relación de aspecto de píxeles

La relación de aspecto de píxeles ( PAR , por sus siglas en inglés) es una relación matemática que describe cómo se compara el ancho de un píxel en una imagen digital con la altura de ese píxel.

La mayoría de los sistemas de imagen digital muestran una imagen como una cuadrícula de pequeños píxeles cuadrados. Sin embargo, algunos sistemas, especialmente aquellos que deben ser compatibles con películas de televisión de definición estándar , muestran la imagen como una cuadrícula de píxeles rectangulares, donde el ancho y la altura de los píxeles son diferentes. La relación de aspecto de los píxeles describe esta diferencia.

El uso de la relación de aspecto de píxeles se aplica principalmente a imágenes de televisión de definición estándar y a algunos otros casos excepcionales. La mayoría de los demás sistemas de imagen, incluidos aquellos que cumplen con las normas y prácticas de SMPTE , utilizan píxeles cuadrados.

PAR también se conoce como relación de aspecto de muestra y se abrevia como SAR , aunque puede confundirse con la relación de aspecto de almacenamiento .

Introducción

La relación entre el ancho y la altura de una imagen se conoce como relación de aspecto , o más precisamente, relación de aspecto de visualización (DAR): la relación de aspecto de la imagen tal como se muestra; para la televisión, la DAR era tradicionalmente 4:3 (también conocida como pantalla completa), mientras que 16:9 (también conocida como pantalla panorámica) es ahora el estándar para la HDTV. En las imágenes digitales , existe una distinción con la relación de aspecto de almacenamiento (SAR), que es la relación de las dimensiones de los píxeles . Si una imagen se muestra con píxeles cuadrados, estas relaciones coinciden; de lo contrario, se utilizan píxeles no cuadrados, "rectangulares", y estas relaciones no coinciden. La relación de aspecto de los propios píxeles se conoce como relación de aspecto de píxeles (PAR) -para píxeles cuadrados esta es 1:1- y están relacionadas por la identidad:

Reordenando (resolviendo para PAR) se obtiene:

Por ejemplo:

Una imagen VGA de 640 × 480 tiene una SAR de 640/480 = 4:3, y si se muestra en una pantalla 4:3 (DAR = 4:3) tiene píxeles cuadrados, por lo tanto, una PAR de 1:1.
Por el contrario, una imagen PAL D-1 de 720 × 576 tiene una relación de aspecto de 720/576 = 5:4, pero si se muestra en una pantalla 4:3 (relación de aspecto de 4:3), la relación de aspecto de 4:3 es 4/3 : 5/4 = 16:15 ≈ 1,066. Esto significa que los píxeles de la imagen PAL deben "estirarse" en esta cantidad para que quepan en la pantalla 4:3.

En las imágenes analógicas, como las de película, no existe la noción de píxel, ni la de SAR o PAR, pero en la digitalización de imágenes analógicas la imagen digital resultante tiene píxeles, por lo tanto, SAR (y, en consecuencia, PAR, si se muestra con la misma relación de aspecto que la original).

Los píxeles no cuadrados suelen aparecer en los primeros estándares de televisión digital, relacionados con la digitalización de señales de televisión analógicas —cuyas resoluciones vertical y horizontal "efectiva" difieren y, por lo tanto, se describen mejor mediante píxeles no cuadrados—, así como en algunas cámaras de vídeo digitales y modos de visualización de ordenador , como el Adaptador Gráfico en Color (CGA). Actualmente, también aparecen en la transcodificación entre resoluciones con diferentes SAR.

Las pantallas reales generalmente no tienen píxeles no cuadrados, aunque los sensores digitales sí podrían tenerlos; se trata más bien de una abstracción matemática utilizada para remuestrear imágenes y convertirlas entre diferentes resoluciones.

Existen varios factores que complican la comprensión de PAR, en particular en lo que respecta a la digitalización de vídeo analógico:

En primer lugar, el vídeo analógico no tiene píxeles, sino una trama de imágenes , por lo que posee una resolución vertical bien definida (las líneas de la trama), pero no una resolución horizontal bien definida , ya que cada línea es una señal analógica. Sin embargo, mediante una frecuencia de muestreo estandarizada, la resolución horizontal efectiva puede determinarse mediante el teorema de muestreo , como se muestra a continuación.
En segundo lugar, debido al sobreescaneo , algunas de las líneas en la parte superior e inferior de la trama no son visibles, al igual que parte de la imagen posible a la izquierda y a la derecha (véase Sobreescaneo: Problemas de resolución de analógico a digital ). Además, la resolución puede estar redondeada (DV NTSC utiliza 480 líneas, en lugar de las 486 posibles).
En tercer lugar, las señales de vídeo analógicas están entrelazadas : cada imagen (fotograma) se envía como dos "campos", cada uno con la mitad de las líneas. Por lo tanto, o bien los píxeles tienen el doble de altura que si no estuvieran entrelazados, o bien la imagen se desentrelaza.

Fondo

El vídeo se presenta como una serie secuencial de imágenes denominadas fotogramas. Históricamente, los fotogramas se creaban y grababan en formato analógico. Con la evolución independiente de la tecnología de visualización digital, la tecnología de transmisión digital y la compresión de vídeo digital , surgieron diferencias en los fotogramas que deben corregirse mediante la relación de aspecto de los píxeles. Los fotogramas de vídeo digital se definen generalmente como una cuadrícula de píxeles utilizada para presentar cada imagen secuencial. El componente horizontal se define por píxeles (o muestras) y se conoce como línea de vídeo. El componente vertical se define por el número de líneas, como en el caso de 480 líneas.

Los estándares y prácticas de la televisión de definición estándar se desarrollaron como tecnologías de radiodifusión y estaban destinados a la transmisión terrestre, por lo que no se diseñaron para la presentación de vídeo digital. Dichos estándares definen una imagen como una matriz de líneas horizontales bien definidas, una duración de línea vertical bien definida y un centro de imagen bien definido. Sin embargo, no existe un estándar de televisión de definición estándar que defina adecuadamente los bordes de la imagen ni que exija explícitamente un número determinado de elementos de imagen por línea. Además, los sistemas de vídeo analógicos como NTSC 480i y PAL 576i , en lugar de emplear fotogramas mostrados progresivamente, emplean campos o medios fotogramas entrelazados que se muestran de forma intercalada para reducir el parpadeo y duplicar la velocidad de la imagen para lograr un movimiento más fluido.

Conversión analógica a digital

Como resultado de que las computadoras se volvieron lo suficientemente potentes como para funcionar como herramientas de edición de video , se crearon convertidores de video digital a analógico y de analógico a digital para superar esta incompatibilidad. Para convertir las líneas de video analógicas en una serie de píxeles cuadrados, la industria adoptó una frecuencia de muestreo predeterminada a la cual se extraían los valores de luminancia en los píxeles. La frecuencia de muestreo de luminancia para imágenes de 480i era de 12 + 3/11 MHz y para imágenes de 576i era de 14 + 3/4 MHz .

El término relación de aspecto de píxeles se acuñó por primera vez cuando la norma ITU-R BT.601 (conocida comúnmente como Rec. 601 ) especificó que las imágenes de televisión de definición estándar están compuestas por líneas de exactamente 720 píxeles no cuadrados. La norma ITU-R BT.601 no definió la relación de aspecto exacta de los píxeles, pero sí proporcionó suficiente información para calcularla basándose en las prácticas de la industria: la frecuencia de muestreo de luminancia estándar de exactamente 13 + 1/2 MHz . Con base en esta información:

La relación de aspecto de píxeles para 480i sería 10:11, ya que:
$12{\tfrac {3}{11}}\div 13{\tfrac {1}{2}}={\tfrac {10}{11}}$
La relación de aspecto de píxeles para 576i sería 59:54, ya que:
$14{\tfrac {3}{4}}\div 13{\tfrac {1}{2}}={\tfrac {59}{54}}$

La norma SMPTE RP 187 intentó estandarizar los valores de la relación de aspecto de píxeles para 480i y 576i . Designó 177:160 para 480i o 1035:1132 para 576i . Sin embargo, debido a las diferencias significativas con las prácticas vigentes en la industria y la carga computacional que imponían al hardware involucrado, la norma SMPTE RP 187 fue simplemente ignorada. El anexo informativo A.4 de la norma SMPTE RP 187 sugirió además el uso de 10:11 para 480i .

En el momento de redactar este texto, la norma ITU-R BT.601-6, que es la edición más reciente de la norma ITU-R BT.601, sigue dando a entender que las relaciones de aspecto de píxeles mencionadas anteriormente son correctas.

Procesamiento de vídeo digital

Como se indicó anteriormente, la norma ITU-R BT.601 especifica que las imágenes de televisión de definición estándar están compuestas por líneas de 720 píxeles no cuadrados, muestreados con una frecuencia de muestreo especificada con precisión. Un cálculo matemático sencillo revela que un ancho de 704 píxeles sería suficiente para contener una imagen estándar 4:3 de 480i o 576i .

Una imagen de 4:3 y 480 líneas, digitalizada con la frecuencia de muestreo recomendada por la norma Rec. 601, tendría un ancho de 704 píxeles no cuadrados.
${\frac {x}{480}}\times {\frac {10}{11}}={\frac {4}{3}}\Rightarrow x={\frac {480\times 11\times 4}{10\times 3}}=704$
Una imagen de 4:3 y 576 líneas, digitalizada con la frecuencia de muestreo recomendada por Rec. 601, tendría 702 + 54 / 59 píxeles no cuadrados de ancho.
${\frac {x}{576}}\times {\frac {59}{54}}={\frac {4}{3}}\Rightarrow x={\frac {576\times 54\times 4}{59\times 3}}=702{\tfrac {54}{59}}$

Lamentablemente, no todas las imágenes de televisión estándar tienen una relación de aspecto exacta de 4:3: como se mencionó anteriormente, en el vídeo analógico, el centro de la imagen está bien definido, pero los bordes no están estandarizados. Como resultado, algunos dispositivos analógicos (principalmente PAL, pero también algunos NTSC) generaban imágenes en movimiento ligeramente más anchas horizontalmente. Esto también se aplica proporcionalmente a las imágenes panorámicas anamórficas (16:9). Por lo tanto, para mantener un margen de error seguro, la norma ITU-R BT.601 exigía muestrear 16 píxeles no cuadrados adicionales por línea (8 más en cada borde) para garantizar que se conservaran todos los datos de vídeo cerca de los márgenes.

Este requisito, sin embargo, tuvo implicaciones para las películas PAL. Las relaciones de aspecto de píxeles PAL para la pantalla ancha estándar (4:3) y anamórfica (16:9), 59:54 y 118:81 respectivamente, resultaban incómodas para el procesamiento de imágenes digitales, especialmente para la mezcla de videoclips PAL y NTSC. Por lo tanto, los programas de edición de vídeo optaron por valores casi equivalentes, 12:11 y 16:11 respectivamente, que eran más elegantes y permitían crear imágenes digitales PAL con un ancho exacto de 704 píxeles, como se ilustra:

Para PAL 4:3:
${\frac {4}{3}}\div {\frac {704}{576}}=\color {blue}{\frac {12}{11}}$
Para PAL 16:9:
${\frac {16}{9}}\div {\frac {704}{576}}=\color {blue}{\frac {16}{11}}$

Inconsistencia en los valores de relación de aspecto de píxeles definidos

Es común encontrar en internet y en diversos medios impresos numerosas fuentes que introducen valores diferentes y altamente incompatibles para las relaciones de aspecto de píxeles de distintas imágenes y sistemas de vídeo. (Véase la sección de Fuentes complementarias ).

Para evaluar objetivamente la precisión y/o viabilidad de estas fuentes, tenga en cuenta que, dado que el cine digital se inventó años después del cine tradicional, todas las imágenes de vídeo destinadas a la televisión de definición estándar y a los soportes compatibles, digitales o no, tienen (y deben tener) especificaciones compatibles con la televisión de definición estándar. Por lo tanto, la relación de aspecto de píxeles del vídeo digital debe calcularse a partir de las especificaciones de los equipos tradicionales comunes, en lugar de las especificaciones del vídeo digital. De lo contrario, cualquier relación de aspecto de píxeles calculada a partir de una fuente de vídeo digital solo será útil en ciertos casos para el mismo tipo de fuentes de vídeo y no puede considerarse ni utilizarse como una relación de aspecto de píxeles general para ningún sistema de televisión de definición estándar.

Además, a diferencia del vídeo digital, que presenta bordes de imagen bien definidos, los sistemas de vídeo tradicionales nunca han estandarizado un borde definido para la imagen. Por lo tanto, la relación de aspecto de píxeles de los sistemas de televisión estándar comunes no se puede calcular a partir de los bordes de las imágenes. Si bien un valor de relación de aspecto calculado de este tipo no sería del todo incorrecto, tampoco puede considerarse como la relación de aspecto de píxeles general de ningún sistema de vídeo específico. El uso de dichos valores se limitaría a casos concretos.

Normas y prácticas modernas

En los sistemas de imagen digital modernos y en los televisores de alta definición , especialmente en aquellos que cumplen con las normas y prácticas de la SMPTE, solo se utilizan píxeles cuadrados para la transmisión y visualización. Sin embargo, algunos formatos (por ejemplo, HDV , DVCPRO HD ) utilizan píxeles no cuadrados internamente para el almacenamiento de imágenes, con el fin de reducir la cantidad de datos que deben procesarse, limitando así las tasas de transferencia necesarias y manteniendo la compatibilidad con las interfaces existentes.

Problemas con píxeles no cuadrados

La proyección directa de una imagen con una determinada relación de aspecto de píxeles en un dispositivo con una relación de aspecto diferente provoca que la imagen se vea distorsionada, ya sea horizontal o verticalmente. Por ejemplo, un círculo generado para una pantalla de ordenador con píxeles cuadrados se ve como una elipse vertical en un televisor NTSC de definición estándar que utiliza píxeles rectangulares verticales. Este problema es más evidente en televisores de pantalla ancha.

Los programas de edición de vídeo que editan archivos con píxeles no cuadrados deben tener en cuenta la relación de aspecto de los píxeles, especialmente al mezclar videoclips con diferentes relaciones de aspecto. Esto sería necesario al crear un montaje de vídeo a partir de varias cámaras con distintos estándares (una situación relativamente poco frecuente). Los programas de efectos especiales también deben considerar la relación de aspecto de los píxeles, ya que algunos efectos requieren el cálculo de distancias desde un punto determinado para que se vean visualmente correctos. Un ejemplo de estos efectos sería el desenfoque radial, el desenfoque de movimiento o incluso una simple rotación de imagen.

Uso de la relación de aspecto de píxeles

El valor de la relación de aspecto de píxeles se utiliza principalmente en software de vídeo digital, donde las películas deben convertirse o reacondicionarse para utilizar sistemas de vídeo distintos al original. El software de reproducción de vídeo puede utilizar la relación de aspecto de píxeles para renderizar correctamente el vídeo digital en pantalla. El software de edición de vídeo utiliza la relación de aspecto de píxeles para escalar y renderizar correctamente un vídeo en un nuevo formato.

También se requiere compatibilidad con la relación de aspecto de píxeles para mostrar, sin distorsión, imágenes digitales antiguas de estándares informáticos y videojuegos de los años 80. En esa época, los píxeles cuadrados eran demasiado caros de producir, por lo que máquinas y tarjetas de vídeo como la SNES , CGA , EGA , Hercules , C64 , MSX , PC-88 , X68000 , etc., tenían píxeles no cuadrados. ^{[ 1 ]}

Confusión con la relación de aspecto de la pantalla

La relación de aspecto de píxeles se confunde a menudo con los distintos tipos de relaciones de aspecto de imagen; la relación entre el ancho y la altura de la imagen. Debido a la forma no cuadrada de los píxeles en la televisión de definición estándar, existen dos tipos de relaciones de aspecto: la relación de aspecto de almacenamiento ( SAR ) y la relación de aspecto de visualización (abreviada DAR , también conocida como relación de aspecto de imagen ). Asimismo, la relación de aspecto de píxeles ( PAR ) también se conoce como relación de aspecto de muestra (abreviada SAR ) en algunos estándares industriales (como H.264 ^[²^] ) y en la salida de programas (como ffmpeg ^[³^] ). Nótese la reutilización de las abreviaturas PAR y SAR . Este artículo utiliza únicamente los términos relación de aspecto de píxeles, relación de aspecto de visualización y relación de aspecto de almacenamiento para evitar ambigüedades.

La relación de aspecto de almacenamiento es la relación entre el ancho y la altura de la imagen en píxeles, y se puede calcular fácilmente a partir del archivo de vídeo. La relación de aspecto de visualización es la relación entre el ancho y la altura de la imagen (en unidades de longitud como centímetros o pulgadas) cuando se muestra en pantalla, y se calcula a partir de la combinación de la relación de aspecto de píxeles y la relación de aspecto de almacenamiento.

Sin embargo, incluso los usuarios que conocen la definición de estos conceptos pueden confundirse. Las interfaces de usuario mal diseñadas o la documentación deficiente pueden causar fácilmente esta confusión: algunas aplicaciones de edición de vídeo suelen pedir a los usuarios que especifiquen una relación de aspecto para su archivo de vídeo, ofreciéndoles las opciones de "4:3" y "16:9". A veces, estas opciones pueden ser "PAL 4:3", "NTSC 4:3", "PAL 16:9" y "NTSC 16:9". En tales casos, el programa de edición de vídeo solicita implícitamente la relación de aspecto de píxeles del archivo de vídeo al pedir información sobre el sistema de vídeo del que se originó el archivo. A continuación, el programa utiliza una tabla (similar a la que se muestra a continuación) para determinar el valor correcto de la relación de aspecto de píxeles.

En general, para evitar confusiones, se puede asumir que los programas de edición de vídeo nunca solicitan la relación de aspecto de almacenamiento, ya que pueden obtenerla o calcularla directamente. Las aplicaciones que no tienen en cuenta los píxeles cuadrados solo necesitan solicitar la relación de aspecto de los píxeles o la relación de aspecto de la pantalla, a partir de cualquiera de las cuales pueden calcular la otra.

Relaciones de aspecto de píxeles de los formatos de vídeo comunes

A continuación se muestran los valores de relación de aspecto de píxeles para los formatos de vídeo de definición estándar más comunes. Tenga en cuenta que, para los formatos de vídeo PAL, se muestran dos tipos diferentes de valores de relación de aspecto de píxeles:

Rec.601 , un valor compatible con Rec.601, que se considera la relación de aspecto real de los píxeles de un vídeo de definición estándar de ese tipo.
Digital , que es aproximadamente equivalente a Rec.601 y es más adecuado para su uso en software de edición de vídeo digital.

Tenga en cuenta que las fuentes difieren en las relaciones de aspecto de píxeles (PAR) para formatos comunes; por ejemplo, 576 líneas (PAL) mostradas en 4:3 (DAR) corresponden a una PAR de 12:11 (si es 704×576, SAR = 11:9) o a una PAR de 16:15 (si es 720×576, SAR = 5:4). Consulte las referencias para obtener fuentes que proporcionen ambas, y la sección "SDTV: Resolución" para ver una tabla de relaciones de aspecto de píxeles, almacenamiento y visualización. Tenga en cuenta también que los televisores CRT no tienen píxeles, sino líneas de exploración.

↑ SAR = DAR : PAR = 4/3 : 59/54 = 72/59 (Pero aún no se explica por qué 704 × 576 puede tener dos relaciones de aspecto de almacenamiento: 11:9 y 72:59)
↑ SAR = DAR : PAR = 16/9 : 118/81 = 72/59

Referencias

Fuentes principales

Unión Internacional de Telecomunicaciones - Sector de Radiocomunicaciones (UIT-R) (enero de 2007). «Recomendación BT.601-6: Parámetros de codificación de estudio de la televisión digital para relaciones de aspecto estándar 4:3 y panorámica 16:9» . Librería en línea de la UIT . Consultado el 1 de octubre de 2008 .A la fecha de consulta, una suscripción gratuita a la librería en línea de la UIT permitiría la descarga gratuita de hasta tres Recomendaciones de la UIT-R.
Asociación de Electrónica de Consumo (marzo de 2008). "Estándar CEA CEA-861-E: Un perfil DTV para interfaces digitales de alta velocidad sin comprimir" . Archivado del original el 7 de noviembre de 2011. Consultado el 1 de septiembre de 2009 .
- Este estándar, que es la base de HDMI , especifica 16:15 (1,0666) como la relación de aspecto de píxeles de 4:3 576i/p y 8:9 (0,888) como la relación de aspecto de píxeles de 4:3 480i/p.
Pirazzi, Chris. "Píxeles cuadrados y no cuadrados" . Consultado el 1 de octubre de 2008 .
Pirazzi, Chris. "Guía para programadores de sistemas de vídeo" . Consultado el 1 de octubre de 2008 .
Poynton, Charles (2002). Vídeo digital y HDTV: algoritmos e interfaces . San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers. ISBN 1-55860-792-7.
Unión Europea de Radiodifusión (1999). «Recomendación técnica R92-1999 de la UER: Área de imagen activa y centrado de imagen en sistemas de televisión analógicos y digitales 625/50» (PDF) . Consultado el 12 de junio de 2011 .

Fuentes complementarias

Adobe Systems Incorporated. "Relaciones de aspecto (-> Relaciones de aspecto de píxeles comunes)" . Documentación de Adobe Premiere Pro CS4 . Consultado el 25 de enero de 2009 .
- También está disponible una versión en PDF de la documentación de Adobe Premiere Pro CS4 en el sitio web de Adobe .
- Esta fuente especifica 12:11 (1,09) como la relación de aspecto de píxeles de 576i.
Adobe Systems Incorporated. "Relación de aspecto de píxeles y relación de aspecto de fotogramas (-> Relaciones de aspecto de píxeles comunes)" . Documentación de Adobe After Effects CS4 . Consultado el 25 de enero de 2009 .
- También está disponible una versión en PDF de la documentación de Adobe After Effects CS4 en el sitio web de Adobe .
- Esta fuente especifica 12:11 (1,09) como la relación de aspecto de píxeles de 576i.
Jukka Aho. "Guía rápida para conversiones de resolución y relación de aspecto de vídeo digital" . Archivado del original el 16 de agosto de 2014. Consultado el 25 de enero de 2009 .
- Esta fuente calcula diferentes valores de relación de aspecto de píxeles para imágenes de 480i y 576i.
Hermano John. "La importancia de la norma ITU-R BT.601 para el PAR (Traducido del alemán)" . Consultado el 26 de noviembre de 2010 .
- Un análisis en profundidad de las discrepancias en las relaciones de aspecto de los píxeles que se ofrecen en diversas especificaciones.
- Licencia Creative Commons Atribución, No Comercial-Compartir Igual 3.0 Alemania (CC by-sa)
- Traducción al inglés:

Notas

↑ "Tasas de reloj de puntos" . pineight.com . Consultado el 23 de septiembre de 2018 .
↑ "Codificación de vídeo avanzada para servicios audiovisuales genéricos" . pág. 25 (7) . Consultado el 10 de junio de 2022 .
↑ "ffprobe muestra PAR como SAR" . ffmpeg.org . Consultado el 10 de junio de 2022 .

Enlaces externos

La prueba de fuego de la relación de aspecto de los píxeles

[4] SAR = DAR : PAR = 4/3 : 59/54 = 72/59 (Pero aún no se explica por qué 704 × 576 puede tener dos relaciones de aspecto de almacenamiento: 11:9 y 72:59)

[5] SAR = DAR : PAR = 16/9 : 118/81 = 72/59

[1] "Tasas de reloj de puntos" . pineight.com . Consultado el 23 de septiembre de 2018 .

[2] "Codificación de vídeo avanzada para servicios audiovisuales genéricos" . pág. 25 (7) . Consultado el 10 de junio de 2022 .

[3] "ffprobe muestra PAR como SAR" . ffmpeg.org . Consultado el 10 de junio de 2022 .

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