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La implantación del Video HDR a examen

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Con el paso de los años, los consumidores han disfrutado de avances tecnológicos en la emisión y en la calidad de las imágenes de video y son propensos a invertir en soluciones que han demostrado mejorar la experiencia de visionado. Los ingenieros de este campo han respondido con un esfuerzo constante para lograr unos videos más realistas, más dinámicos y más atractivos.

 

La aparición de la televisión a color en 1950 constituyó un momento clave en la historia del vídeo porque este avance trajo consigo la decisión de que la tecnología fuese compatible retroactivamente. Cuando las cadenas de televisión modernizaron su señal, los televisores en blanco y negro continuaron funcionado mientras los receptores nuevos eran capaces de interpretar la retransmisión mejorada, lo que llevó la televisión a color a los hogares que disponían del equipamiento actualizado  y creó una solución de emisión única. Los receptores en blanco y negro ya existentes continuaron funcionado, los receptores a color podían interpretar la información adicional retransmitida junto a la señal en blanco y negro para adecuarse a esta nueva funcionalidad.

 

De la misma forma que la televisión en blanco y negro cedió al color, la definición estándar dio paso al vídeo en alta definición (HD) con una mayor resolución y una mayor cantidad de colores más ricos. Hoy en día, la HD está bien asentada en muchos mercados geográficos e igualmente los creadores de contenido y los distribuidores siguen fomentando la próxima “mejor” evolución en cuanto a calidad de vídeo. El interés inicial en mejorar la resolución de la pantalla, impulsado por la confianza en la rápida aceptación por parte del mercado, se centra en tres adelantos potenciales:

 
–    Incremento de los píxeles por cuadro, conocida como resolución 4K aunque la 8K está lista para la emisión en un futuro cercano.
–    Aumento de los cuadros por segundo (fps), lo que supone el paso de la norma en el sector de 24 ó 30 fps a la imagen de alta frecuencia (HFR), con 100 ó 120 fps para proporcionar más detalles espaciales, en especial en aquellas escenas donde las cámaras graban en panorámico o donde hay acciones intensas, como en el deporte.
–    Ampliación del rango dinámico y de la profundidad del color de la imagen, con el alto rango dinámico (HDR) que emplea 10 ó 12 bits por color para expandir el espectro.
El HDR supone una manera ya disponible para aumentar la resolución de la imagen percibida y este artículo revisa cómo se puede implantar. La tecnología para ofrecer HDR ya existe, aunque no se ha resuelto la cuestión de la estandarización. Cualquiera que sea la implantación exigirá la flexibilidad que tienen las soluciones de vídeo definido por software (SDV).

 

Espacio de color

Durante muchos años, los científicos han investigado sobre la naturaleza del color y de cómo se puede capturar en películas y medios digitales. La representación más reconocida y respetada del espacio de color procede del trabajo de la Comisión Internacional de Iluminación, también conocida por su denominación en francés (Commission Internationale de l’Éclairage) o CIE, aunque se fundó en Berlín.

 
Hace ochenta y cinco años, CIE creó los diagramas que definen el espacio de color en RGB y en XYZ como parte de su norma de 1931. Seis décadas después, en 1990, la Unión Internacional de Telecomunicaciones definió el color para la televisión en HD en su recomendación ITU-R Rec 709. Esta limitaba el espectro de color a una región relativamente restringida del espacio de color de CIE y reflejaba las capacidades tecnológicas del momento, en especial las limitaciones de las pantallas CRT.

 
En 2012 la UIT publicó la ITU Rec 2020, una gama de color más adaptada a los actuales televisores de pantalla plana y de alto rendimiento. Hoy en día, la apuesta del vídeo HDR es la implantación del espacio de color expandido disponible en la Rec 2020.

 
Dado que el sector no ha alcanzado un consenso sobre el HDR, tanto por motivos técnicos como por razones empresariales, la implantación del HDR continúa en progreso. Aún permanecen cuestiones fundamentales sobre cómo se codifica, se transmite y se decodifica el HDR. Dentro de la industria, los subsectores como los proveedores de televisión por pago y los productores de contenidos que les prestan servicio, prosperarán o se verán cuestionados en función del conjunto de especificaciones, normas y prácticas que finalmente se adopten.

 

Bit a bit

El número de colores que se puede proyectar en vídeo está controlado directamente por la profundidad de bits, también denominada profundidad de color. En un sistema RGB, la profundidad de bits de cada color determina el número total de colores disponibles. Un sistema de 8 bits ofrece 256 niveles por color, o  256 x 256 x  256 = 16.777.216 colores diferentes. En un sistema de 10 bits se presentan 1024 niveles por color, lo que hace más de mil millones de tonos distintos.

 
En términos matemáticos, esto es un gran avance. Sin embargo, se podría argumentar que cerca de 17 millones de colores diferentes son satisfactorios; ¿necesitamos mil millones de colores?
Se pueden dar varias respuestas. Para empezar, cuando se añaden más matices a los tonos se facilitan unas transiciones de color más fluidas en las familias cromáticas. En una imagen de vídeo con amplias zonas de colores similares (como, por ejemplo, el cielo azul o un bosque verde) el entorno de color de 8 bits puede suponer que se diferencien tramos donde el color no fluya con naturalidad sino que se divide en franjas perceptibles. El color de 10 bits hace que la diferencia entre matices adyacentes sea más sutil, lo que a su vez reduce la aparición de bandas visibles y molestas.

 
La presencia de más colores da lugar a una mejora perceptible de la nitidez de la imagen: el HDR hace que parezca que un vídeo tiene más píxeles. Esto se debe a que la diferencia entre cada color es más delicada y está más delineada. Para el ojo humano, el HDR se acerca más a lo que se ve en el mundo real.

 
Por último, la ampliación del número de bits por color hace que el negro sea más negro y el blanco más blanco, manteniendo las transiciones de color lineales y fluidas en los tonos intermedios. Esto depende de la cadena de prestación de la imagen y en especial de si la pantalla es capaz de tratar con el HDR.

 

 

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La tecnología en pantallas

Las pantallas de tubo de rayos catódicos (CRT) están limitadas en cuando a los rangos de luz que pueden generar, razón por la que la recomendación original de la UIT Rec 709 estableció un espacio de color con unas restricciones muy estrictas y solo colores de 8 bits. El haz de electrones y la pantalla fosforescente no pueden proyectar una imagen HDR porque el fósforo no deja de brillar cuando el haz de electrones se desplaza. Cuanto más alto es el voltaje que lo traspasa, más tiempo permanece iluminado. Los intentos de mejorar el brillo del monitor CRT resultan en imágenes poco nítidas, lo que reduce la resolución percibida en lugar de incrementarla.

 
Las pantallas de cristal líquido (LCD) también están limitadas en cuanto al rango dinámico. Incluso si un píxel está configurado para aparecer negro, la luz se filtra por él y si está configurado para blanco, no es perfectamente transparente.

 
La aparición de las pantallas de diodo orgánico de emisión de luz, OLED, ha aumentado el potencial del HDR. La tecnología OLED es de emisión: el píxel genera luz por sí mismo en lugar de controlar una retroiluminación constante como en las LCD. En las mejores pantallas OLED, el color negro es notablemente negro y  están disponibles dispositivos de alto rendimiento que pueden generar niveles más altos de blanco. Entre los dos extremos, las pantallas OLED presentan una consistencia destacada.

 
De esta linealidad deriva otro beneficio.  Históricamente, se utilizaba la curva gamma para aprovechar al máximo el rango dinámico del CRT. Permitía utilizar un ancho de banda mayor en los tonos intermedios, lo que propiciaba que los coloristas pudieran juzgar artísticamente el mejor uso del rango de colores limitado.

 
Esto ha sido sustituido por una nueva fórmula: la función de transferencia electro-óptica (EOTF), denominada en ocasiones calidad perceptual (PQ). Esta facilita una forma más granulada de trazar la luminaria mientras se mantiene el control creativo. EOTF permite una estructura existente para transmitir contenido HDR y está incorporada en el estándar de compresión  de codificación de vídeo de alta eficiencia (HEVC/H.265).

 

Compatibilidad

Cuando se empezó a introducir, la televisión a color era compatible retroactivamente: la señal podía verse en televisores en blanco y negro y a color. Muchos actores del sector consideran que la introducción del HDR debería contar con esa compatibilidad retroactiva: una emisión única debería poderse interpretar según las capacidades del receptor.

 
Varias empresas están proponiendo sistemas HDR prácticos, entre ellas Dolby, Technicolor, Philips y BBC/NHK, que defienden en su totalidad el planteamiento de compatibilidad retroactiva. Otras, en especial aquellas que trabajan en emisiones de transmisión libre y Blu-ray 2, están menos preocupados por esa compatibilidad. La implantación de sus propuestas de difusión podría suponer un cambio de codificadores y decodificadores.

 
La otra diferencia estructural entre planteamientos es la cuestión de la capa única o doble. Con un planteamiento de capa doble, las emisiones en rango dinámico estándar (SDR) y en vídeo HDR se transmiten independientemente en el proceso de trabajo y es el dispositivo receptor el que decide a cuál adaptarse. Esto supone un reto para los procesos internos, en particular al empalmar anuncios en SDR en un programa HDR o al insertar mensajes de emergencia en el sistema de difusión.

 
Con el planteamiento de capa única, un proceso de trabajo transmite la señal SDR, junto con metadatos adicionales que indican cómo ampliar el rango dinámico a los equipos dotados con HDR. Esto proporciona una compatibilidad retroactiva íntegra, ya que los dispositivos que no sean HDR no van a entender los metadatos adicionales y por lo tanto no van a prestarles atención. Añadir un proceso puede limitar los beneficios de ampliar el rango dinámico.

 
Asimismo, los diseños de los codificadores deberán tener en cuenta que el HDR se consiga a tiempo real, dado que el deporte en directo es un gran impulsor para sus capacidades y tampoco debería suponer mucho tiempo de espera.

 
Actualmente hay un interés auténtico en el HDR como medio de proporcionar a los consumidores un contenido más atractivo. Sin tener en cuenta las resoluciones y el aumento de cuadros, el HDR puede dar un impulso visible a la calidad perceptual con un coste adicional discreto por bit. Tanto el sector como los consumidores quieren el HDR más pronto que tarde.

 
No obstante, está aún lejos la culminación de las funcionalidades. Algunas organizaciones proponen técnicas factibles aunque patentadas para implantar el HDR, mientras que otras exigen cautela ante a dejar que los estándares abiertos recuperen terreno. En el peor de los casos, la división de criterios puede dar lugar a un panorama de VHS frente a Betamax o Blu-ray contra HD-DVD.

 
Llevará tiempo resolver las cuestiones ya existentes y surgirán otras respecto a las soluciones acordadas, incluso si no se estandariza en solo un sistema. Se puede pedir a los propietarios del contenido que faciliten el contenido en HDR en formatos diferentes para distintas plataformas de distribución. El HDR resulta un elemento clave en la evolución global del vídeo y supone una parte de un panorama en continuo cambio. El mantenimiento de cuantos componentes sea posible en el software reduce tanto los gastos de capital como los de explotación.

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Gustavo Robles nuevo
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