Masterclass : Tecnología 4K

¿Que és el 4K? La resolución espacial indica las dimensiones en píxeles de una imagen, es decir, el número de píxeles que constituyen la altura y la anchura de una imagen. El término 4K, inicialmente utilizado en la industria del cine digital, se emplea ahora para los formatos de cine, televisión o de difusión por internet que utilizan resoluciones espaciales de aproximadamente 4.000 píxeles en sentido horizontal

Un píxel es una la unidad mínima de color que forma una imagen digital, como puede ser una fotografía, un gráfico o una fotograma de vídeo. Los píxeles son pequeñas unidades en las que se divide una imagen. Para entender  fácilmente este concepto de informática, podemos observar la imagen del post, la cual está divida complemente en una serie de cuadrados iguales. Cada uno de esos cuadrados pequeños de color es un píxel. Por esta razón cuantos más píxeles posea una imagen, mayor calidad tendrá porque no se apreciará la diferencia entre los píxeles. Cuando una imagen posee pocos píxeles, y se ve como esta, se dice que está pixelada. Un píxel no tiene una medida fija, es decir, 1 píxel no mide X cm siempre, sino que depende de la resolución. Por ejemplo, si una imagen posee 500×200 píxeles sabemos que está divida en 100.000 píxeles. Sin embargo, no sabemos cuánto mide cada píxel. Todo cambia cuando sabemos la resolución por pulgada. La resolución indica la cantidad de píxeles por pulgada que posee una imagen. Si decimos que una imagen tiene 100 píxeles por pulgada podemos deducir que cada píxel equivale 2,54 milímetros, ya que cada pulgada que son 2,54 centímetros está dividida en 100 píxeles.

Cuanto mayor sea el número de píxeles de una imagen, mayor será su definición, su dibujado. En un principio los pixeles podían observarse a simple vista. Hoy día son tan numerosos y pequeños que prácticamente parecen invisibles. Ofreciendo una calidad de imagen abrumadora. ¿Fácil verdad? 👇👇

En sí mismo 4K no significa mucho. Consiste solamente en aumentar el número de píxeles que componen el fotograma. También se puede decir que es un aumento de la densidad de píxeles en un fotograma. Pero hay una serie de factores relacionados que intervienen en la cinematografía digital y que serán determinantes para comprender como, en torno al concepto de 4K, se están implantando sistemas que incrementan significativamente la calidad técnica de la imagen. Cuando los fabricantes de teléfonos móviles ofertan dispositivos que graban vídeo en 4K, es obvio que no responden a las mismas especificaciones técnicas que las cámaras de alta gama para producción de cine. ¿Dónde está la diferencia?

El salto hacia una imagen digital de mayor calidad se sustenta en cinco pilares:

– Aumentar la resolución especial: más píxeles en cada imagen (4K u 8K).
– Aumentar de la resolución temporal: más fotogramas por segundo (48, 50, 60, 100 o 120 fps).
– Aumentar del rango dinámico: mayor capacidad para captar y reproducir niveles de brillo y matices de color.
– Aumentar la cuantificación (profundidad de color): número de bits que se emplean para codificar cada uno de los píxeles (10, 12, 16 bits).
– Aumentar el espacio de color: un gamut de color más amplio.

Para que se produzca el salto cualitativo se tienen que dar estos cinco factores conjuntamente.

RELACIÓN DE ASPECTO

La relación de aspecto expresa la proporción entre el alto y el ancho de la imagen. La televisión en sus inicios adoptó una relación de aspecto de 4:3 (1,33:1) siguiendo la tradición del formato académico del cine. Pero en los años 50 para la producción y exhibición cinematográfica se desarrollaron los formatos panorámicos consiguiendo así un elemento diferenciador y aumentando la espectacularidad del formato. En los años 2000, en televisión, aprovechando la migración digital, se implantó en todo el mundo el formato de pantalla ancha 16:9 (1,77:1). En cine y televisión se han utilizado dos formas distintas para indicar la relación de aspecto: en televisión se usa un quebrado, por ejemplo 4:3 o 16:9, mientras que en cine se emplea un decimal en relación a 1, por ejemplo 1,33:1 o 1,77:1. La normalización establecida para el cine digital DCI es 1,85:1 y 2,39:1 para formatos panorámicos. En televisión, el estándar es el formato 16:9. A efectos prácticos conviene destacar que el formato 1,85:1 del cine es prácticamente igual que el 16:9 de la televisión. Hay solo un ligero recorte. Por lo tanto es una relación de aspecto que funcionará correctamente tanto en televisión como en cine. Simplemente se tiene que aplicar un ligero recorte.

Otro indicador fundamental de la calidad de una imagen digital es la profundidad de color (color depth) o profundidad de bits (bit depth) que indica la cuantificación de la señal. Es decir, cuántos bits se utilizan para describir cada píxel. Con este dato se expresa cuantos valores distintos de brillo y color están disponibles para codificar la imagen.

RESOLUCIÓN TEMPORAL (FRAMES)

Los sistemas de edición de vídeo que se utilizan hoy en día ofrecen cierta flexibilidad a la hora de definir la frecuencia de fotogramas o frames por segundo (fps) de una secuencia o un proyecto. En cine tradicionalmente se ha rodado a 24 fps, en la televisión europea a 25 fps y en Estados Unidos a 30 fps o a 29,97 fps. Las cámaras digitales pueden grabar con cualquiera de estos valores de frecuencia y los sistemas de postproducción ofrecen herramientas para hacer las conversiones que puedan ser necesarias.
Cuantos más fotogramas se tomen de una acción, más información se registrará sobre el movimiento que produce. Por ello la frecuencia de fotogramas por segundo (frame rate) de una secuencia se denomina ‘resolución temporal’ (temporal resolution).

La resolución temporal en la grabación también afectará a la definición de los bordes de los objetos en movimiento y al efecto de desenfoque de movimiento (motion blur). Un aumento en la frecuencia de captación implica también un aumento de la velocidad de obturación en la cámara generando así imágenes más nítidas con un efecto de desenfoque de movimiento reducido.
Efecto de desenfoque reducido

PROFUNDIDAD DE COLOR

Otro indicador fundamental de la calidad de una imagen digital es la profundidad de color (color depth) o profundidad de bits (bit depth) que indica la cuantificación de la señal. Es decir, cuántos bits se utilizan para describir cada píxel. Con este dato se expresa cuantos valores distintos de brillo y color están disponibles para codificar la imagen. La profundidad de color mínima en los equipos profesionales es de 8 bits por cada componente RGB. Pero actualmente, ya sea en fotografía, en vídeo o en cine digital, se pueden utilizar 10, 12 o incluso 16 bits para cada canal RGB.
Estos valores permiten aumentar la gama de colores hasta niveles iguales o superiores a los que puede percibir el ojo humano y superiores también a los sistemas de monitorización de los que disponemos en los ordenadores. Este incremento de la capacidad de codificación de los matices de brillo y color se aprecia en la representación de degradados evitando los artefactos conocidos como ‘color banding’.

RANGO DINÁMICO Y CURVAS

El rango dinámico de una imagen digital es la capacidad que tiene de representar correctamente el contraste, las altas luces y las sombras profundas.
Hablando en términos generales, y simplificando un poco, podemos decir que la película negativa que se utilizaba para cine tenía capacidad para registrar en torno a 12 f-stops de rango dinámico. Sin embargo los sistemas tradicionales de vídeo y televisión estaban limitados a unos 6 f-stops. Las nuevas cámaras que se utilizan en cine digital ya registran hasta 14 f-stops. Generan imágenes compuestas con una gama más amplia de niveles de gris y matices de color alcanzando valores equivalentes o incluso superiores a los del cine fotoquímico.

FLUJO DE TRANSFERENCIA Y ANCHO DE BANDA

El flujo de transferencia binaria o tasa de transferencia (bit rate) indica el número de bits que se transmiten por segundo. Se puede expresar en bits por segundo (bits per second; bit/s) o en Bytes por segundo (B/s). Un bit es la unidad mínima de información digital. Un Byte son ocho bits. Se suele utilizar la unidad bit cuando la transmisión se produce en serie, es decir, en fila uno detrás de otro, y Bytes cuando la transmisión de hace con ocho bits en paralelo. Cuanto mayor sea la resolución espacial, la profundidad de color y la resolución temporal, mayor será la cantidad de información (bits) a transmitir para poder reproducir el vídeo en tiempo real. Es decir, cuanta más calidad tenga el formato de vídeo, mayor será el flujo de transferencia que genera.

Una de las mayores complicaciones del 4K está en el tamaño de los archivos y el flujo de transferencia que genera su reproducción. Anecdóticamente podemos señalar que un disco duro externo conectado por USB 2.0 encuentra su límite de capacidad en los 280 Mbit/s. Solo es capaz de reproducir un vídeo 4K con los códecs más bajos de ProRes o DNxHR, los que se utilizan para edición offline: ProRes Proxy y DNxHR LB. Los códecs más altos requieren un equipo con mucha capacidad, discos duros muy rápidos y el conexionado adecuado para soportar esas tasas de transferencia. Las cámaras ligeras 4K de la electrónica de consumo utilizan todos los recursos posibles para reducir estos valores: profundidad de color a 8 bits, submuestreo de color 4:2:0 y agresivas técnicas de compresión con pérdidas que afectan gravemente a la calidad de las imágenes. De esta forma se consigue que el material se pueda almacenar en tarjetas SD de bajo costo que no soportarían flujos de transferencia superiores. También en el ámbito profesional se intentan optimizar las tasas de transferencia. Se trabaja con códecs de alta calidad pero con una ligera compresión, como DNxHR o XAVC de Sony, porque si no, el volumen de datos sería inabarcable.

SENSORES 4K

Los sensores están en el plano focal de las cámaras digitales. Es el plano donde convergen los haces de luz que atraviesan el objetivo. Está compuesto por una matriz de millones de cavidades captadoras de luz llamadas ‘fotodiodos’. Durante la exposición los fotodiodos quedan al descubierto para recoger y almacenar la información de brillo y color de cada pixel.
Para captar el color se colocan unos filtros cromáticos delante de cada uno de estos fotodiodos. La tecnología más extendida para esta función es la máscara de Bayer que está formada por un 50% de filtros verdes, un 25% de rojos y un 25% de azules. Interpolando dos muestras verdes, una roja y una azul se obtiene un pixel de color. En los archivos RAW se guarda la información del patrón de Bayer de forma directa, sin interpolaciones. Por ello, al proceso de ‘relevado RAW’ también se le conoce como ‘debayerización’ (debayering).

Al aumentar el tamaño de los fotodiodos, es decir con sensores grandes con menos megapíxeles, llega más cantidad de luz y por lo tanto se incrementa potencialmente el rango dinámico.
El tamaño del sensor determina el tipo de objetivo que se necesita. Las cámaras de cine tradicionales utilizaban película de 35 mm y la denominación de los tamaños de los sensores digitales sigue utilizando esta referencia, indicando así que los objetivos que se utilizaban en cine y en fotografía siguen siendo válidos para estas nuevas cámaras.
Pero los términos 35 mm, super 35 mm, full frame, etc. no son muy precisos puesto que el número 35 hace referencia al ancho en milímetros de una película fotoquímica considerando también la zona de las perforaciones y sin tener en cuenta la relación de aspecto. En la siguiente imagen se puede apreciar la correlación de tamaño de la película fotoquímica y los sensores digitales de Super 35 mm.

El tamaño del sensor tiene también una influencia directa en la profundidad de campo. Las cámaras con sensores más grandes, por las características de la óptica que utilizan, dan menos profundidad de campo. Por este motivo, en televisión, se han utilizado habitualmente sensores pequeños con los cuales es más sencillo ajustar el foco porque dan mucha profundidad de campo. Es una característica muy conveniente y efectiva para grabaciones rápidas realizadas por un solo operador. En cine, con película de 35 mm, el foco era más crítico dando lugar a bellas imágenes que utilizan el enfoque selectivo. Las cámaras digitales de cine han heredado esa característica porque utilizan sensores grandes.
En cine, para aumentar la espectacularidad y la calidad de la imagen, se utilizó en algunas ocasiones la película de 70 mm. Recientemente Arri ha lanzado una nueva cámara con un sensor de 65 mm, la Arri Alexa 65. Lógicamente este nuevo sensor demanda nuevos objetivos fabricados específicamente para este tamaño.
En la siguiente figura se pueden comparar los tamaños de sensores más habituales en las cámaras profesionales 4K.

La mayoría de las cámaras de cine digital utilizan el sensor de Super 35-3 perforaciones: las Arri Amira y Alexa Classic, las de Red, las de Sony, las de Panasonic, etc.
El sensor de las Arri Alexa XTS está más cercano al super 35-4 perforaciones con una proporción de 1,55:1 (modo llamado en las Alexa Open Gate 4:3). Esta relación de aspecto se utiliza en muchas ocasiones con lentes anamórficas 2x para hacer los formatos panorámicos scope 2,39:1. El formato Full Frame se utiliza más en fotografía que para cine o televisión. Hay cámaras fotográficas DSLR, como la Canon 5D, que graban vídeo con un sensor Full Frame. La Sony A7 graba en 4K con sensor Full Frame y consigue unos resultados espectaculares en condiciones de baja luz y en cuanto a rango dinámico. La única cámara digital que tiene un sensor de 65 mm es la Arri Alexa 65. El sensor de 2/3’’ se utiliza más en cámaras de televisión.

PROGRAMAS DE EDICIÓN DE VIDEO

Los programas de edición permiten generar un proyecto en 4K e internamente pueden trabajar o bien con el material en alta calidad o con proxys, códecs de intermediación a tamaños inferiores.
Los sistemas de edición más extendidos son Premiere, Avid y FinalCutPro.

La política de Adobe con Premiere ha sido siempre la de vincularse al material original, como los programas de edición online. Pero ahora está cambiando por dos cosas: primero porque han cogido como códec de intermediación el Cineform y segundo, porque han empezado a colaborar con Avid. A partir de ahora la plataforma de Adobe va a utilizar los sistemas de almacenamiento compartido de Avid, famosos por su estabilidad14. Con este acuerdo, Avid podrá incrementar sus ventas de hardware y Adobe gana en prestaciones profesionales para grandes instalaciones. Actualmente el modelo de negocio de Adobe está centrado en su estrategia de comercialización por suscripción de su paquete ‘Creative Cloud’. De esta forma, es un buen acuerdo para ambas partes: Avid incrementará sus ventas de hardware y Premiere podrá utilizar los códecs de intermediación de Avid para 4K, los DNxHR. Premiere tiene una interfaz de usuario muy buena, mucha implantación en el mercado y está integrada en un paquete de aplicaciones que cubre todas las tareas de la postproducción: gráfica, sonido, composición etc.

Final Cut Pro es de Apple e intermedia en ProRes. Ésta es su ventaja competitiva aunque los DNxHR de Avid son tan buenos o mejores que los ProRes. Una limitación de Final Cut es que no se puede instalar en un PC y no soporta muchos de los códecs de cámara: ni Sonyraw, ni Canonraw, ni CinemaDNG, etc. El cambio de interfaz que hicieron hace años con la versión 10, no resultó muy popular y les hizo perder cierto volumen de usuarios, a pesar de ser una buena interfaz para ciertos usos.

Avid Sigue siendo líder en el sector profesional con su Media Composer. Su fuerte está más en los sistemas de almacenamiento y los códecs de intermediación que en la interfaz de usuario, poco popular hoy en día.

CONCLUSIONES

La migración a la televisión de ultra alta definición y al cine digital 4K no es solo una cuestión de aumentar la resolución espacial. Debe traer también un espacio de color más amplio, un aumento del rango dinámico (HDR) y de la frecuencia de fotogramas (HFR). Todos estos avances tienen que estar dirigidos a que aumente la sensación de calidad y a potenciar el componente artístico de las obras.

Desde el punto de vista técnico el espacio de color que se ha implantado para el cine digital, el DCI-P3, no es suficiente. Tiene un gamut muy reducido, parecido al BT-709 de la televisión HD, y muy inferior al del cine fotoquímico. En ese sentido el paso de la película al digital ha sido un retroceso. Aún es necesario un nuevo desarrollo tecnológico con un gamut más amplio y una relación de contraste mayor para superar al positivo cinematográfico. Ya se está hablando de hacer una nueva norma DCI 2.0. La actual, la 1.0, tiene limitaciones muy grandes de relaciones de aspecto y frecuencias de fotogramas. Por ejemplo, no está contemplado el formato 4:3. Tampoco la proyección a 16 fps. Las filmotecas tienen muchísimo material de estas características y la norma no las contempla. Estas incorporaciones a la norma se pueden sumar a las cuestiones del rango dinámico y el espacio de color.
Para la radiodifusión televisiva está definido el espacio de color BT-2020 que supone un importante avance. Pero las pantallas 4K que se están comercializando no lo han implementado todavía y aún está pendiente la normalización del rango dinámico.

El salto tecnológico también implica un aumento de la frecuencia de fotogramas por segundo. Con las frecuencias más altas se obtienen imágenes más nítidas y un movimiento más suave. Esto es especialmente relevante teniendo en cuenta que el incremento de resolución espacial permite ampliar el tamaño de las pantallas y reducir la distancia de visionado.
Un estudio reciente de la BBC sobre las condiciones de visionado de la televisión en el Reino Unido (Noland & Truong, 2015) analiza la sensación de calidad en relación con el tamaño de la pantalla y con la distancia a la que se sitúa en el espectador. A una distancia de 2 o 3 metros con un televisor de 40’’ o 50’’ la diferencia de resolución espacial entre HD y Ultra HD no es muy apreciable por una cuestión fisiológica de agudeza visual. El 4K será muy notorio en pantallas gigantes cuando el espectador se sitúe muy cerca, como por ejemplo con una pantalla de 100 pulgadas observada a una distancia de 2 metros. Pero ésta no es una situación habitual en los hogares. Y no es solo cuestión de tamaño y resolución. También es preciso una nueva generación de pantallas más brillantes, con capacidad para representar el contraste y el color con mayor fidelidad.

No obstante, la implantación de la televisión de ultra alta definición y el cine 4K está en marcha con paso firme:
– La parte de la producción está muy avanzada como hemos visto con las características de las nuevas cámaras, los procesadores y los grabadores digitales.
– Para la difusión existe la norma HEVC que funciona correctamente para televisión vía satélite o cable y para la difusión por internet.
– Ya se está comercializando una primera generación de televisores 4K para los hogares.
Este último aspecto, el de las pantallas, es el más crítico. Para que los usuarios se decidan a invertir en un televisor nuevo, la industria tiene que ofrecer un valor añadido claro. No parece que la Ultra HD a 4:2:0, 8 bits con el espacio de color de la norma BT-709 cumpla este requisito. Las estrategias de marketing de los fabricantes de pantallas macarán los ritmos de implantación de las nuevas prestaciones técnicas.
El proceso de migración se puede alargar muchos años. Las experiencias de las transiciones anteriores así lo indican. La definición de las normas de televisión digital se gestaron a principios de los años 90 y la sustitución se completó en Europa en 2012, es decir, 20 años después. Y el paso de la televisión analógica a la digital contó con una fuerte mediación de los Estados que necesitaban completar el cambio para liberar espectro de radiodifusión.
También identificamos una dificultad con los catálogos de contenidos. Todo el material que se difunde hoy en día está producido en el espacio de color BT-709 y DCI-P3. Cuando se empiece con el espacio de color de BT-2020 y se definan los valores para el alto rango dinámico, no habrá contenidos preparados con estas características. Estas conversiones también requieren periodos de tiempo muy largos porque implican fuertes inversiones de los proveedores de contenido. Será necesario recurrir a los originales en soporte fotoquímico o generar nuevos materiales para aprovechar todo el potencial de calidad de la nueva tecnología. La creación audiovisual siempre ha estado vinculada al desarrollo tecnológico. Desde los primeros pasos de la fotografía y el cine hasta hoy. Los profesionales tienen que utilizar las nuevas herramientas y los nuevos formatos para sus creaciones en una lógica de innovación continua marcada por la industria y la comercialización de las obras. Forma parte del trabajo y está implícito en las profesiones del audiovisual. Siempre ha sido así: con la incorporación del sonido y el color en el cine, con la aparición de los distintos formatos de película o con la llegada de la imagen electrónica y digital. Cada uno de estos cambios ha supuesto un reto para los artistas que han explotado las nuevas posibilidades que ofrece la tecnología. La cuestión es aprovechar estas innovaciones para la creación artística, para hacer nuevas obras y mejores.
La tendencia está marcada. Con esta guía hemos intentado entender dónde están las claves de este desarrollo tecnológico, en qué momento estamos y cuáles son las perspectivas que se generan bajo la etiqueta que los profesionales del marketing han definido como 4K.