Como interpretar as barras SMPTE, as barras EBU e a PM5544

Nosso teste de tela de TV inclui três padrões mais antigos que a maioria das pessoas que os usam: as barras de cores EBU, as barras de cores SMPTE e a carta de teste Philips PM5544. Eles foram criados para a televisão analógica, para ajustar monitores de estúdio e preencher a tela entre os programas. Boa parte do que foram feitos para medir já não existe dentro de uma tela moderna. Algumas coisas ainda existem, e certas partes ganharam novas funções.

Aqui contamos de onde veio cada um, o que cada parte foi projetada para verificar e o que ainda vale observar numa TV, num monitor ou num projetor. Voltamos às normas e aos artigos que os engenheiros publicaram na época. Eles estão listados no fim.

Por que as barras de cores seguem essa ordem

As barras de cores quase sempre seguem a ordem branco, amarelo, ciano, verde, magenta, vermelho e azul, muitas vezes com preto no fim. A ordem não é arbitrária. Cada barra é uma das oito formas de ligar ou desligar por completo as três cores primárias. Represente cada barra como três interruptores na ordem verde, vermelho e azul, e as barras contam de trás para a frente em binário, de 111 para o branco a 000 para o preto. Um gerador precisa de apenas três ondas quadradas para desenhá-las: o azul muda a cada barra, o vermelho a cada duas e o verde a cada quatro.

A mesma contagem põe as barras em ordem de brilho. O verde responde pela maior parte do que o olho percebe como brilho, o vermelho por menos e o azul por menos ainda. Na fórmula de vídeo de definição padrão ITU-R BT.601, a luminância de vídeo, ou luma, é 0,587 vezes o verde mais 0,299 vezes o vermelho mais 0,114 vezes o azul. Somando cada barra, temos branco 100%, amarelo 89%, ciano 70%, verde 59%, magenta 41%, vermelho 30%, azul 11% e preto 0. Cada barra é mais escura que a anterior, então elas também servem de escala de cinza.

Os geradores eletrônicos de barras de cores vêm dos primeiros anos da TV em cores. Os engenheiros da RCA Norbert Larky e David Holmes pediram a patente de um gerador de padrões de teste em cores em 1951, e ela foi concedida em 1956.

A maioria das barras não usa as cores no nível máximo, por um motivo prático. A ITU-R BT.471 identifica os sinais de barras com quatro números: o nível da barra branca, o da barra preta e os níveis máximo e mínimo nas barras coloridas, cada um como porcentagem do branco. No nível máximo (100/0/100/0), o sinal de cor do amarelo e do ciano chega cerca de um terço acima do branco: de 131 a 133 unidades IRE, contra 100 em NTSC, segundo o próprio guia de referência da SMPTE. Nas barras SMPTE a 75%, amarelo e ciano chegam exatamente a 100. Por isso as barras de uso comum mantêm as cores a 75%, deixando o sinal de teste dentro da faixa do sistema que ele está verificando.

Barras de cores EBU

As barras EBU são do tipo 100/0/75/0: branco no nível máximo, as seis cores a 75% e preto no fim. O nome EBU vem de seu uso na televisão europeia; a norma ITU as chama simplesmente de 100/0/75/0.

Nosso arquivo desenha oito barras iguais num quadro 4:3, de 768 por 576, as dimensões de uma imagem PAL com pixels quadrados. Numa tela widescreen, a oitava barra, preta, se junta à faixa preta lateral. É o esperado.

Numa tela moderna, observe três coisas:

Cada barra deve ser uniforme. Uma só cor, regular de cima a baixo. A imagem é perfeitamente uniforme, então uma barra que muda de tom ou parece mais clara no meio que nas extremidades está mostrando o comportamento do painel ou da iluminação de fundo.
As barras devem escurecer em degraus. Baixe o controle Cor (saturação) da TV até o mínimo, e as barras viram uma escada de cinza que escurece da esquerda para a direita, um degrau bem definido por vez. Depois devolva o controle à posição anterior.
As cores devem ser fortes, sem parecer neon. Num modo de imagem Vívido ou Dinâmico, amarelo e ciano tendem a brilhar, e surgem contornos finos, claros ou escuros, entre as barras. Esses contornos vêm do realce de nitidez da TV, não fazem parte do padrão.

As barras EBU não servem para a verificação com somente azul descrita abaixo. A barra branca está no nível máximo, enquanto o azul nas barras coloridas está a 75%; por isso, ao observar somente o azul, a barra branca sempre parece mais clara. As barras SMPTE começam com um cinza a 75%, então as quatro barras que contêm azul têm a mesma quantidade dele.

Barras de cores SMPTE

As barras SMPTE são o padrão que a maioria dos norte-americanos imagina ao ouvir “barras de cores”, e nasceram para resolver um problema específico. Em 1977, A. A. Goldberg, do CBS Technology Center, as apresentou na conferência de engenharia da NAB. A CBS estudava desde 1975 como os monitores de estúdio perdiam o ajuste. Era preciso verificá-los, em geral antes de cada programa, para que todos os de uma bancada mostrassem a mesma imagem. O jeito habitual de ajustar cor e matiz era desligar os canhões vermelho e verde e comparar as barras azuis a olho. Não era preciso: as barras a comparar ficavam longe umas das outras, o azul do monitor podia variar de um lado da tela para o outro, e o olho não é muito sensível ao azul.

A mudança de Goldberg foi pequena. Sob as barras principais ele acrescentou uma faixa fina de amostras em ordem inversa, para que cada barra a igualar tivesse sua referência logo abaixo. Na área preta no canto inferior direito acrescentou um sinal PLUGE para o nível de preto. A CBS usou o novo padrão durante seis meses nas instalações da rede em Nova York e constatou que os ajustes a olho eram tão precisos quanto os feitos com um fotômetro de precisão. A CBS optou por não patenteá-lo, colocando-o assim em domínio público. A SMPTE o publicou como ECR 1-1978 e depois como a diretriz de engenharia EG 1-1990.

Nosso arquivo segue essa disposição:

Os dois terços superiores: sete barras a 75%, começando com cinza em vez de branco.
A faixa fina: azul, preto, magenta, preto, ciano, preto e cinza. São as quatro barras de cima que contêm azul, em ordem inversa, separadas por preto.
O quarto inferior: −I, um quadrado branco a 100%, +Q, preto e as três faixas PLUGE na área preta à direita. −I e +Q são sinais de cor NTSC para verificar um decodificador num vetorscópio; numa tela de computador são dois quadrados escuros e não testam nada.

Cor e matiz, com somente azul

Mude a tela para somente azul. Algumas TVs e projetores têm esse modo entre os ajustes avançados ou de calibração. Um filtro azul intenso diante dos olhos faz o mesmo trabalho, e alguns discos de calibração vinham com um. Só permanecem acesas as barras que contêm azul: cinza, ciano, magenta e azul, além das amostras abaixo delas.

Cor (saturação): ajuste até que as duas barras externas, cinza e azul, coincidam com as amostras logo abaixo delas.
Matiz (tonalidade): ajuste até que as duas internas, ciano e magenta, coincidam com as suas.

Ajuste primeiro a cor, que altera as quatro barras, e depois o matiz. Quando os dois estão certos, a divisa entre cada barra e sua amostra desaparece. Uma TV ligada a um computador já não tem um decodificador analógico que possa perder o ajuste, mas seus controles de Cor e Matiz continuam agindo na imagem. Nas posições neutras de um modo Cinema ou Filmmaker, barras e amostras já devem coincidir. Se isso não acontece, algum controle foi alterado ou o modo de imagem está acrescentando cor por conta própria.

PLUGE e nível de preto

PLUGE vem de Picture Line-Up Generating Equipment, uma ideia da BBC. Uma nota de 1966 na Electronics Letters, de S. F. Quinn e C. A. Siocos, da Canadian Broadcasting Corporation, descreve como funciona. Numa área preta há duas faixas estreitas, uma ligeiramente mais preta que o preto e outra um pouco mais clara. Baixe o brilho até a faixa mais escura se misturar ao preto ao redor, enquanto a mais clara continua visível. Nesse ponto o preto está o mais profundo possível sem esconder nenhum nível acima dele.

Quinn e Siocos também encontraram algo que continua válido. Mediram a luz refletida pela tela de um monitor desligado e viram que o ajuste correto do PLUGE mudava com ela; seus valores já não se aplicavam numa sala de controle muito iluminada. A ITU-R BT.814, a atual norma internacional de PLUGE, diz o mesmo: o ajuste depende muito das condições de visualização. Ajuste o nível de preto com a iluminação em que você realmente assiste.

Nas barras SMPTE, o PLUGE tem três faixas, a 3,5, 7,5 e 11,5 unidades IRE. A do meio é o preto da imagem. O NTSC norte-americano colocava o preto a 7,5 IRE, um pouco acima do nível de apagamento do sinal, deixando espaço para uma faixa abaixo dele.

PLUGE numa tela de computador

Aqui a regra da televisão analógica precisa ser adaptada. Nosso arquivo armazena as três faixas como RGB 9, 19 e 29 de um total de 255, ou seja, 3,5%, 7,5% e 11,4% do branco. O preto de uma tela de computador é 0, então o preto do próprio padrão é um cinza muito escuro, e até a faixa “mais preta que o preto” fica acima do preto real. Se você baixasse o brilho até a faixa da esquerda sumir, estaria perdendo detalhes reais nas sombras.

Interprete assim:

As três quase imperceptíveis: numa tela bem ajustada, num ambiente com pouca luz, dá para distinguir as três faixas, a da esquerda por muito pouco. Numa tela widescreen, as faixas pretas laterais são preto real e parecem um pouco mais escuras que o preto do próprio padrão.
A faixa da esquerda sumiu: se ela se mistura à do meio, os pretos estão esmagados e há perda de detalhes nas sombras. O brilho está baixo demais, um modo de contraste dinâmico está atuando ou os níveis do sinal não coincidem (veja a próxima seção).
As três muito evidentes: se elas se destacam com facilidade e o preto dos lados parece cinza, o nível de preto está elevado.

A versão HD

As barras SMPTE foram desenhadas para definição padrão em 4:3. Para HDTV, a associação japonesa ARIB publicou em 2000 um padrão de barras multiformato, STD-B28, e a SMPTE o adotou como RP 219 em 2002, com revisão para RP 219-1 em 2014. Ele foi feito para 16:9, funciona tanto em HD quanto em SD e tem sua própria rampa e seu próprio PLUGE. Nosso teste mostra a disposição clássica em 4:3.

A incompatibilidade de faixa que o PLUGE ainda detecta

Computadores costumam enviar RGB de 0 a 255, o que se chama faixa completa. TVs muitas vezes esperam níveis de vídeo, em que o preto é 16 e o branco é 235, a chamada faixa limitada: são os valores de código que a ITU-R BT.709 usa para vídeo HD. O próprio guia de drivers da Intel observa que a faixa limitada é mais comum em TVs e recomenda a completa. As duas são normais. O problema começa quando as duas pontas não combinam, o que acontece bastante com um notebook em HDMI.

O computador envia faixa completa, a TV espera limitada: tudo com valor 16 ou menor aparece como preto. A faixa PLUGE da esquerda e a borda viram um só preto, a faixa central fica apenas 3 níveis acima, e detalhes nas sombras de filmes e jogos desaparecem. Tudo acima de 235 é cortado para branco.
O computador envia faixa limitada, a TV espera completa: o preto chega como 16 e é mostrado como cinza escuro. A imagem toda parece sem profundidade e desbotada, e as faixas pretas ao lado do padrão parecem cinza.

A solução é fazer as duas pontas combinarem. No computador o ajuste se chama Quantization Range (Intel), Output dynamic range (NVIDIA) ou Pixel Format (AMD). Na TV, procure HDMI Black Level, HDMI Video Range ou um nome parecido. Com as barras SMPTE na tela, dá para ver o momento em que combinam: três faixas, a da esquerda quase imperceptível.

Philips PM5544

Carta de teste PM5544: grade branca sobre cinza, blocos pretos e brancos nas bordas, barras coloridas laterais e um círculo com barras de cores, cruz central, grades de resolução e escala de cinza — A carta de teste PM5544 em 4:3, com o espaço do nome da emissora vazio.

A PM5544 é a carta de teste circular que boa parte do mundo via quando um canal não tinha mais nada para transmitir. A Philips a construiu em seu laboratório de equipamentos de teste de TV perto de Copenhague, no fim dos anos 1960, e o desenho é atribuído ao engenheiro dinamarquês Finn Hendil. A Philips a descreveu em 1970 na publicação trimestral Electronic Measuring and Microwave Notes.

As cartas de teste anteriores costumavam ser desenhos diante de uma câmera ou gravados num tubo especial de câmera chamado monoscópio. A PM5544 gerava a imagem inteira eletronicamente. Até o círculo era desenhado por lógica digital, linha a linha, a partir de uma memória de núcleos de ferrite, com diâmetro de cerca de 83% da altura da imagem e erro inferior a 1%. A Philips escreveu que nenhuma recomendação internacional abrangia um padrão de teste combinado, então reuniu os sinais que esperava que continuassem úteis. O objetivo era verificar e ajustar uma TV, um monitor ou um decodificador só olhando para a tela, sem outro instrumento.

Veja para que servia cada parte, segundo a Philips, e o que ela mostra hoje.

O círculo só fica redondo quando a proporção da imagem e a varredura estão corretas. Hoje, uma forma oval indica que a imagem está sendo esticada, em geral por um ajuste de tamanho da TV, como Wide ou Zoom, ou por uma resolução que a tela precisa redimensionar para preencher tudo. Nosso teste mantém a carta em 4:3, então a causa não é o navegador.
A grade deve ser formada por quadrados, pelo mesmo motivo. Num CRT também era usada para convergência. Num projetor ainda é útil: mostra a correção trapezoidal e se o foco se mantém até os cantos.
Os blocos nas bordas, pretos e brancos ao redor da imagem, mostravam se o aparelho fazia overscan, cortando as extremidades. Algumas TVs ainda fazem isso nas entradas HDMI se um ajuste normalmente chamado Just Scan, Fit to Screen ou Full Pixel não estiver ligado. Numa TV widescreen nossa carta preenche a altura: se a fileira de blocos superior ou inferior estiver cortada, a TV está recortando todos os lados e redimensionando tudo o que mostra.
A cruz central tinha uma linha horizontal formada pelos dois campos entrelaçados na ordem oposta à das linhas da grade. Um entrelaçamento ruim deixava os dois tipos de linha com espessuras visivelmente diferentes. Num painel progressivo ela é apenas a marca do centro.
Os blocos pretos e brancos acima das barras de cores são uma onda quadrada de 250 kHz no nível de 75%, para identificar sobressinal e oscilações residuais. Hoje, um contorno claro ou escuro nas bordas significa que a TV está realçando a nitidez.
As barras de cores estão a 75%, como referência de saturação. Com os canhões vermelho e verde desligados, as barras azuis devem coincidir com os blocos cinza a 75% logo acima, a mesma ideia da verificação SMPTE.
As grades de resolução são cinco grupos de faixas senoidais, a 0,8, 1,8, 2,8, 3,8 e 4,8 MHz na versão PAL, que mostravam quanto detalhe fino um aparelho conseguia reproduzir. Num aparelho normal, os três primeiros mantinham todo o contraste, e o grupo mais fino, só um pouco. Hoje cada grupo deve parecer um conjunto de faixas limpas e uniformes. Moiré cintilante ou halos significam que algo está reamostrando a imagem ou realçando a nitidez: o circuito de redimensionamento da TV, seu ajuste de nitidez ou uma janela que não está em tela cheia.
A escala de cinza tem seis degraus do preto ao branco; a nossa passa por 0, 20, 40, 60, 80 e 100%. Cada degrau deve ser distinto, e todo cinza deve ser neutro, sem puxar para azul, verde ou rosa.
O bloco vermelho sobre amarelo, na parte de baixo do círculo, verificava se a cor e a luminância chegavam ao mesmo tempo. A Philips disse que precisou de muitos experimentos para escolher o vermelho sobre amarelo. O vídeo digital ainda pode transportar cor numa resolução menor que a luminância (subamostragem de crominância), mas um bloco desse tamanho só mostra isso como uma borda um pouco suave.
Os pulsos de agulha, as linhas finas ao lado dos degraus pretos e brancos perto do topo e da base do círculo, verificavam reflexões que produziam ecos em cabos e antenas. As barras coloridas em cada lado levavam sinais de diferença de cor PAL para verificar o decodificador. Numa imagem digital, nenhuma dessas partes tem mais o que verificar.

O que esses padrões não podem dizer

São referências para os olhos, não medições. Eles mostram quando uma imagem está esticada, recortada, perde detalhes nas sombras ou nas altas luzes, ou recebe realce excessivo de nitidez, e deixam alguns erros de cor evidentes. Não conseguem pôr um número na precisão das cores, no brilho de pico ou na uniformidade da iluminação de fundo: isso exige um colorímetro e um software de calibração. Nossa página de calibração do monitor explica o que você pode ajustar a olho. Também são imagens de faixa dinâmica padrão. O HDR tem suas próprias versões, e a BT.814 agora inclui sinais PLUGE para HDR, mas o navegador mostra esses padrões em SDR.

Experimente

Abra o teste de tela de TV e escolha Padrões de transmissão. Clique, toque ou pressione a barra de espaço para passar de um padrão para outro, e pressione Esc para sair. A barra inferior e o botão de fechar desaparecem depois de alguns segundos para não cobrir o padrão; mova o mouse ou toque para trazê-los de volta.

Numa TV, use o navegador dela ou um computador ligado por HDMI. Transmitir uma aba ou espelhar um celular envia vídeo comprimido, que suaviza as grades de resolução e pode alterar as faixas próximas do preto das quais o PLUGE depende.