T E M A 7 – L A C Á M A R A – S E N S O R E S Y E L E C T R Ó N I C A

Producción audiovisual

Organización

Introducción

Separación de las componentes de color

Filtrado óptico

Sensores: tamños, tipos y características

Ganancia, conversión A/D y matrizado

Salidas de cámara y formatos de grabación en camcorders.

Conclusiones

Terminología

Referencias

Separación de las componentes de color

Las configuraciones más habituales utilizan filtro dicroico o máscara de Bayer. Las cámaras que

emplean filtro dicroico (o prisma tricroico) disponen de 3 sensores CCD o CMOS.

Las cámaras que utilizan máscara de Bayer o equivalente disponen de un único sensor.

PANASONIC AJ-HDX900

$33,910.00

PANASONIC AG-HPX600PJ

$14,950.00

Separación por filtro dicroico

Separación por filtro de Bayer

Se colocan “microfiltros” de color delante de cada uno de los “pixeles” de los elementos sensores.

También se denomina “mosaico de Bayer” o “mosaico de color”.

Es necesario un proceso de “demosaicing” posterior para obtener las componentes de cada pixel.

Tipos de filtros

Existen gran variedad, son técnicas patentadas y exclusivas de fabricantes

CYGM

RGBE CYYM

Comparación

Filtros Bayer

“Los dos sistemas descritos conviven en la actualidad, si bien la tendencia es clara hacia la máscara de Bayer”.

Jorge Carrasco: Cine y Televisión Digital

Sensores Foveon

La luz se separa en colores por longitudes de onda al penetrar en el silicio.

La capacidad de separar colores es escasa, lo que exige una fuerte matrización que incrementa el nivel de ruido.

No existe ninguna cámara de vídeo a nivel profesional que lo incorpore.

Sensores y características

A: CFA (Colour Filter Array) o máscara de Bayer.

B: Filtro anti-aliasing

C: Filtro infrarrojos

D: Circuitería electrónica

E: Pixel. Elemento fotosensible.

F: Microlentes

G: Pixeles ciegos o negros.

Aliasing, moiré y filtros OLPF

Aparece aliasing siempre que muestreamos una señal (en este caso espacialmente) con insuficiente frecuencia de muestreo (pixeles demasiado separados).

La mejor forma de evitarlo es filtrar la luz de entrada, lo que conlleva cierta difuminación de la imagen.

Procesado posterior puede intentar “deshacer el filtrado”.

CANON EOS 7D + objetivo zoom EF-S 18-135mm f/3,5-5,6

1.429,00 € - Filtro: 295 € http://store.mosaicengineering.com/

Captación fuera de banda

Los sensores no son sensibles únicamente a las longitudes de onda del visible.

Su curva de respuesta alcanza desde infrarrojos hasta ultravioletas.

Filtro infrarrojos

La banda de UV suele quedar más atenuada (atmósfera, filtro de Bayer…) pero la componente infrarroja alcanza al sensor sin problemas.

Es necesario un filtro para evitarlo.

Hot mirror

Ese filtro se denomina “hot mirror”, dado que evita también que los elementos (sensor o prisma) se calienten.

Toma de vídeo nocturna/infarroja

Tamaño del sensor

En televisión, típicamente se usa 2/3”.

Es el límite para trabajar con prisma dicroico.

La denominación del tamaño del sensor viene de los diámetros

exteriores de los tubos de captación de las cámaras

analógicas

Sensor (mm)

Type Aspect Ratio

Diagonal Width Height

1/3.6" 4:3 5.000 4.000 3.000

1/3.2" 4:3 5.680 4.536 3.416

1/3" 4:3 6.000 4.800 3.600

1/2.7" 4:3 6.721 5.371 4.035

1/2.5" 4:3 7.182 5.760 4.290

1/2.3" 4:3 7.70 6.16 4.62

1/2" 4:3 8.000 6.400 4.800

1/1.8" 4:3 8.933 7.176 5.319

1/1.7" 4:3 9.500 7.600 5.700

2/3" 4:3 11.000 8.800 6.600

1" 4:3 16.000 12.800 9.600

4/3" 4:3 22.500 18.000 13.500

1.8"[1] 3:2 28.400 23.700 15.700

35 mm film

3:2 43.300 36.000 24.000

Tamaño del sensor

REFERENCIA

Multiplicación de la focal

Como las focales están referidas a 35 mm, para tamaños menores de sensor se habla de “multiplicación de la focal”.

En ocasiones encontramos el equivalente en 35mm, pero otras veces NO.

Ejemplo (mundo de locos!!!)

Fujinon ZA12X4.5BZD

Resolución

Número de pixeles de la imagen resultante.

Puede haber una pequeña diferencia entre el número de píxeles reales del sensor y el número de píxeles de la imagen, debido a que en los bordes hay pixeles que se usan para el procesado: Para que el algoritmo de demosaico pueda calcular el valor de

los pixeles del borde.

Para estimar el nivel de negro/ruido y mejorar el contraste.

Año Cámara Tamaño del Sensor Resolución

2013 Canon EOS 700D APS-C 18,0 mpx

2013 Canon EOS 100D APS-C 18,0 mpx

2013 Nikon D7100 APS-C 24,1 mpx

2013 Nikon D5200 APS-C 24,1 mpx

2013 Canon EOS 6D Full-Frame 20,2 mpx

2012 Sony Alpha SLT-A99 Full-Frame 24,3 mpx

2012 Nikon D600 Full-Frame 24,3 mpx

2012 Pentax K-30 APS-C 16,3 mpx

2012 Sony Alpha SLT-A57 APS-C 16,1 mpx

2012 Canon EOS 650D APS-C 18,0 mpx

2012 Nikon D3200 APS-C 24,2 mpx

2012 Nikon D800 Full-Frame 36,3 mpx

2012 Canon EOS 5D Mark III Full-Frame 22,3 mpx

2012 Sony Alpha SLT-A37 APS-C 16,1 mpx

2012 Nikon D4 Full-Frame 16,2 mpx

Tamaño y densidad de pixel

Tamaño: longitud teórica del pixel, habitualmente calculada dividiendo el ancho del sensor por los píxeles de ancho de la imagen.

Densidad: número de píxeles que tiene el sensor por unidad de superficie. Se suele expresar en megapíxeles por centímetro cuadrado.

Obviamente, para un mismo tamaño de sensor,

cuanto mayor sea la densidad de píxeles menor es el tamaño de cada pixel.

Año Cámara Sensor Resolución Densidad Tamaño

2013 Canon EOS 700D APS-C 18,0 mpx 5,43 mpx/cm2 4,29 µm

2013 Canon EOS 100D APS-C 18,0 mpx 5,43 mpx/cm2 4,29 µm

2013 Nikon D7100 APS-C 24,1 mpx 6,59 mpx/cm2 3,90 µm

2013 Nikon D5200 APS-C 24,1 mpx 6,59 mpx/cm2 3,90 µm

2013 Canon EOS 6D Full-Frame 20,2 mpx 2,36 mpx/cm2 6,50 µm

2012 Sony Alpha SLT-A99 Full-Frame 24,3 mpx 2,84 mpx/cm2 5,93 µm

2012 Nikon D600 Full-Frame 24,3 mpx 2,84 mpx/cm2 5,93 µm

2012 Pentax K-30 APS-C 16,3 mpx 4,38 mpx/cm2 4,78 µm

2012 Sony Alpha SLT-A57 APS-C 16,1 mpx 4,40 mpx/cm2 4,77 µm

2012 Canon EOS 650D APS-C 18,0 mpx 4,89 mpx/cm2 5,93 µm

2012 Nikon D3200 APS-C 24,2 mpx 6,79 mpx/cm2 3,84 µm

2012 Nikon D800 Full-Frame 36,3 mpx 4,22 mpx/cm2 4,87 µm

2012 Canon EOS 5D Mark III Full-Frame 22,3 mpx 2,58 mpx/cm2 6,22 µm

2012 Sony Alpha SLT-A37 APS-C 16,1 mpx 4,40 mpx/cm2 4,77 µm

2012 Nikon D4 Full-Frame 16,2 mpx 1,89 mpx/cm2 7,28 µm

Factor de relleno

Tamaño, resolución y calidad de imagen

En un sensor de tamaño grande hay sitio para mas pixeles (más resolución) o para pixeles más grandes (mayor calidad de imagen).

Los parámetros anteriores están ligados por el tamaño del sensor.

Para un mismo tamaño

más resolución menor sensibilidad

Rango dinámico

El rango dinámico (también llamado latitud) es la cantidad de niveles de iluminación que es capaz de capturar el sensor entre el valor mínimo y el máximo de exposición

Se mide en pasos o valores de exposición y cuanto mayor sea mejor será la calidad de imagen.

En película (cine), hay 11 pasos (211 ).

En televisión, se mide en dB y se suelen exigir al menos 56 dB.

Depende tanto del tamaño de los pixeles como del número de bits del convertidor A/D.

Ruido de patrón fijo

Propio de cada sensor.

Se debe a diferencias entre pixeles y a un vaciado incompleto entre barridos.

Mucho más apreciable en zonas oscuras.

Puede suavizarse mediante filtrado.

Disminuye considerablemente a medida que aumenta el tamaño de pixel.

Ruido aleatorio

Debido a imperfecciones en la construcción del sensor y a ruido de carácter electrónico.

Aumenta:

Con la temperatura.

Con la humedad.

En el canal azul.

En exposiciones largas.

Con la amplificación

En sensores pequeños

Caracterización de ruido de una cámara

No hay uniformidad en cómo caracterizar sensibilidad, rango dinámico y ruido en una cámara.

La mayoría de los fabricantes hablan de “condiciones mínimas de iluminación”, pero cada uno da diferentes especificaciones (incluso el mismo fabricante para diferentes modelos).

Ver http://www.bhphotovideo.com/c/buy/Pro-Camcorders-Cameras/ci/16763/N/4256818817

CCDs y CMOS

Las dos tecnologías que actualmente comparten el mercado son CCDs (Charge Coupled Devices) (Dispositivos de Carga Acoplada) y CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) (Semiconductor Complementario de Óxido Metálico).

En ambos casos convierten fotones incidentes en electrones salientes.

CCDs

1: El fotodiodo recibe la luz, que se convierte en carga eléctrica y se almacena.

2: Todas las cargas son transferidas simultáneamente a los registros de desplazamiento verticales.

3: Las cargas pasan del registro vertical al horizontal.

4: Las cargas son amplificadas y convertidas de analógico a digital.

CMOS

1: El fotodiodo convierte la luz en una carga eléctrica y la acumula.

2: Las cargas se convierten en tensiones en cada pixel.

3: La tensión se transfiere a la línea vertical.

4: Las tensiones se transfieren a la línea horizontal.

5: Se realiza la conversión A/D

CCDs – Transferencia instantánea

CMOS – Lectura por filas

CCDs y CMOS

Shutter

En cine se trabaja con obturador mecánico (180º = 1/48 s.)

En vídeo digital el obturador es electrónico.

En los sistemas CCD el shutter es global:

Interline transfer

Frame transfer

Shutter

La elección de la velocidad de shutter vendrá dada por las condiciones de luz, la velocidad de la escena, el flicker y la obtención de imágenes con buena sensación de movimiento.

Shutter

En sensores CMOS se utiliza habitualmente la técnica de “rolling shutter” o sistema de “persiana”, de forma que la lectura es progresiva por líneas.

Rolling shutter. Detalles

Rolling shutter. Detalles

Rolling shutter vs. velocidad

Rolling shutter. Efectos

Skew Jelly

Exposición parcial Smear

CMOS global shutter

Recientemente se han presentado cámaras basadas en CMOS con “shutter global”.

Es posible que se trate de un LCD que deja pasar o no la luz a todo el cuadro.

CCD – Smear (blooming)

Se produce cuando el número de electrones en un pixel es excesivo y estos se “desbordan” contaminando los píxeles vecinos.

Existen técnicas para intentar controlarlo.

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/digitalimaging/ccd/blooming/index.html

Comparación CCDs/CMOS

CCD CMOS

Comparación CCD vs CMOS

Conversión A/D, ISO y ganancia

Una vez extraída la señal del sensor se debe realizar una amplificación de la señal y la conversión A/D.

La señal puede amplificarse: Directamente en el sensor, modificando corrientes y

tensiones.

Antes del convertidor cuando es todavía analógica.

Después del convertidor procesándola ya de forma digital. (tal vez con más bits de los finalmente ofrecidos).

En principio, cuanta más resolución ofrezca el conversor A/D, mejor.

ISO y ganancia

Los términos ISO/ASA proceden de la sensibilidad química de las películas.

En fotografía digital se sigue manteniendo, pero en vídeo se suele hablar de ganancia: “gain”.

ISO

x 2 = doble sensibilidad

Ganancia

+6 dB = doble

sensibilidad

Ganancia/ISO no son gratis

Al aumentar la ganancia, se capta mejor pero también aumenta el ruido de la imagen

Datos RAW, matrizado y salidas

Matrizado: Ajustes de gamma

La curva de gamma relaciona la luminosidad con la señal de salida.

Se puede modificar para expandir el margen dinámico de ciertas zonas de la imagen.

Niveles bajos: black, master, lift, pedestal…

Niveles medios: midtones, grey, gamma…

Niveles altos: whites, gain, knee…

Corrección de gamma: ejemplo

Matrizado: colorimetría

Las salidas estandarizadas deben ajustarse a la colorimetría marcada por el estándar.

Como los sensores tienen sus propias curvas, es necesario ajustar, a través de matrices, las salidas para que se ajusten al estándar.

RAW, log y video

Ventajas Inconvenientes

Las decisiones son reversibles y se pueden tomar durante la edición y postproducción.

Mejor calidad.

No se puede monitorizar (directamente)

Es imposible incluirlo en una cadena de trabajo en televisión.

Sólo se admite en producciones en diferido.

Limitado al cine digital (por ahora).

El formato RAW (negativo digital)

Grabación

Las cámaras que admiten grabar directamente el material audiovisual se denominan “camcorders” o “camascopios”.

En estudio es posible grabar directamente sobre una videograbadora.

El formato de grabación pasa por un proceso de compresión de la señal de vídeo.

AK-HC3500 $62,524.00

AG-HPX500 $16,960.00

Compresión

Existen multitud de formatos de compresión, sin una estandarización clara.

Entre las principales características de cada uno están: Chroma subsampling Modo: Inter o Intra Codec y contenedor utilizados Bitrate resultante

Chroma subsampling

Es un parámetro del tipo 4:x:x (3:1:1 en el formato DV de Sony).

Indica en que pixeles se toma información de croma.

En general cuanto mayores son los números mejor es la calidad, pero también aumenta el bitrate y disminuye el tiempo de grabación.

Modo Inter Modo Intra

Las imágenes se codifican por GOPs (Groups of Pictures).

Compresión mayor.

Bitrate menor y variable.

Dificulta la edición.

Más sensible a errores

Ejemplos: MPEG-2, MPEG-4, AVC…

Cada imagen se codifica por separado (JPEG).

Menor compresión

Mayor bitrate (y fijo).

Facilita la edición

Más robusto.

Ejemplos: DVCPRO, HDCAM, AVC-Intra…

Modo Intra/Inter

Codecs vs. contenedores

Un codec es el algortimo utilizado para la codificación/decodificación de video (o audio).

Un contenedor es un formato de fichero que puede albergar (o no) diferentes codecs (tendencia a MXF).

http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_video_codecs

http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_container_formats

Ejemplos de formato (DVCPRO)

Características técnicas de DVCPRO 25

Sistema Digital SD. Por componentes

Frecuencia de muestreo

4:1:1

Algoritmo DCT intraframe

Ratio de compresión

5:1

Bitrate 25 Mb/s

Profundidad de color

8 bits

Soporte cinta 1/4" tarjetas P2

Canales de audio

2 canales PCM

Muestreo de audio

48 KHz / 16 bit

Características técnicas de DVCPRO 50

Sistema Digital SD. Por componentes

Frecuencia de muestreo

4:2:2

Algoritmo DCT intraframe

Ratio de compresión

3,3:1

Bitrate 50 Mb/s

Profundidad de color

8 bits

Soporte cinta 1/4" tarjetas P2

Canales de audio

4 canales PCM

Muestreo de audio

48 KHz / 16 bit

Ejemplos de formato (HDV)

Formato HDV 720p HDV 1080i

Media DV or MiniDV Tape

Video

Señal de Vídeo

720/60p, 720/30p, 720/50p, 720/25p (720/24p)

1080/60i, 1080/50i (1080/30p, 1080/25p, 1080/24p)

Tamaño de cuadro en píxeles

1280 x 720 1440 x 1080

Frame aspect ratio 16:9 16:9

Compresión MPEG2 Video (profile & level: MP@HL)

MPEG2 Video (profile & level: MP@H-14)

Frecuencia de muestreo para

luminancia

74.25 MHz 55.6875 MHz

Formato Muestreo de color

4:2:0

Cuantización 8 bits (tanto luminancia como crominancia)

Tasa de ancho de bits del vídeo comprimido

~19.7 Mbit/s ~25 Mbit/s

Conexiones de salida

Hay gran variabilidad pero siempre encontramos: Conexiones de video analógico (por compatibilidad)

Conexiones de video digital

Conexiones de datos

Otras: audio, sync…

Panasonic AG-HPX250PJ

Ejemplo de interfaz (HDMI)

HDMI version 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 2.0

Date initially released

December 9, 2002

May 20, 2004

August 8, 2005

June 22, 2006

May 28, 2009

September 4, 2013

Maximum clock rate (MHz) 165 165 165 340 340[109] 600

Maximum total TMDS throughput (Gbit/s)

4.95 4.95 4.95 10.2 10.2 18

Maximum audio throughput (Mbit/s)

36.86 36.86 36.86 36.86 36.86

49.152 (IEC61937 and DST audio)

Maximum color depth (bit/px)

24 24 24 48[a] 48 48

Maximum consumer resolution over single link at 24-bit/px[b]

1920×1200p60

1920×1200p60

1920×1200p60

2560×1600p75

3840×2160p30

3840×2160p60

Conclusiones

La separación cromática puede hacerse con filtros dicroicos, con máscaras de Bayer o por el propio sensor (Foveon).

Antes de alcanzar el sensor hay filtros ópticos: OLPF e infrarrojos.

Hay dos grandes sistemas de sensores: CCD y CMOS, aproximadamente equivalentes en calidad y prestaciones, con pequeñas peculiaridades.

Los parámetros más importantes del sensor son el tamaño, el número de elementos, su sensibilidad y el rango dinámico. Estas variables están vinculadas.

Los tamaños varían desde FF (Full Frame) hasta los más pequeños, 1/3” o menos, aunque 2/3” es un formato bastante estándar en TV.

Conclusiones

La ganancia o ISO de una cámara permite mejorar la imagen captada cuando la iluminación es baja, pero aumenta el nivel de ruido.

La salida de datos de la cámara puede ofrecer formatos RAW, log y video (este último siempre).

En los camcorders la señal se registra en cinta, disco o tarjeta de memoria. En las cámaras de estudio en ocasiones es necesario el registro externo de la señal.

La señal de video suele comprimirse para que pueda ser manejable, lo que supone una pérdida de calidad que depende de muchos factores.

Terminología

CFA (Color Filter Array): Máscara de Bayer.

Demosaicing o interpolación cromática: recuperación del color a partir de muestras cromáticas incompletas adquiridas desde un sensor de imagen recubierto con un CFA.

Referencias

Circles of confusion, Alan Roberts, 2009, EBU, cap. 7 Television Production Handbook, 11th ed., Herbert Zettl,

Wadsworth Cengage Learning, 2012, cap. 6. Cine y Televisión Digital, Manual Técnico, Jorge Carrasco,

Universitat de Barcelona, 2010, parte II. Links generales:

http://directordefotografia.wordpress.com/2012/10/16/eleccion-de-camara-digital-por-parte-del-dop-y-productor/

http://www.clarkvision.com/articles/digital.sensor.performance.summary/

http://www.centrodecine.go.cr/index.php/publicaciones-en-linea-

Links sobre separación de planos de color: http://dicklyon.com/tech/Photography/PICS2000-Lyon.pdf http://csanet.org/newsletter/fall07/nlf0702.html

Referencias

Links sobre sensores: http://www.teledynedalsa.com/public/dc/documents/Image_Senso

r_Architecture_Whitepaper_Digital_Cinema_00218-00_03-70.pdf

http://www.ephotozine.com/article/buyers-guide-to-digital-camera-sensor-technology-16808

http://www.thephoblographer.com/2013/07/31/an-introduction-to-and-brief-history-of-digital-imaging-sensor-technologies/

http://www.whatdigitalcamera.com/techniques/features/guides/494429/sensors-explained.html

http://provideocoalition.com/sony/story/see-mos

http://dvxuser.com/jason/CMOS-CCD/

http://www.grassvalley.com/docs/WhitePapers/broadcast/cameras/ldk3000plus/CAM-4073M-ES_CMOS_Whitepaper.pdf

Referencias

Links sobre filtros infrarrojos: http://www.fen-net.de/walter.preiss/e/slomoinf.html http://www.maxmax.com/spectral_response.htm http://www.youtube.com/watch?v=iJ7EmaB7nhQ http://infraredatelier.wordpress.com/

Links sobre tamaños de sensor: http://www.dpreview.com/glossary/camera-system/sensor-sizes http://www.abelcine.com/fov/ http://todo-fotografia.com/2013/tamano-y-resolucion-del-sensor/ http://www.canon.com/bctv/calculator/calculator1.html

Links sobre shuttering: http://pro.sony.com/bbsc/ssr/show-

highend/resource.solutions.bbsccms-assets-show-highend-F55.shtml#/f55t1_10

http://www.cmosis.com/assets/images/imagesoverzichtcmv.pdf

Referencias

Links sobre grabación, codecs, contenedores y salidas: http://www.cinedigital.tv/una-explicacion-de-los-formatos-raw-log-

y-video-descomprimido/ http://broadcastengineering.com/hdtv/field-acquisition https://www.videouniversity.com/articles/dv-formats-everything-

you-need-to-know/ http://www.youtube.com/watch?v=WpBjGUlBTHU http://tech.ebu.ch/docs/techreview/trev_2010-Q3_MXF-1.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/HDMI

Otros links: http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1maras_matriciales http://recordingsofnature.wordpress.com/2012/09/25/dslr-

antialiasing-filter-sharpness-charts/ http://theory.uchicago.edu/~ejm/pix/20d/tests/noise/