Consiste en la obtención de imágenes mediante una cámara oscura, de forma similar a la Fotografía química. Sin embargo, así como en esta última las imágenes




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Fotografía digital

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Cámara digital.

La fotografía digital consiste en la obtención de imágenes mediante una cámara oscura, de forma similar a la Fotografía química. Sin embargo, así como en esta última las imágenes quedan grabadas sobre una película fotosensible y se revelan posteriormente mediante un proceso químico, en la fotografía digital las imágenes son capturadas por un sensor electrónico que dispone de múltiples unidades fotosensibles, las cuales aprovechan el efecto fotoeléctrico para convertir la luz en una señal eléctrica, la cual es digitalizada y almacenada en una memoria.

Ventajas

La ventaja de este sistema respecto a la fotografía química es que permite disponer de las imágenes grabadas al instante, sin necesidad de llevar la película al laboratorio y revelar los negativos para poder ver las imágenes; esta ventaja en la rapidez en la disponibilidad de la imagen permite que el fotógrafo haga los cambios en el momento y realice las correcciones que considere pertinentes de forma inmediata, facilitando así lograr la imagen que se desea.

En la cámara digital pueden verse en una pantalla las fotos que se acaban de tomar. La cámara se puede conectar a una computadora u otro dispositivo capaz de mostrar las fotos en un monitor. Como tienen formato informático, las fotos pueden enviarse directamente por correo electrónico, publicarse en la web y se pueden procesar con programas de tratamiento fotográfico en una computadora, para ampliarlas o reducirlas, realizar un encuadre (una parte de la foto), rectificar los colores y el brillo, y realizar otras muchas posibles modificaciones según el programa que se utilice.

Otra gran ventaja de la fotografía digital es que cada vez que la cámara toma una foto crea un archivo y guarda en la memoria información relevante de la captura como la fecha, la hora, la apertura del diafragma, la velocidad de obturación, velocidad del ISO, esta información es muy útil para estudiar las imágenes y entender más acerca de cada fotografía y también facilita el ordenamiento y el manejo de los archivos fotográficos.

Otros recursos útiles existentes en fotografía digital son el histograma de brillo, que es un gráfico que muestra la distribución de los píxeles de la imagen según el brillo y el histograma RGB que muestra la distribución de los píxeles en los diferentes canales RGB, según sus siglas en inglés: R red, G green, B blue. Este recurso no existe en fotografía química.

Las cámaras digitales profesionales tienen la opción de personalizar diferentes tipos de usuario, permitiendo ajustar características importantes de la imagen como la saturación, el contraste, la nitidez y el tono de color. Además permiten un manejo personalizado del balance del blanco, lo cual puede variar notablemente la gama cromática y también permiten capturar imágenes en blanco y negro, sepia, con filtros, etc. El control fácil y rápido de la velocidad del ISO ayuda a resolver los problemas de falta o exceso de luz.

El costo, en comparación con el sistema químico, por fotografía impresa es menor. Esto considerando que se pueden realizar múltiples tomas y elegir e imprimir sólo las mejores fotografías.

La tecnología ha llevado las cámaras digitales a los teléfonos móviles aumentando el número de usuarios de la fotografía exponencialmente y cada vez los nuevos modelos mejoran la calidad óptica y la resolución de la imagen, esto ha causado que la tarea del fotógrafo deba ser repensada y reestructurada.

La fotografía digital ha creado una revolución del medio fotográfico. Las imágenes van cada vez más a las pantallas que al papel.

En el 2010 ya son millones de usuarios los que comparten sus imágenes a través de las redes sociales como Facebook y otros sitios web especializados como Flickr,Picasa, que permiten almacenar, ordenar, buscar y compartir fotografías en línea.

Desventajas

La resolución de una película de 35 mm es alrededor de 320 píxeles por milímetro, siendo aproximadamente de 87 Megapixeles. En cambio expertos fotógrafos dicen que una buena cámara de película química, con un objetivo de alta resolución, una película de alta calidad y un buen revelado equivaldría a unos 40 Megapíxeles . Aunque en la mayoría de los casos, las fotografías en película de 35mm, en especial con película de bajo costo, no sobrepasan los 6 Megapixel debido al tipo de cámara e inexperiencia de la persona que está fotografiando. En cambio, con una cámara digital de relativa calidad y una persona inexperta, se pueden obtener mejores fotografías que con su contra parte química. Hoy en día (año 2011) las cámaras digitales han alcanzado los 200 Megapíxeles, por ejemplo la cámara digital "Haaselblad H4D-200MS".

Las cámaras digitales con sensor "full frame" presentan una figura de ruido mejor que la película química.

Otra desventaja de las cámaras digitales es el costo más elevado de estas, comparado con las máquinas convencionales, aunque día a día esta brecha se acorta.

Una desventaja de las cámaras Réflex digitales DSLR (Digital Single Lens Reflex) es que son más delicadas que las Réflex de película, ya que el sensor que digitaliza la imagen es muy frágil y puede rayarse o deteriorarse con facilidad, además suele ensuciarse con frecuencia durante el cambio de objetivos.

La cámara digital crea mucho ruido en las imágenes en las exposiciones prolongadas y también usando una velocidad de ISO alta, incluso utilizando los reductores de ruido que incluyen las cámaras profesionales. En algunas ocasiones las cámaras digitales se demoran mientras guardan la información del archivo en la tarjeta de memoria y aparece el anuncio de "BUSY" (ocupado), impidiendo que se tomen nuevas imágenes hasta que se termine de procesar la información, esto es molesto por que algunas imágenes no se pueden capturar y se escapan mientras ocurre este proceso de archivado, esto no ocurre en la fotografía química donde el motor de arrastre es el encargado del desplazamiento de la película y de dejar la cámara lista para la siguiente toma.

Lograr un efecto de exposición múltiple es más fácil en fotografía química que en digital.

Tipos de cámaras

Al igual que en la fotografía clásica, existen muy diversos tipos de cámaras digitales, ya sean de tamaño de bolsillo, medianas o para uso avanzado o profesional, con ópticas más o menos completas, y con sistemas más o menos sofisticados. Una característica peculiar de las cámaras digitales es, sin embargo, la resolución. También en la fotografía clásica se habla de resolución, pero en este caso depende del tipo de película que se usa, ya que es el tamaño de los granos fotosensibles y la dimensión física de la película lo que determina la resolución independientemente de la cámara. También se habla de la "resolución magnifica", pero debe ser tenida en cuenta solamente la del sensor, ya que la interpolación consiste en un proceso que amplía la imagen sin ganancia de calidad (incluso puede perderla ligeramente), puesto que se parte siempre de la resolución del sensor y ésta se interpola con procedimientos matemáticos en los que es imposible obtener los detalles que no captó el sensor.

Cámaras digitales estándar

Esta categoría incluye la mayoría de las cámaras digitales compactas. Se caracterizan por tener una gran facilidad de uso y operación y enfoque sencillo; éste diseño limita las capacidades de capturar imágenes en movimiento, Tienen una profundidad de campo amplia para la cuestión del enfoque. Esto permite que varios objetos estén enfocados al mismo tiempo lo que facilita el uso aunque es también una de las razones por las cuales los fotógrafos profesionales encuentran las imágenes tomadas por estas cámaras planas o artificiales. Estas cámaras son ideales para tomar paisajes y uso ocasional. Frecuentemente guardan los archivos de imagen en formato JPEG.

Cámaras digitales de zoom largo

Estas cámaras permiten un mayor control de las tomas y tienen más calidad y prestaciones que las anteriores. Físicamente se asemejan a las cámaras SLR (Single Lens Reflex) "profesionales" y comparten algunas de sus funciones, aunque siguen siendo compactas. Generalmente tienen zoom óptico largo (de ahí su nombre) que asegura una capacidad de multiuso. Algunas veces son comercializadas como y confundidas con cámaras SLR digitales (dSLR) ya que los cuerpos de cámara se parecen entre sí. Las principales características que las distinguen son que no tienen un objetivo intercambiable (aunque pueden añadirse diferentes objetivos en algunos modelos), pueden tomar vídeo, grabar audio y la composición de la escena se lleva a cabo en la pantalla de cristal líquido o en el visor electrónico. La velocidad de respuesta de estas cámaras tiende a ser menor que la de una verdadera SLR digital, pero pueden lograr una muy buena calidad de imagen siendo más ligeras y compactas que las SLR digitales. Muchas de estas cámaras guardan las fotografías en formato JPEG y cada vez hay más que pueden hacerlo en RAW.

Características

La resolución en fotografía digital se mide multiplicando el alto por el ancho de las fotografías que permite obtener la cámara y generalmente comienza con un millón de píxeles, para las cámaras más económicas, y va en aumento hasta más de diez millones de píxeles, para las cámaras profesionales. El término "píxel" (del inglés picture element), es la unidad más pequeña que capta un valor gris o de color de la fotografía. Una cámara de cuatro millones de píxeles generará imágenes más grandes que una de dos millones, lo que permite obtener una copia impresa de hasta 50 x 75 cm, pero no necesariamente de mayor calidad ya que en este aspecto tiene una mayor importancia la calidad de la óptica utilizada. Sin embargo, dado que a más megapíxeles las cámaras son más caras, es habitual que también posean mejores objetivos.

Otra característica de la fotografía digital es el zoom digital. Mediante este zoom se puede ampliar una foto, pero el efecto no es el de un zoom óptico. El zoom óptico acerca y amplia lo que se quiere fotografiar sin mermar la resolución de la cámara, ya que el acercamiento se consigue con el objetivo. El zoom digital, por el contrario, amplia la imagen que ya ha recibido, de forma que disminuye la resolución, al igual que ocurriría encargando una ampliación al laboratorio o utilizando un programa de edición de gráficos.

Actualmente las cámaras digitales también permiten tomar vídeos, generalmente en resoluciones desde 320x240 hasta 1920x1080 píxeles y de entre 12 y 60 fotogramas por segundo, a veces con sonido (normalmente mono) en el caso de los modelos más completos. Estos vídeos están alcanzando un nivel tan alto de calidad que son muchos los profesionales que están utilizando cámaras de fotos réflex en lugar de cámaras de vídeo.

Historia

La primera cámara digital fue desarrollada por Kodak, que encargó a Steve Sasson la construcción de una el 12 diciembre de 1975. Ésta tenía el tamaño de una tostadora y una calidad equivalente a 0.01 Megapíxeles. Necesitaba 23 segundos para guardar una fotografía en blanco y negro en una cinta de casete y otros tantos en recuperarla.

Video digital

El video digital es un tipo de sistema de grabación de video que funciona usando una representación digital de la señal de vídeo, en vez de analógica. Este término genérico no debe confundirse con el nombre DV, que es un tipo específico de video digital enfocado al mercado de consumo. El video digital se graba a menudo en cinta, y después se distribuye en discos ópticos, normalmente DVDs. Hay excepciones, como las cámaras de vídeo que graban directamente en DVD, las videocámaras de Digital8 que codifican el vídeo digital en cintas analógicas convencionales, y otras videocámaras que graban vídeo digital en discos duros o memoria flash.

Historia

El video digital se introdujo por primera vez en 1983 con el formato D-1 de Sony, que grababa una señal no comprimida de vídeo componente de definición estándar en forma digital en vez de en las formas analógicas de banda alta que habían sido frecuentes hasta ahora. Debido al coste, el formato D-1 fue usado principalmente por grandes cadenas de televisión. Finalmente sería reemplazado por sistemas más baratos que usaban datos comprimidos, más notablemente por el Betacam Digital de Sony, aún muy usado como un formato de grabación de campo por productores de televisión profesionales.

El vídeo digital para el mercado de consumo apareció por primera vez en la forma de QuickTime, la arquitectura de Apple Computer para los formatos de datos basados en tiempo y streaming, que apareció en forma básica alrededor de 1990. Las primeras herramientas de creación de contenido a nivel del mercado de consumo eran básicas, requiriendo digitalizar una fuente de vídeo analógica a un formato legible por el ordenador. Aunque al principio era de baja calidad, el vídeo digital para el mercado de consumo mejoró rápidamente su calidad, primero con la introducción de estándares de reproducción como MPEG-1 y MPEG-2 (adoptados para el uso en las transmisiones de televisión y el soporte DVD), y después la introducción del formato de cinta DV permitiendo grabar directamente a datos digitales y simplificando el proceso de edición, permitiendo utilizar completamente sistemas de edición no lineal en ordenadores de sobremesa.

Visión técnica general

Las cámaras de vídeo digital vienen en dos formatos diferentes de captura de imágenes: entrelazado y escaneo progresivo. Las cámaras entrelazadas graban la imagen en conjuntos de líneas alternas: se escanean las líneas numeradas impar, y después se escanean las líneas numeradas par, después se escanean las líneas numeradas impar, y así. A un conjunto de líneas par o impar se le llama "campo", y un aparejamiento consecutivo de dos campos de paridad opuesta se le llama cuadro.

Una cámara digital de escaneo progresivo graba cada cuadro como una imagen distinta, sin registrar campos. Así, un vídeo entrelazado captura el doble de campos por segundo que el vídeo progresivo cuando ambos funcionan al mismo número de cuadros por segundo. Ésta es una de las razones por la que el vídeo tiene un aspecto "hiperreal", ya que dibuja una imagen diferente 60 veces por segundo, al contrario que el cine, que lo hace a 24 imágenes progresivas por segundo. Hablamos aquí de velocidades de reproducción para exhibición. Las cámaras de cine tienen la habilidad de registrar a velocidades variables -por ejemplo, las explosiones en las películas de acción se registran hasta a 300 cuadros por segundo, que al ser reproducidas luego a 30 dan una excelente cámara lenta- y existe una cámara de vídeo digital llamada Varicam, capaz de registrar hasta 200 cuadros por segundo.

Las videocámaras de escaneo progresivo como la Panasonic DVX100 son generalmente más deseables por las similaridades que comparten con el cine. Ambos graban las imágenes progresivamente, lo que resulta en una imagen más nítida. Ambos pueden rodar a 24 imágenes por segundo, lo que resulta en movimiento "strobing" (hace borroso el objeto cuando hay un movimiento rápido). Así, las videocámaras de escaneo progresivo tienden a ser más caras que sus homólogas entrelazadas. (Tenga en cuenta que aunque el formato de vídeo digital solamente permite 29.97 imágenes entrelazadas por segundo [o 25 en PAL], el vídeo progresivo a 24 imágenes por segundo es posible mostrando campos idénticos para cada imagen, y mostrando 3 campos de una imagen idéntica para ciertos marcos. Para una explicación más detallada, véase el enlace adamwilt.com.)

Las películas fotográficas estándares como 16 mm y 35 mm graban a 24 imágenes por segundo. Para vídeo, hay dos estándares de imágenes por segundo: NTSC (que graba a 30/1.001, alrededor de 29.97, imágenes por segundo) y PAL (a 25 imágenes por segundo).

El vídeo digital puede copiarse sin degradación en la calidad. No importa cuantas generaciones se copia una fuente digital, será tan claro como el original de primera generación del material digital.

El vídeo digital puede procesarse y editarse en una estación de edición no lineal, un dispositivo construido exclusivamente para editar vídeo y audio. Éstos frecuentemente pueden importar de tanto fuentes analógicas como digitales, pero no están pensadas para hacer algo diferente a editar vídeos. El vídeo digital también puede editarse en un ordenador personal que tenga hardware y software adecuado. Usando una estación de edición no linear, el vídeo digital puede manipularse para seguir un orden, o secuencia, de clips de vídeo. El software y hardware de Avid es casi sinónimo de mercado profesional de estación de edición no lineal, pero Final Cut Pro de Apple, Adobe Premiere, y otros programas similares también son populares.

Cada vez más, los vídeos se editan en software y hardware fácilmente disponible y cada vez más asequible. Incluso películas de gran presupuesto, como Cold Mountain, han sido editadas por completo con Final Cut Pro, el software de edición no lineal de Apple.

A pesar del software, el vídeo digital se edita generalmente en una configuración con abundante espacio de disco. El vídeo digital con una compresión estándar DV/DVCPRO ocupa unos 250 megabytes por minuto o 13 gigabytes por hora.

El vídeo digital tiene un coste considerablemente más bajo que la película de 35 mm, ya que las cintas pueden verse en el lugar de rodaje sin revelarse, y la propia cinta es muy económica (alrededor de 3,5€ para una cinta MiniDV de 60 minutos, al por mayor, a diciembre de 2005). En comparación, una película de 35 mm cuesta alrededor de 1200€ por minuto, incluyendo el revelado.

El vídeo digital se usa fuera de la creación de películas. La televisión digital (incluyendo la HDTV de calidad superior) comenzó a extenderse en la mayoría de los países desarrollados a principios de la década de 2000. El vídeo digital también se usa en teléfonos móviles modernos y sistemas de videoconferencia. El vídeo digital también se usa para la distribución en Internet de vídeo, incluyendo el vídeo streaming y la distribución de películas entre iguales.

Existen muchos tipos de compresión de vídeo para servir vídeo digital sobre Internet, y en DVD. Aunque el vídeo DV no está comprimido más allá de su propio códec mientras se edita, los tamaños de archivo que resultan no son prácticos para la entrega en discos ópticos o sobre Internet, con códecs como el formato Windows Media, MPEG2, MPEG4, Real Media, el más reciente H.264, y el códec de vídeo Sorenson. Probablemente los formatos más ampliamente usados para entregar vídeo sobre Internet son MPEG4 y Windows Media, mientras MPEG2 se usa casi exclusivamente para DVD, proporcionando una imagen excepcional en el mínimo tamaño pero resultando en un alto nivel de consumo de CPU para descomprimir.

A 2007, la resolución más alta demostrada para la generación de vídeo digital es 33 megapixels (7680 x 4320) a 60 imágenes por segundo ("UHDV"), aunque esto sólo se ha demostrado en una configuración especial de laboratorio [1]. La velocidad más alta se consigue en cámaras de alta velocidad industriales y científicas que son capaces de filmar vídeo 1024x1024 a hasta 1 millón de imágenes por segundo durante breves periodos de grabación.

Interfaces y cables

Se han diseñado muchas interfaces específicas para responder a los requisitos del vídeo digital sin comprimir (a aproximadamente 400 Mbit/s):

  • SDI(Serial Digital Interface)

  • FireWire

  • High-Definition Multimedia Interface

  • Digital Visual Interface

  • Unified Display Interface

  • DisplayPort

La siguiente interfaz ha sido diseñada para transportar vídeo comprimido MPEG:

  • DVB-ASI

El vídeo comprimido también se transporta usando UDP-IP sobre Ethernet. Existen 2 enfoques para esto:

  • Usar RTP como un envoltorio para los paquetes de vídeo

  • Los paquetes de transporte MPEG 1-7 se ponen directamente en el paquete UDP

Formatos de almacenamiento

Codificación

Todos los formatos actuales, que se enumeran debajo, están basados en PCM.

  • CCIR 601 usado para estaciones de difusión

  • MPEG-4 bueno para la distribución en línea de vídeos grandes y vídeo grabado en memoria flash

  • MPEG-2 usado para DVD y Super-VCD

  • MPEG-1 usado para video CD

  • H.261

  • H.263

  • H.264 también conocido como MPEG-4 Part 10, o AVC

  • Theora estandarizado pero aún en desarrollo. Usado para vídeo sobre Internet.

Cintas

  • Betacam, Betacam SP, Betacam SX, Betacam IMX, Betacam Digital, o DigiBeta — Sistemas de vídeo comerciales de Sony, basados originalmente en la tecnología Betamax

  • D1, D2, D3, D5, D9 (también conocido como Digital-S) — varios estándares SMPTE comerciales de vídeo digital

  • DV, MiniDV — usado en la mayoría de las videocámaras basadas en cinta de vídeo del mercado de consumo de hoy en día; diseñado para alta calidad y fácil edición; puede también grabar datos de alta definición (HDV) en formato MPEG-2

  • DVCAM, DVCPRO — usado en operaciones de difusión profesionales; similar al formato DV pero generalmente considerado más robusto; aunque son compatibles con DV, estos formatos manejan mejor el audio

  • Digital8 — Datos en formato DV grabados en cintas compatibles con Hi8; en gran parte un formato para el mercado de consumo

  • MicroMV — Datos en formato MPEG-2 grabados en una cinta muy pequeña del tamaño de una caja de cerillas; obsoleto

  • D-VHS — Datos en formato MPEG-2 grabados en una cinta similar al S-VHS

Discos

  • Video CD (VCD)

  • DVD

  • HD DVD

  • Blu-ray

  • Sony ProDATA

  • Panasonic P2

  • RED Cam

  • XDCam

  • XDCam HD

Audio digital

El audio digital es la codificación digital de una señal eléctrica que representa una onda sonora. Consiste en una secuencia de valores enteros y se obtienen de dos procesos: el muestreo y la cuantificación digital de la señal eléctrica.

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Muestreo digital de una señal de audio.

El muestreo consiste en fijar la amplitud de la señal eléctrica a intervalos regulares de tiempo (tasa de muestreo). Para cubrir el espectro audible (20 a 20000 Hz) suele bastar con tasas de muestreo de algo más de 40000 Hz (el estándar CD-Audio emplea una tasa un 10% mayor con objeto de contemplar el uso de filtros no ideales), con 32000 muestras por segundo se tendría un ancho de banda similar al de la radio FM o una cinta de casete, es decir, permite registrar componentes de hasta 15 kHz, aproximadamente. Para reproducir un determinado intervalo de frecuencias se necesita una tasa de muestreo de poco más del doble (Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon). Por ejemplo en los CD, que reproducen hasta 20 kHz, emplean una tasa de muestreo de 44,1 kHz (frecuencia Nyquist de 22,05 kHz).

La cuantificación consiste en convertir el nivel de las muestra fijadas en el proceso de muestreo, normalmente, un nivel de tensión, en un valor entero de rango finito y predeterminado. Por ejemplo, utilizando cuantificación lineal, una codificación lineal de 8 bits discriminará entre 256 niveles de señal equidistantes (28). También se pueden hacer cuantificaciones no lineales, como es el caso de cuantificadores logarítmicos como la Ley Mu o la Ley A, que, a modo de ejemplo, aun usando 8 bits funcionan perceptualmente como 10 bits lineales para señales de baja amplitud en promedio, como la voz humana por ejemplo.

El formato más usado de audio digital PCM lineal es el del CD de audio: 44,1 kHz de tasa de muestreo y cuantificación lineal de 16 bits (que mide 65536 niveles de señal diferentes) y que, en la práctica, permite registrar señales analógicas con componentes hasta los 20 kHz y con relaciones señal a ruido de más de 90 dB.

Tasa de muestreo

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Ejemplo de reconstrucción de una señal de 14,7 kHz (línea gris discontinua) con sólo cinco muestras. Cada ciclo se compone de sólo 3 muestras a 44100 muestras por segundo. La reconstrucción teórica resulta de la suma ponderada de la función de interpolación g(t) y sus versiones correspondientes desplazadas en el tiempo g(t-nT) con -\infty < n < \infty \,\!, donde los coeficientes de ponderación son las muestras x(n). En esta imagen cada función de interpolación está representada con un color (en total, cinco) y están ponderadas al valor de su correspondiente muestra (el máximo de cada función pasa por un punto azul que representa la muestra).

De acuerdo con el Teorema de muestreo de Nyquist, la tasa de muestreo, esto es, el número de muestras con las que se realiza el proceso de muestreo en una unidad de tiempo, determina exclusivamente la frecuencia máxima de los componentes armónicos que pueden formar parte del material a digitalizar. Satisfechos los requerimientos de Nyquist y un pequeño margen práctico, y al contrario de lo que es una creencia errónea muy extendida, no existe relación directa entre el sobremuestreo A/D (realizar el muestreo digital a una tasa mayor de la estrictamente necesaria para el ancho de banda de interés) y una mayor fidelidad en la posterior reconstrucción de la señal en todo el espectro (hasta la frecuencia de Nyquist).

Aliasing

Con objeto de evitar el fenómeno conocido como aliasing, es necesario eliminar todos los componentes de frecuencias que exceden la mitad de la tasa de muestreo, es decir, del límite de Nyquist, antes del proceso de digitalización (conversión A/D). En la práctica, estos componentes se atenúan fuertemente mediante un filtro activo analógico paso-bajo que se aplica a la señal analógica de interés antes de su digitalización y que para este objetivo se denomina filtro antialiasing. En el proceso de reconstrucción posterior (conversión D/A) de la reproducción se deberá aplicar en esencia el mismo filtrado analógico mediante un filtro que, empleado en este proceso, se denomina de reconstrucción.

Tamaño de las muestras

El número de bits que conforman las muestras en un proceso determinado de cuantificación determina la relación señal a ruido máxima que debe tener la señal (la salida de un micrófono y, consecuentemente, el material sonoro que recoge, la salida de un máster analógico, etc.) que se pretende cuantificar y, por tanto, limita también el rango dinámico que debe tener para su cuantificación completa, de modo parecido a cómo la capacidad de un recipiente (bits por muestra) limita el volumen de líquido (rango del material sonoro a cuantificar) que puede contener.

Sea b \,\!el número de bits con las que se cuantifican las muestras, la relación señal (para sinusoidal máxima que cubre todo el rango) a ruido de cuantificación teórica se obtiene en dB:

sqnr = 10b \log (4) + 10 \log \left ( \frac {3}{2} \right ) \approx 6,0206b + 1,7609 \,\!

Por tanto, una cuantificación de 16 bits permite un máximo teórico para la relación señal sinusoidal a ruido de cuantificación de 98,09 dB (122,17 dB para 20 bits, valor muy cercano al límite real que permite el ruido de Johnson-Nyquist (también conocido como ruido térmico) de los mejores convertidores A/D actuales). En la práctica, el límite de una señal analógica para que pueda ser cuantificada sin merma dinámica es, aproximadamente, el 90% del límite teórico. Por lo tanto, el límite que debe tener una señal (por ejemplo, la señal directa de un micrófono o la que resultara de un máster analógico) para ser cuantificada con seguridad con sólo 14 bits es de unos 78 dB, aún cuando el límite teórico sea de 86,05 dB en este caso.

Una vez que la relación señal a ruido de cuantificación que permite un proceso de cuantificación dado excede la relación señal a ruido máxima del material sonoro que se pretende cuantificar, esta podrá ser cuantificada totalmente sin pérdidas en su rango dinámico. Pasado este umbral, de nada sirve aumentar el número de bits por muestra del proceso de cuantificación: no resultará en una conversión más fiel. Por ejemplo, una relación señal a ruido de cuantificación de 90 dB (una relación práctica que permiten sobradamente los 16 bits por muestra de un CD-Audio) es suficiente para cuantificar cualquier grabación musical normal, cuyo rango de intensidad sonora puede ir desde los 25 dB(SPL) del ruido de fondo de un estudio de grabación hasta los 115 dB(SPL), casi el umbral del dolor de la audición humana, en la posición del micrófono duante una grabación en dicho estudio.

El tamaño de las muestras necesario en un proceso de cuantificación digital se determina, por tanto, a partir del análisis del ruido de fondo y de la intensidad máxima del material sonoro a registrar. Aumentar por encima de lo necesario el tamaño de las muestras es sólo un desperdicio de ancho de banda, especialmente en los formatos finales de distribución. No supone mejora alguna, ni siquiera mensurable, ya que sólo serviría para registrar el ruido con más bits, es decir, más bits inútiles cuyo valor dependerá exclusivamente del azar o, según se ajuste la ganancia, para dejar los bits más significativos a cero en todas las muestras (o una combinación de ambas cosas). De modo parecido, un recipiente de capacidad mayor a la del líquido que se pretende depositar en él no mejora en medida alguna la calidad o cantidad de dicho líquido respecto al uso de un recipiente de menor capacidad siempre que ésta capacidad menor sea aún suficiente para el volumen del líquido. Dicho de otro modo, al contrario de lo que es una creencia errónea muy extendida, el tamaño de las muestras a emplear en una cuantificación depende del material sonoro que se pretende cuantificar y nada tienen que ver la fidelidad de la reconstrucción en la reproducción o los límites psicoacústicos humanos (por la percepción de dicha fidelidad) con esta determinación, por ejemplo. Si un material sonoro a digitalizar "cabe" en 10 bits por muestra, cuantificar a 14 bits (o 20) no hace más fiel su reconstrucción posterior ni, consecuentemente, es posible percibir diferencias subjetivas que no resulten de la sugestión.

Dither

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Señal armónica (sinusoidal pura) con dither añadido en una relación señal a ruido de 21,03 dB lista para ser cuantificada con sólo 4 bits por muestra (16 niveles de cuantificación). La señal tiene, por tanto, unas 127 veces la potencia del dither (11,26 veces su valor eficaz -RMS-). Una futura conversión A/D con más niveles de cuantificación (más bits por muestra) permitirían añadir un dither proporcionalmente (respecto de la señal) menor.

Con objeto de evitar que el ruido de cuantificación se manifieste como una distorsión, se hace necesario añadir un ruido denominado dither antes del proceso de cuantificación en todos los casos donde el nivel del ruido de la señal (por ejemplo, ruido de Johnson-Nyquist o ruido térmico de un circuito específico) sea inferior al de cuantificación. Sea Δ el incremento de tensión (diferencia de potencial) correspondiente a un escalón de cuantificación, el valor eficaz (RMS) del ruido de cuantificación sería:

\sigma_e = \sqrt {\int_{-\delta / 2}^{\delta / 2} e^2p(e)de} = \sqrt {\frac {1}{\delta} \int_{-\delta / 2}^{\delta / 2} e^2de} = \sqrt {\frac {1}{\delta} \left ( \frac {\delta^3}{12} \right )} = \sqrt {\frac {\delta^2}{12}} = \frac {\delta}{2 \sqrt {3}} = \frac {\sqrt {3} \delta}{6}\,\!

Dado que actualmente los mejores convertidores tienen relaciones señal a ruido térmico que raramente exceden los 122 dB a temperatura ambiente, se hace necesario añadir dither en todos los casos en los que se emplean cuantificaciones (o recuantificaciones) inferiores a 20 bits. Los cuantificadores de 24 bits, si bien no presentan ventajas prácticas sobre los de 20 bits debido al nivel del ruido térmico de los convertidores, al menos no requieren la adición de dither (y permiten registrar la muestra en un número entero de bytes). Sin embargo, sí será imprescindible añadir dither en los casos donde se recuantifican estas grabaciones a muestras de 16 bits, por ejemplo.

Formatos de archivo de audio digital

Los archivos de audio digital almacenan toda la información que ocurra en el tiempo, el tamaño del archivo no varía así contenga 'silencio' o sonidos muy complejos. Existen muchos formatos de archivo de audio digital, que se pueden dividir en dos categorías PCM y comprimidos. Como se vio arriba el tamaño puede depender de la cantidad de canales que tenga el archivo y de la resolución (tasa de muestreo y profundidad).

Formatos PCM Los formatos PCM contienen toda la información que salió del convertidor analógico a digital, sin ninguna omisión y por eso, tienen la mejor calidad. Dentro de esta categoría se encuentran los formatos WAV, AIFF, SU, AU y RAW (crudo). La diferencia principal que tienen estos formatos es el encabezado, alrededor de 1000 bytes al comienzo del archivo.

Formatos comprimidos Para usar menos memoria que los archivos PCM existen formatos de sonido comprimidos, como por ejemplo el MP3, AAC y Ogg. Ciertos algoritmos de compresión descartan información que no es perceptible por el oído humano para lograr que el mismo fragmento de audio pueda ocupar en la memoria inclusive décima parte -o menos- de lo que ocuparía de ser PCM. La reducción en tamaño implica una pérdida de información y por esto a los formatos de este tipo se les llama formatos comprimidos con pérdida. Existen también formatos de archivo comprimido sin pérdida, dentro de los que se cuentan el FLAC y el Apple Lossless Encoder, cuyo tamaño suele ser de aproximadamente la mitad de su equivalente PCM.

Formatos descriptivos: Archivos MIDI Este formato de archivos no es precisamente de audio digital, pero sí pertenece a las tecnologías de la informática musical. El archivo MIDI no almacena "sonido grabado", sino las indicaciones para que un sintetizador o cualquier otro dispositivo MIDI "interprete" una serie de notas u otras acciones (control de un mezclador, etc.). Podemos imaginarlos como algo similar a una partitura, con los nombres de los instrumentos que hay que utilizar, las notas, tiempos y algunas indicaciones acerca de la interpretación.

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