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PGD | §2.10 – Contextos de aplicación: Visualización de imágenes

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Dentro de las tecnologías disponibles para la visualización de datos, las imágenes digitales requieren algún tipo de dispositivo bidimensional. El desarrollo de esta tecnología procede originalmente de las aplicaciones de video, y en esencia tenemos dos tipos:

Tubo de rayos catódicos o CRT (Cathode Ray Tube)

Se trata de la tecnología más antigua de las dos. Consiste en un tubo de vacío, uno de cuyos extremos es extenso y relativamente plano (pantalla) y recubierto del lado interno por celdas formadas por puntos o tiras de fósforo fluorescente, capaces de emitir luz roja, verde o azul cuando son alcanzadas por electrones; el otro extremo contiene un cañón de electrones, que emite tres haces que inciden en los tres tipos de fósforos de la pantalla, una celda por vez. El sistema se completa por un sistema de deflexión que permite controlar a cual celda se dirige el haz y, por lo tanto, cual sector de la pantalla será iluminado.

CRT
Detalle de un tubo de rayos catódicos. En el diagrama se observan los tres cañones electrónicos (esquina inferior izquierda), el sistema de deflexión magnético (centro) y la máscara, por donde se fuerzan a pasar a los tres haces de electrones de manera que incidan en las ternas de puntos sensibles (rojo, verde y azul) dispuestos en la pantalla (detalle ampliado).

Tanto en equipos de televisión como monitores para computadoras, este tipo de pantalla presenta una relación de aspecto (relación entre el ancho y el alto de la pantalla) fija e igual a 4:3, es decir, cada 4 unidades de ancho se tienen 3 de alto. Esto hace que con sólo una de las dimensiones pueda deducirse cualquier otra; en la práctica, la costumbre es indicar el tamaño de la pantalla a través de la longitud de su diagonal. Con estas proporciones, la longitud de la diagonal es 5 (teorema de Pitágoras); luego, dada la diagonal de la pantalla, el ancho será 4/5 de ese valor, y el alto será 3/5 del mismo. Por ejemplo, en un tubo cuyo tamaño comercial es 20”, el ancho será 4/5 de 20” = 16” y el alto 3/5 de 20” = 12”.

Pantalla de cristal líquido o LCD (Liquid Crystal Display)

Este tipo de pantallas operan en virtud del comportamiento de ciertas sustancias que presentan un estado denominado cristal líquido, por poseer propiedades intermedias entre los líquidos y los cristales sólidos: fluyen como líquidos a temperatura ambiente pero tienen una estructura molecular similar a los cristales. Su utilidad radica en que esa estructura puede modificarse mediante la aplicación de campos eléctricos. Si se hace pasar un haz de luz polarizado (es decir, aquél cuyas ondas electromagnéticas estén confinadas a un plano determinado), se obtendrá a la salida el mismo haz pero con ese plano girado un cierto ángulo que depende del campo eléctrico aplicado, lo que permite su empleo como tecnología de pantalla de la manera siguiente:

Se dispone de una fuente de luz plana que se hace incidir sobre un polarizador. La luz polarizada en una dirección atraviesa una capa de cristal líquido, ubicado de forma que gira el plano de la luz 90° cuando no hay tensión eléctrica aplicada. Al salir, la luz incide en un filtro que deja pasar la luz en un plano perpendicular al polarizador; luego, sin aplicar tensión eléctrica, la luz consigue pasar ese filtro. Atraviesa luego un filtro de color, convirtiendo esa luz blanca en roja, verde o azul según el color del mismo. A ambos lados del cristal líquido se ubican electrodos transparentes que no bloquean la luz pero permiten la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico para así girar el plano de la luz y regular, de ese modo, cuánta luz será visible del otro lado.

Concepto de resolución aplicado a pantallas

A pesar de sus diferencias, para nuestros fines ambos dispositivos pueden considerarse similares en cuanto poseen un tamaño de pantalla, una cantidad de pixeles en sentido horizontal y vertical, y la posibilidad de controlar el color de cada uno de ellos de forma independiente del otro. En ambos casos llamaremos NW y NH al número de pixeles en cada dirección; aunque es erróneo conceptualmente, estos dos números son llamados comúnmente resolución de pantalla:

Se emplea la expresión resolución de pantalla para indicar el número de pixeles horizontales y verticales de un monitor.

Está claro que este valor no es una verdadera resolución, ya que está ausente la dimensión espacial; sin embargo, es posible hablar de una resolución ya que esos pixeles están distribuidos a lo largo y a lo ancho de la pantalla. Por otro lado, la cantidad de pixeles efectivamente mostrados depende no sólo del monitor, sino también de la electrónica que lo controla (placa de video) y las opciones del software asociado (driver de video). En un CRT es justo el sistema de video el que determina esa cantidad; en cambio, la naturaleza fija de los pixeles de un LCD hace que éstos tengan una resolución de pantalla determinada por construcción, llamada resolución nativa[1]:

En un monitor LCD, se denomina resolución nativa al número de pixeles horizontales y verticales determinados por su construcción.

Las distintas “resoluciones de pantalla” posibles no son arbitrarias, sino que están más o menos estandarizadas, y es común referirse a ellas utilizando cierto código y denominación. Algunos ejemplos se muestran en la tabla siguiente:

Código Denominación Relación de aspecto Ancho (pixeles) Alto (pixeles)
VGA Video Graphics Array 4:3 640 480
SVGA Super Video Graphics Array 4:3 800 600
XGA Extended Graphics Array 4:3 1024 768
XGA+ Extended Graphics Array Plus 4:3 1152 864
WXGA+ Widescreen Extended Graphics Array 5:3 1280 768
8:5 (= 16:10) 1280 800
16:9 1366 768
SXGA Super Extended Graphics Array 4:3 1280 960
5:4 1280 1024
WSXGA Widescreen Super Extended Graphics Array 8:5 (= 16:10) 1440 900
WSXGA+ Widescreen Super Extended Graphics Array Plus 8:5 (= 16:10) 1600 1050
UXGA Ultra Extended Graphics Array 4:3 1600 1200
WUXGA Widescreen Ultra Extended Graphics Array 8:5 (= 16:10) 1920 1200

Con estos datos, intentaremos averiguar la verdadera resolución de un monitor en circunstancias reales. Es común que se emplee la expresión densidad de píxeles (pixel density), en especial en celulares y tabletas de alta gama,  para describir en las especificaciones de una pantalla en lo que para nosotros es la resolución (cantidad de pixeles por unidad de longitud). Tendremos en cuenta, tal como hemos visto, que el tamaño de un monitor se especifica comercialmente a través de la longitud de su diagonal; en un CRT esa longitud es mayor que la diagonal de la imagen efectiva en alrededor de un 7%, mientras que en un LCD no hay prácticamente diferencias entre ambas diagonales. A continuación se presenta un cuadro con el cálculo de la resolución para diferentes monitores y configuraciones típicas.

Denominación comercial del monitor Relación de aspecto
W:H (D)
Ancho de imagen aprox.
(pulg.)
Alto de imagen aprox.
(pulg.)
Configuración empleada Resolución (densidad de pixeles)
(ppi)
TRC 17” 4:3 (5) 12,6 9,5 SVGA 800 x 600 63,5
XGA 1024 x 768 81,3
TRC 20” 4:3 (5) 14,8 11,2 XGA 1024 x 768 67,4
SXGA 1280 x 960 84,2
LCD 17” 5:4 (6,4) 13,3 10,6 SXGA 1280 x 1024 96,2
LCD 17” Wide 8:5 (9,4) 14,5 9,0 WSXGA 1440 x 900 99,3
LCD 19” 5:4 (6,4) 14,8 11,9 SXGA 1280 x 1024 86,5
LCD 19” Wide 8:5 (9,4) 16,2 10,1 WSXGA 1440 x 900 88,8
LCD 20” Wide 8:5 (9,4) 17,0 10,6 WSXGA+ 1680 x 1050 98,8
LCD 20” Wide HD 16:9 (18,3) 17,5 9,8 900p 1600 x 900 91,4

Cálculo de la resolución efectiva de diferentes tamaños de monitores según la resolución de pantalla empleada. La diagonal D se obtiene mediante pit.

Como se desprende de este cuadro, la resolución efectiva de una imagen vista en un monitor depende de su tamaño y de la configuración o “resolución de pantalla” empleada. Además, los valores hallados muestran que un monitor no puede considerarse, en la práctica, un dispositivo de alta resolución, al menos desde el punto de vista gráfico. Sin embargo, en general no decidimos la calidad de una imagen hasta que no la “vemos” en la pantalla de un monitor; para resolver esta aparente contradicción, debemos entender la naturaleza de la reproducción de imágenes en un dispositivo de este tipo.

Para comenzar, debemos reconocer que la reproducción de una imagen digital en la pantalla de un monitor implica la interacción entre pixeles de imagen y pixeles del monitor; en otras palabras, dado un grupo de pixeles de una imagen, debo elegir un grupo de pixeles de la pantalla para reproducirlos.

La estrategia más natural es utilizar un pixel del monitor para reproducir un pixel de la imagen, denominada 1 a 1, vista al 100% o píxeles reales.  Este modo de reproducción es el indicado para evaluar el muestreo de una imagen, particularmente su nivel de detalle y la presencia de ruido, ya que cada pixel de la imagen está representado por un pixel independiente del monitor.

Ahora bien, del cuadro de resoluciones anterior, podemos ver que la mayor resolución alcanzable es casi 100 ppi. Supongamos un monitor con esta resolución que debe representar una imagen de 300 ppi; las dimensiones de cada uno de estos pixeles son la tercera parte de los del monitor; luego, la imagen ocupará en pantalla una dimensión triple. Por ejemplo, una imagen de 13 x 18 cm a 300 ppi necesita, utilizando esta estrategia, un tamaño de pantalla de 39 x 54 cm; ni siquiera un monitor de 20” (que tampoco llega a 100 ppi) lograría mostrar la imagen en su totalidad.

Esto explica la necesidad de utilizar algún tipo de zoom para cambiar el tamaño aparente de la imagen. Esto puede hacerse de dos maneras:

  • Un pixel del monitor representa a todo un grupo de pixeles de la imagen: por ejemplo, un área de 2 x 2 pixeles de la imagen se funden para iluminar sólo un pixel del monitor. Se habla así de un zoom de reducción, en este caso del 50%, ya que la imagen aparecerá con la mitad del tamaño respecto a la representación 1 a 1;
  • Un pixel de la imagen ilumina a todo un grupo de pixeles del monitor: por ejemplo, el mismo pixel se repite en un cuadrado de 2 x 2 pixeles del monitor. Aquí se tiene un zoom de aumento, en este caso de 200%, por duplicar el tamaño aparente de la imagen respecto de la vista al 100%.

En el primer caso, podemos “encajar” la imagen en una cierta área de la pantalla, al precio de no poder distinguir más pixeles individuales; sin embargo, esta vista es aceptable para juzgar el color global de la imagen, en la medida que no existan patrones de color detallados a nivel de pixel. El segundo caso sólo tiene utilidad para mejorar la apreciación de imágenes de pocos pixeles o para poner de manifiesto fenómenos del orden de magnitud de los pixeles mismos; por ejemplo, los defectos introducidos por una compresión JPEG elevada.

Actividades para el capítulo §2.10

  1. Calcule la resolución de pantalla (densidad de pixeles) de su propio celular.
§2.11 – Contextos de aplicación: Impresión de imágenes >

1 Un LCD puede operarse a resoluciones menores a la nativa, pero al precio de una pérdida de enfoque, producto de la falta de coherencia entre el tamaño del pixel aparente y el del real. Desde este punto de vista, en cambio, puede considerarse que un CRT tiene varias resoluciones nativas.