3 ó 16:9) hasta el submuestreo de las componentes de color que se aplica (4:4:4 ó 4:2:2).
La norma recomienda que sea usada como base para los estándares de codificación digital, por los estudios de televisión en países que utilicen un sistema de 525 líneas y 625 líneas.
La norma especifica métodos para la codificación digital de señales de vídeo. Incluye una relación de la frecuencia de muestreo (Fm) de 13,5 MHz para la componente de luminancia Y, con una relación de aspecto 4:3 y 16:9. Para sistemas que requieren una resolución horizontal mayor, hay una alternativa cuya frecuencia de muestreo es de 18 MHz para una relación de aspecto de 16:9.
Para las componentes de crominancia se emplean una frecuencia de muestreo de 6,75 MHz. La profundidad del muestreo PCM es de 8 bits, opcionalmente de 10 bits para los centros de producción y el flujo de la señal digitalizada se obtiene a partir de :
Flujo = (13,5 + 2x6,75)x10 = 270 Mbps
Definición de las señales digitales Y, Cr, Cb a partir de las analógicas Er', Eg' y Eb'
El espacio de color que generan las componentes Y, Cb y Cr es muy similar al que se utiliza en el sistema PAL, con la diferencia de que los coeficientes que ponderan las señales, hacen que las componentes tengan la misma amplitud pico a pico.
Veamos ahora los pasos necesarios para obtener las componentes Y, Cb y Cr.
Construcción de las señales de luminancia Ey' y de diferencia de color (Er' - Ey') y (Eb' - Ey')
Ey' = 0,299·Er' + 0,587·Eg' + 0,114·Eb'
(Er' - Ey') = Er' - 0,299·Er' - 0,587·Eg' - 0,114·Eb' = 0,701·Er' - 0,587·Eg' - 0,114·Eb'
(Eb' - Ey') = Eb' - 0,299·Er' - 0,587·Eg' - 0,114·Eb' =-0,299·Er' - 0,587·Eg' + 0,866·Eb'
Podemos representar los valores normalizados a la unidad según la siguiente tabla
Valores normalizados Condición Er' Eg' Eb' Ey' Er'-Ey' Eb'-Ey' Blanco 1,0 1,0 1,0 1,0 0 0 Negro 0 0 0 0 0 0 Rojo 1,0 0 0 0,299 0,701 -0,299 Azul 0 0 1,0 0,114 -0,114 0,886 Amarillo 1,0 1,0 0 0,886 0,114 -0,886 Cian 0 1,0 1,0 0,701 -0,701 0,299 Magenta 1,0 0 1,0 0,413 0,587 -0,587 Construcción de señales de diferencia de color re-normalizadas (Ecr' y Ecb')
Mientras que los valores de Ey' tienen un rango [0 - 1,0], las señales (Er' - Ey') tienen un rango que va de [-0,701 a +0,701] y (Eb' - Ey') de [-0,886 a +0,886]. Para restaurar la excursión de la señal de diferencia de color a la unidad, los coeficientes se han de calcular de la siguiente forma:
Kr = 0,5 / 0,771 = 0,713 ; Kb = 0,5 / 0,886 = 0,564
Entonces, basta multiplicar por los K's:
Ecr' = 0,713(Er'-Ey') = 0,500·Er' - 0,419·Eg' - 0,081·Eb' Ecb' = 0,564(Eb' - Ey') = -0,169·Er' - 0,331·Eg' + 0,500·Eb'
Donde Ecr' y Ecb' son las señales re-normalizadas de diferencia de color rojo (red) y azul (blue).
Conversión A/D (Analógica/Digital)
Para realizar la conversión A/D, se ha de tomar una frecuencia de muestreo que nos permita compatibilizar el intercambio de contenidos entre los sistemas Europeo (PAL, 625 líneas activas) y Americano (NTSC, 525 líneas activas). Se ha tomado una frecuencia de muestreo (Fm (Y)) que es múltiplo entero (143) del mínimo común múltiplo de la Fl (frecuencia de línea) de ambos estándares (15.625Hz y 15.734,26573HZ) que resulta de 2,25MHz. Además, para que cumpla el criterio de Nyquist, se ha tomado seis veces dicha frecuencia para la componente de luminancia (Fm (Y) = 13,5MHz) y de tres veces para las de crominancia (Fm (Cr, Cb) = 6,75MHz).
Cuantificación
En el caso de cuantificación uniforme binaria de 8 bits,
niveles (=256), para niveles iguales de cuantificación, obtenemos un rango de números binarios que va del 0000 0000 al 1111 1111 (00 al FF en notación hexadecimal), equivalentemente del 0 al 255 en notación decimal.En el caso de sistemas 4:2:2, el nivel 0 y el 255 están reservados para datos de sincronismo, mientras que los niveles 1 al 254 están disponibles para video.
Dado que la señal de luminancia ocupa únicamente 220 niveles, para proveer de márgenes de trabajo, y que el nivel negro es el nivel 16, el valor decimal de la señal de luminancia, Ys, previo a la cuantificación es:
Ys = 219·Ey' + 16
el nivel correspondiente al valor después de la cuantificación, es un valor entero cercano a Ys.
De forma similar, dado que la señal diferencia de color ocupa 255 niveles y que el nivel 0 se convierte en el nivel 128, el valor decimal de la señal diferencia de color, Crs y Cbs, previas a la cuantificación son:
Crs = 224[0,713(Er' - Ey')] + 128 Cbs = 224[0,564(Eb' - Ey')] + 128
y simplificándolas son:
Crs = 160(Er' - Ey') + 128 Cbs = 126(Eb' - Ey') + 128
el nivel correspondiente al valor después de la cuantificación, es un valor entero cercano a Crs y Cbs. Los equivalentes digitales se denominan Y, Cr y Cb.
Debido a la necesidad de crear márgenes de seguridad para las señales Y, Cb, Cr, y que estas tienen una rango de valores de 220, 225, 225 respectivamente, se concluye que el número de colores representados en el espacio de color Y, Cb. Cr es menor que el de R, G, B.
Nº Colores RGB(8 bits/m) = 256x256x256 = 16.777.216 colores Nº Colores YCbCr(8 bits/m) = 220x225x225 = 11.137.500 colores
Además, hay que tener en cuenta que no todos los 11 millones de valores son válidos, ya que se pueden obtener valores negativos de R, G, B. A este efecto se le denomina error de Gamut en RGB.
Construcción de Y, Cr, Cb cuantificando Er', Eg', Eb'
En el caso donde las componentes son directamente derivadas de las componentes de señal gamma pre-corregidas Er', Eg', Eb', o directamente generadas de forma digital, entonces la cuantificación y codificación debe ser equivalente a:
Erd'(en forma digital) = int(219·Er') + 16 Egd'(en forma digital) = int(219·Eg') + 16 Ebd'(en forma digital) = int(219·Eb') + 16
Entonces:
Y = (77/256)·Erd' + (150/256)·Egd' + (29/256)·Ebd' Cr = (131/256)·Erd' - (110/256)·Egd' - (21/256)·Ebd' + 128 Cb = -(44/256)·Erd' - (87/256)·Egd' + (131/256)·Ebd' + 128
tomando los coeficientes enteros más cercanos, base 256. Para obtener las componentes 4:2:2 Y, Cr, Cb, filtrando paso-bajo y sub-muestreando deben cumplir el 4:4:4: Cr, Cb.
Limitando las señales Y, Cr y Cb
La codificación digital en forma de señales Y, Cr y Cb, pueden representar una gama de valores de señales mayor de las que pueden ser soportadas por los correspondientes rangos de señales R, G y B. De esta forma, cuando la señal es convertida a R, G, B, puede resultar con valores fuera del rango de definición. Entonces resulta conveniente limitar los valores de Y, Cr, Cb para evitar dicho problema. ITU 601
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