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Panasonic España S.A.
Diseño y desarrollo de la HVX200
La nueva cámara AG-HVX200 representa una redefinición de la adquisición de alta
calidad en HD con un coste efectivo. Desde su concepción, Panasonic ha querido crear
una cámara que proporcionara contenidos atractivos para las producciones
independientes y para la captación de noticias, así como para el amplio abanico de
aplicaciones en HD y en SD que queda en medio. Partiendo del éxito obtenido en
definición estándar con la DVX100, Panasonic se ha propuesto conseguir, en el terreno
de la alta definición, los mismos logros con una funcionalidad similar.
Este documento trata de explicar los motivos por los que Panasonic ha optado por
determinadas tecnologías a la hora de diseñar y desarrollar la nueva AG-HVX200.
1080/50p
Tecnología Progresiva
Avanzada (APT)
CCD
DSP
Codec
Media
El captador de imagen
El diseño de la nueva cámara AG-HVX200 se basa en tres aspectos fundamentales:
- la sección de captura de imagen
- la parte de proceso de señal, y
- el bloque de almacenamiento con compresión.
El más importante es el captador de imagen. Sabiendo que la cámara ha de trabajar
tanto en alta definición (HD) como en definición estándar (SD), Panasonic analizó las
diferentes tecnologías y sus respectivos inconvenientes.
Al usar dispositivos CCD de 1/3 de pulgada con resolución nativa 1920x1080, no tendría
suficiente sensibilidad en ambientes poco iluminados porque los píxels serían
demasiado pequeños como para colectar suficiente luz.
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De la misma forma, un CCD de 1/3” con resolución nativa 1280 x 720 requeriría un
cambio en la arquitectura tan radical para alcanzar una sensibilidad y un rango dinámico
razonables, que provocaría artefactos en la imagen.
La captura de imagen entrelazada tiene la ventaja de que parte de una ganancia inicial
que permite utilizar píxeles más pequeños. Sin embargo, se pierde en calidad inherente
de imagen y en la flexibilidad de un captador verdaderamente progresivo.
Con estas limitaciones en mente, puede decirse que ninguna de las tecnologías
anteriores respondían a las peticiones hechas por los usuarios. Los usuarios querían
una cámara con una buena respuesta en escenas de poca luz, que tuviera un gran
rango dinámico y que tuviera la resolución necesaria para trabajar en HD.
Claramente, el reto de Panasonic a la hora de diseñar la HVX200 estaba en crear la
mejor imagen optimizando la densidad y el tamaño de píxeles, con un buen balance en
cuanto a sensibilidad y rango dinámico, y con la resolución que proporciona un captador
de imagen verdaderamente progresivo. ¿Cuál fue el resultado?
La HVX200 utiliza una tecnología que Panasonic ha denominado Tecnología Progresiva
Avanzada (APT). Esta solución se basa en el offset espacial (una técnica ya conocida
de mejora de resolución de los CCD) aplicado en dos planos (horizontal y vertical)
simultáneamente. Esta técnica permite usar píxeles más grandes, con las ventajas que
ello supone.
En la tabla siguiente, se puede observar como únicamente Panasonic emplea la técnica
de offset espacial en dos dimensiones, es decir, existe un desplazamiento de píxel tanto
en horizontal como en vertical.
Panasonic
Compañía A
Compañía B
Compañía C
Número de píxels
960 x 540
960 x 1080
1280 x 720
1440 x 1080
Tipo
Progresivo
Entrelazado
Progresivo
Entrelazado
Offset espacial
Horizontal y Vertical
Horizontal
Ninguno
Horizontal
Mientras que el número de píxeles es uno de los factores más importantes a la hora
de determinar la calidad de imagen, no es el único que debe considerarse. Utilizando un
chip de tipo progresivo con una implementación precisa del offset espacial puede
optimizar la resolución, que puede llegar incluso a superar la resolución de un chip
entrelazado con un número mayor de píxeles.
En general, deben tenerse en cuenta dos importantes conceptos:
a) la técnica de offset espacial mejora la resolución en un factor de 1’5.
b) la resolución de un CCD entrelazado es equivalente a un 70% del número de
píxeles en vertical de un CCD de tipo progresivo.
Por tanto, si cogemos la tabla anterior y aplicamos la fórmula del offset espacial (en
aquellos fabricante que lo utilizan) y reflejamos el impacto del entrelazado (en aquellos
casos en que lo son), la tabla queda así:
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Panasonic
Compañía A
Compañía B
Compañía C
Número de píxels
1440 x 810
1440 x 756
1280 x 720
2160 x 756
Tipo
Progresivo
Entrelazado
Progresivo
Entrelazado
Offset espacial
Horizontal y Vertical
Horizontal
Ninguno
Horizontal
Desde un punto de vista teórico, este es el mejor escenario, aunque también deben
considerarse otros factores a la hora de diseñar una cámara como la HVX200.
En un dispositivo de captación de imagen de 1/3”, incrementar la densidad de píxeles
más allá de un nivel óptimo provoca la disminución de la Función de Transferencia de
Modulación (MTF), incluso aunque las líneas de resolución puedan aumentar. La
Función de Transferencia de Modulación (MTF) es una medida cuantitativa de la calidad
del captador que describe la capacidad de la lente para transferir el contraste del objeto.
Crear un dispositivo captador de imagen de definición estándar razonablemente
sensible con un formato de 1/3”, es muy difícil. Crear un dispositivo captador de HD de
1/3” con una sensibilidad utilizable es todavía más difícil. La sensibilidad y el rango
dinámico se determinan por la capacidad de carga que tiene un píxel, que a su vez está
determinada por el tamaño de ese píxel. La estructura granular de la película juega con
la mismas reglas. Los píxeles o granos de película grandes son más sensibles que los
pequeños, y los dispositivos captadores más pequeños necesitan píxeles más
pequeños para conseguir una resolución similar. Para una cámara que ha de trabajar en
captación de noticias, o cualquier aplicación del tipo “corre y dispara”, se requiere unos
mínimos de sensibilidad y rango dinámico.
Panasonic decidió apostar por el uso de un dispositivo captador de imagen de 960x540
verdaderamente progresivo, en combinación con la técnica de offset espacial en
horizontal y en vertical. Esta estrategia dota a la HVX200 de la sensibilidad y rango
dinámico que los usuarios consideraban críticos para sus aplicaciones.
Tecnología Avanzada de Offset Espacial
(Horizontal y Vertical)
Offset de ½ píxel
CCD Verde
Offset de ½ píxel
CCD Rojo/Azul
Señal CCD Verde
Señal CCD
Rojo/Azul
Señal Y
(Luminancia)
= Resolución Horizontal
Señal Señal Señal Y = Resolución Vertical
CCD CCD (Luminancia)
Verde Rojo/
Azul
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La tecnología de offset espacial consiste en desplazar una distancia equivalente a
medio píxel los elementos rojos y azules con respecto a los verdes. El bloque óptico de
este camcorder DVCPRO-HD se ensambla utilizando tecnología de alta precisión para
conseguir un desplazamiento exacto de medio píxel en sentido horizontal y vertical.
Como consecuencia, se tiene un mejor rango dinámico y una mejor sensibilidad con el
mínimo compromiso en resolución.
Procesado Digital de Señal
La salida del bloque óptico (procedente de los sensores de imagen Rojo, Verde y Azul),
se convierte entonces en una señal electrónica digital. En este punto, el circuito de
proceso de señal se convierte en el elemento más importante para determinar las
prestaciones de la cámara.
Proceso Digital de Señal de nuevo diseño
Bloque óptico CCD
DSP de nuevo diseño
Proceso de señal a 1920 x 1080
Nuevo CCD
progresivo
+
Tecnología
Avanzada de
Offset Espacial
1920
1080
Para la AG-HVX200, Panasonic ha diseñado un nuevo Proceso Digital de Señal (DSP)
que se basa en un conversor A/D de 14 bits con un sistema DSP de 19 bits. Esto
permite un gran control sobre las imágenes. Estratégicamente, el DSP siempre trabaja
en modo 1080 progresivo a 50 cuadros por segundo. Esto significa que la imagen óptica
se convierte en una imagen progresiva de 1080 líneas (exactamente 1920 x 1080)
dentro del DSP. Desde ese momento, todo el procesado de la imagen se efectúa en el
dominio 1920 x 1080, y es sólo después de esta etapa cuando tiene lugar la conversión
de formato. Por ejemplo, si se desea una señal 720/50p, esta conversión sucede
después de la manipulación de imagen en el DSP, con el fin de preservar al máximo la
calidad de imagen.
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Compresión DVCPRO-HD intra-cuadro
La HVX200 saca partido del ya conocido algoritmo DVCPRO-HD, un esquema de
compresión intra-cuadro apto para ser manipulado en post-producción. Cada cuadro se
codifica con independencia de los cuadros anteriores o posteriores, incluso en alta
definición, lo que preserva al máximo la calidad de las imágenes y la flexibilidad. Esto es
especialmente notable cuando se graban objetos moviéndose a gran velocidad, cuando
se mueve la cámara en sentido panorámico, o cuando se utiliza la capacidad de
velocidad variable de la cámara.
Aunque la HVX200 ha sido optimizada para grabar en DVCPRO-HD ya sea en 1080 o
en 720, también funciona bien en los dominios de DVCPRO50, DVCPRO y DV. Con
esta flexibilidad, la cámara puede ir a cualquier sitio para grabar cualquier cosa.
Los formatos DVCPRO-HD y DVCPRO50 se basan en un patrón de muestreo a 4:2:2,
lo que significa que las señales de luminancia y de croma guardan una relación de color
de alta calidad. Dado que el muestro 4:2:2 ofrece una mayor resolución de color,
minimiza los falsos contornos de croma, siendo ideal para composición de imágenes.
Los formatos DVCPRO y DV utilizan submuestreo de color, el primero a 4:1:1 y el
segundo a 4:2:0. Aunque en estos formatos la resolución de color es la mitad que la
obtenida con patrón de muestreo 4:2:2, la degradación de la calidad de imagen durante
la post-producción es menor que la sufrida por una estructura HDV, que se basa en una
versión diferente del muestreo 4:2:0 en la que la línea de luminancia no se corresponde
con la línea de diferencia de color.
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En definitiva, todas las decisiones que han tenido lugar en las etapas de diseño,
planificación y desarrollo de la HVX200 han estado encaminadas a conseguir imágenes
de gran calidad. El éxito o fracaso de tales decisiones tendrá que ser juzgado a partir de
las imágenes que se obtengan con la cámara. Hasta el momento, los resultados han
sido muy positivos.