Efecto del aumento de la velocidad de actualización en la calidad de la imagen de los sistemas de simulador visual

Los sistemas visuales de simulador son herramientas valiosas a las que recurren empresas y organismos para racionalizar procesos, perfeccionar la formación o desarrollar y mejorar conceptos de diseño. Los sistemas de simulador de vehículo son algunos de los tipos de simulador más habituales, siendo utilizados por entidades comerciales, gubernamentales y militares para proporcionar formación integral en procedimientos de vuelo, navegación o conducción.

Un requisito esencial de cualquier sistema visual de simulador es que las imágenes de la simulación se generen y reproduzcan en tiempo real y con la mínima latencia. Si a ello sumamos una exigencia cada vez mayor de que las escenas simuladas sean precisas y realistas, nos encontraremos con la necesidad apremiante de contar con sistemas dotados de un elevado poder de procesamiento y de imágenes de alta resolución, capaces además de generar entornos de simulación ricos y complejos que reaccionen con prontitud y precisión a las acciones de los usuarios.

Velocidades de actualización en sistemas visuales de simulador

La velocidad de actualización de un sistema visual depende tanto del generador de imagen como del display, y expresa la velocidad a la que van reproduciéndose imágenes nuevas en una pantalla. Para la mayoría de fabricantes, el estándar de velocidades de actualización en aplicaciones para simulación se fija en los 60Hz. Sin embargo, los avances tecnológicos que han permitido que los simuladores generen hoy escenas más realistas y mejores en resolución, detalles de base de datos, color, contraste y brillo, ponen al descubierto la insuficiencia de la velocidad de actualización a 60Hz para generar imágenes dinámicas de alta resolución.

Un sistema de simulador con velocidades de actualización a 60Hz puede servir para ciertas simulaciones, pero conforme aumentan las necesidades de calidad, complejidad y detalle de simulación crece también la aparición de indeseados artefactos o aberraciones visuales relacionados con el movimiento. Dos artefactos muy habituales derivados de velocidades de actualización bajas son el motion blur (MIB, borrosidad provocada por el movimiento) y el aliasing espaciotemporal (STA, efecto que vuelve indiferenciables señales continuas distintas). Aun tratándose de dos fenómenos diferentes, tanto el MIB como el STA afectan al rendimiento de la imagen dinámica y a la fidelidad de un sistema de simulador. Si se quiere abordar adecuadamente esos problemas y hacer posible que el desarrollo de los sistemas de simulación supere el estándar actual habremos de ser capaces de minimizar la aparición de esos artefactos sin comprometer por ello las necesidades de brillo del display y sin perjudicar a la calidad de imagen, al brillo o a la complejidad de la simulación, todo lo cual puede lograrse usando sistemas visuales de simulador capaces de generar velocidades de actualización más altas.

120Hz: marcando la pauta

Para entender cómo una velocidad de actualización a 120Hz reduce los artefactos visuales vinculados al movimiento hay que comprender también las frecuencias de actualización y las frecuencias de imagen.

Frecuencia de actualización: función del display que expresa la frecuencia con la que una imagen se redibuja en la pantalla/display.

Frecuencia de imagen: función del generador de imagen que indica la velocidad a la que se crea un contenido de imagen.

Para determinar la velocidad de actualización —que es la que señala la velocidad a la que aparecen nuevas imágenes en una pantalla de display— deberemos tomar en consideración tanto el generador de la imagen como el display. Un sistema visual de simulador que funcione a una velocidad de actualización de 120Hz tiene capacidad para mostrar en la pantalla del display 120 imágenes nuevas por segundo. Al duplicarse la velocidad de 60 a 120Hz, los diseñadores de contenido para simulación acceden a la posibilidad de crear entornos de simulación más realistas sin necesidad de preocuparse por la aparición en el display de artefactos indeseados.

Artefactos visuales relacionados con el movimiento

Varios son los factores que favorecen la aparición de artefactos visuales relacionados con el movimiento en sistemas de simulador virtual. Se trata de la presencia en el display de elementos innaturales que no tendrían lugar en situaciones reales y que ocasionan distracciones no deseadas y reducen la integridad de la imagen simulada. El MIB (borrosidad provocada por el movimiento) y el STA (aliasing espaciotemporal) son dos artefactos visuales relacionados con el movimiento cuya causa directa son las velocidades de actualización bajas.

MIB (borrosidad provocada por el movimiento)

El MIB es fruto de una interacción entre los movimientos oculares y el display. Tiene lugar en displays con tiempo de espera prolongado. Se denomina tiempo de espera al lapso temporal en el que un píxel queda iluminado en relación con la frecuencia de actualización del display. En simulaciones de tiempo de espera prolongado el movimiento de ojos del usuario produce la sensación de borrosidad causada por movimiento. El resultado es una borrosidad innatural del entorno que afecta a la precisión de la escena simulada.

Cómo reducir estos artefactos

En un sistema de 60Hz, el MIB se reduce disminuyendo la porción de la imagen en la que los píxeles se iluminan (tiempo de espera), lo que puede obtenerse por procedimientos diversos, como por ejemplo, utilizando un mecanismo de obturación insertando una imagen negra en la rueda de color o modulando la intensidad lumínica. Esos «remedios» resultan efectivos para reducir la borrosidad, pero también merman el potencial de brillo máximo del display y fomentan la aparición de artefactos de parpadeo, lo que no resulta precisamente ideal, sobre todo si la escena va incrementando su complejidad.

Velocidades de actualización altas y MIB

Los sistemas visuales de simulador que funcionan a 120Hz reducen el MIB sin sacrificar el brillo del display.

Las escenas de simulación se componen de una serie de imágenes individuales que van reconfigurándose en el display para crear una sensación de movimiento constante por todo el entorno a partir de las acciones del usuario. En lugar de ofrecer unos visuales en los que la impresión del movimiento resulte natural, el STA produce unas pistas de movimiento falsas o de calidad deficiente que llegan por la dirección errónea o a velocidad errónea. Es proporcional al movimiento de imagen y al contenido de frecuencia (espacial y temporal).

Cómo reducir estos artefactos

Es posible reducir los artefactos de STA si la frecuencia de muestreo de una escena es al menos dos veces más elevada que el objeto de movimiento más rápido. Así, un sistema con una velocidad de actualización elevada puede mostrarse eficaz para reducir la aparición de STA.

Velocidades de actualización altas y STA

Incrementando las velocidades de actualización se reducen los artefactos de STA, con lo que se mejora la sensación de continuidad en el movimiento.