© С.Блохнин, Промышленная компания Сплайн

В этой статье мы попытаемся дать некоторое представление о том как формируется телевизионное изображение, что получается при его оцифровке на компьютере и как всю эту информацию надо учитывать при обработке видео на компьютере.

Введение

      Необходимость написания этого материала возникла после того, как многие начинающие любители цифрового видео стали присылать кадры из своих видеофильмов, на которых отчетливо были видны искажения изображения и задавали резонный вопрос - а что я  не так делаю, на телевизоре изображение нормальное, а на компьютере нет?
      Телевидение было придумано десятки лет тому назад, задолго до появления электронных вычислительных машин, ни о каких цифровых преобразованиях тогда не могло быть и речи, поэтому все создавалось с целью удобной и дешевой передачи сигналов и последующего простого для уровня тогдашней техники отображения на экране. Поскольку видеоизображение на компьютере не может быть сформировано так же как в телевизоре, и возникают проблемы, вопросы по ним и т.д. Как ответы на большинство подобных вопросов и задуман этот материал.

Передача и формирование телевизионного изображения

     Большинство смотрящих телевизор людей считают, что они видят изображение с частотой 25 кадров в секунду (здесь и далее информация будет относиться к телевизионным системам PAL/SECAM). Это не совсем так. На самом деле на экране меняется изображение 50 раз в секунду, но не все изображение, а только половина его. Сначала рисуется одна половина строк кадра изображения, затем другая. Каждая из половинок называется полем (field). Поэтому правильно считать, что на экране телевизора рисуется 50 полей в секунду. Эта технология хорошо иллюстрируется рисунками ниже:

Исходный кадр

Он же, но разделенный на два поля

      Человек не замечает "половинчатости" каждого изображения как из-за инерции человеческого зрения, так и из-за послесвечения люминофора электронно-лучевой трубки телевизора. Тем не менее многие зрители легко отличают кинофильмы от телефильмов именно по большей дискретности перемещения объектов в кинофильме. Телефильмы снимаются на видеокамеры с теми же 50 полями в секунду, а кинофильмы на кинокамеру с 24 кадрами в секунду. При подготовке кинофильма к показу по телевидению каждый кадр преобразуется в два "половинчатых" поля, но, поскольку, движения  в пределах одного кинокадра нет, эти поля, накладываясь друг на друга в глазах зрителя, просто восстанавливают исходный кадр с кинопленки. 
       Некоторые цифры, характеризующие передачу телевизионного изображения:

• Максимальное количество вертикальных линий, которое можно отобразить на телевизоре, укладывая их по горизонтали - 768. Такое количество линий можно даже увидеть, подав на низкочастотный вход телевизора прямоугольный сигнал частотой 15625 Hz. Линии будут чередоваться - по 0 сигнала белая, по 1 черная. Таким образом, полный телевизионный кадр получится 768х625. После отбрасывания служебных строк и обратного хода кадровой развертки остается реальное разрешение 720х576. Такое разрешение указывается для полноэкранного видео на компьютере во всех программах редактирования видео.
• Требуемая для передачи полного телевизионного изображения полоса пропускания считается просто:  768(линий по горизонтали)/2 (одна линия белая, другая черная) = 384*625 (число строк в кадре) =240000*25 (число кадров в секунду) = 6000000 Hz = 6 MHz
• Частота строчной развертки 15625 Hz, тем самым длительность одной строки 64 микросекунды.
• Частота кадровой развертки 50 Hz, длительность одного поля соответственно 20 миллисекунд.
• Количество строк, рисуемых за 20 миллисекунд - 312.5 (0.020/0.000064). В целом кадре соответственно 312.5х2=625

Как учитывать специфику телевизионного сигнала

      Именно из-за незнания специфики телевизионного сигнала часто у многих пользователей возникают недоуменные вопросы после сброса видео на компьютер. Эти же вопросы возникают при сжатии видео в различные варианты MPEG формата. Итак, наиболее часто встречающиеся вопросы и ответы на них:

При просмотре кадров, которые я взял и сохранил на диске со своего видеофильма, обнаружил артефакт, который можно назвать "гребенкой" - зубцы на движущихся объектах или неподвижных, но при движении камеры. На телевизоре при этом все нормально. Как можно избежать подобных искажений и можно ли как-то исправить уже снятые кадры?
      Рассмотрим небольшой пример. Вот снимок людей, которые попали в кадр быстро поворачивающейся камеры:

     На этом снимке видно, что края всех предметов на снимке искажены "гребенкой". Этот артефакт вызван наложением двух полей, изображения на которых смещены друг относительно друга. Смещение соответствует  расстоянию, которая камера прошла за 1/50 секунды. Избежать подобных искажений при съемке обычными видеокамерами невозможно. Только камеры с прогрессивной разверткой позволяют существенно уменьшить, а при небольшой скорости объекта/камеры убрать совсем подобные искажения. Если же хотелось бы все-таки сохранить такой кадр для размещения на WEB странице или печати на принтере, то можно улучшить качество изображения применением фильтра Video/De-Interlaced программы Adobe Photoshop. Результат получится таким:

     Следует только учесть, что разрешение по вертикали после такой операции падает в два раза, так как фактически одно поле удаляется и удваиваются строки другого поля.

     Что означает "камера с прогрессивной разверткой", "камера с обычной разверткой" - по идее телевизионное изображение всегда должно быть чересстрочным и никак иначе? И по этой же теме - как любая цифровая видеокамера делает "фотоснимок" - там же "гребенки" нет, причем на самой обычной, без "прогрессивных" способностей, камере?
      Действительно, телевизор может показывать только чересстрочное изображение, но здесь на самом деле нет никакого противоречия с возможностями некоторых видеокамер снимать с прогрессивной разверткой, но для понимания этого следует подробно описать технологию съемки видеокамерой:

Съемка с чересстрочной разверткой
 
      Рассмотрим процесс съемки обычной видеокамерой, использующей только чересстрочную развертку. При такой съемке камера реально снимает 50 раз в секунду, причем информация с ее CCD (ПЗС) считывается именно по четным или нечетным строкам - т.е. сначала считываются нечетные строки (1, 3,..., 623, 625), затем, через 1/50 секунды, четные строки (2, 4,..., 622, 624). Поэтому при перемещении объекта съемки относительно камеры, изображения на разных полях будут отличаться друг от друга, причем чем больше будет скорость перемещения объекта съемки, тем заметнее будут отличия и, соответственно, больше "гребенка". У этого типа съемки есть одно явное преимущество - плавный показ движущихся объектов, так как на телевизоре никакой "гребенки" явно видно не будет. Недостатки съемки в чересстрочном режиме ощутимо видны только при монтаже на компьютере - практически невозможно сделать качественные стоп-кадры движущихся объектов для печати фотографий и/или создания альбомов файлов с наиболее интересными кадрами.

Съемка с прогрессивной разверткой

     Процесс съемки камерой с прогрессивной разверткой отличается тем, что камера делает снимок каждые 1/25 секунды и затем записывает с него два поля, как и положено по телевизионному стандарту. Понятно, что в этом случае никаких нарушений правил нет, но изображение на одном поле никогда не будет смещено относительно другого поля. Видеофильм, снятый на такой камере, при показе на телевизоре будет очень напоминать кинофильм, который, как всем известно, снимается с частотой  24 кадра в секунду. Способностью снимать с прогрессивной разверткой обладает небольшое количество отнюдь не дешевых видеокамер, поэтому не следует надеяться  встретить такую возможность во многих видеокамерах.      

Режим "фото" в цифровых видеокамерах

     Режим "фото" во всех современных цифровых видеокамерах работает одинаково вне зависимости от остальных характеристик видеокамеры. Этот режим представляет собой частный случай съемки с прогрессивной разверткой. Разница только в том, что таким образом делается только один снимок раз в 6-7 секунд и запись собственно снимка сопровождается записью звука в течении этого времени. Но запоминается сам снимок точно также, просто записывается один и тот же кадр в течении всего времени "фотосъемки". Такой снимок тоже не будет иметь "гребенки" и его не нужно подвергать описанной выше процедуре в Adobe Photoshop.

Разрешение: линии или строки?

     Больной вопрос для многих начинающих любителей видео - как оценить качество съемки своей собственной камеры или той камеры, которую планируется купить. Одним из крайне важных параметров видеокамеры является разрешающая способность, которую обычно измеряют в ТВЛ (Телевизионные Линии). У большинства современных цифровых видеокамер значение этого параметра достигает 500 и более ТВЛ согласно паспортным данных на них. Наиболее популярный вопрос на эту тему - почему у камеры только 500 линий, в телевизионной картинке должно же быть 625 линий? На самом деле это совершенно разные понятия - строки, на которые раскладывается телевизионное изображение (их действительно 625) и ТВЛ, характеризующие качество изображения. Для понимания того, что есть ТВЛ, проще всего взглянуть на фрагмент обычной телевизионной испытательной таблицы:

     Цифры, стоящие рядом с линиями, как раз характеризуют разрешающую способность. Если можно различить линии рядом с цифрой 500, например, то разрешение записывается как "не хуже 500 ТВЛ". Для примера можно посмотреть на два реальных снимка телевизионной таблицы: снимок камерой SONY Digital 8 и снимок неофициального чемпиона по разрешающей способности SONY DCR-TRV900, взятых с сайта John Beale.

SONY Digital 8	SONY DCR-TRV900

    Следует учитывать, что максимальная разрешающая способность при передаче эфирного телевидения определяется полосой пропускания канала. 720 пикселей=540 х 4/3, где 720 - разрешение в пикселях по горизонтали, 540 - четкость в ТВЛ, 4/3 - отношение сторон экрана. Специалисты телевидения считают количество линий на горизонтальном отрезке, равном высоте экрана, а не на всей горизонтали, поэтому и коэффициент 4/3. При указанных выше параметрах полоса пропускания вместе со звуком составит приблизительно 6.5 MHz.
     У обычного бытового VHS видеомагнитофона полоса пропускания составляет всего 3 MHz, поэтому его максимальная разрешающая способность составляет всего 240 ТВЛ, у S-VHS видеомагнитофонов и видеокамер 5 MHz с 400 ТВЛ.
     Не все читающие документацию на видеокамеру или рекламу к оным обращают внимание на примечание, которое зачастую сопровождает значение ТВЛ. Обычно примечание гласит - значение указано только для записи/воспроизведения на видеомагнитофон камеры. Почему дается такое хитрое примечание? Дело в том, что у видеокамеры разрешающая способность зависит от многих факторов, перечисленных ниже:

• Качество CCD (ПЗС)

• Количество CCD (ПЗС), больше (3) - лучше

• Количество светочувствительных элементов (пикселей) в CCD (ПЗС)

• Качество оптики камеры

      С точки же зрения магнитофона цифровой видеокамеры, разрешающая способность будет одинакова для любой DV камеры стоимостью и $650 и $4000. Правильным же значением, определяющим практически в целом качество видеокамеры, будет разрешающая способность на отснятом изображении, но такой параметр приводится не часто - он может быть существенно меньшим, чем значение ТВЛ для магнитофона.

Что же показывает компьютер

     Многие начинающие любители видео считают, что для вывода видео с компьютера на телевизор или видеомагнитофон достаточно иметь обычную хорошую видеокарту с видео выходом и все - результаты своего творчества можно будет легко таким образом сохранять на обычной VHS кассете. Особенно подвержены таким мечтам владельцы цифровых видеокамер с заблокированным входом - другого выхода просто нет. На самом деле такой способ вывода практически невозможно использовать из-за низкого качества видеоизображения на TV выходе любой, даже самой дорогой и лучшей видеокарты. Причин здесь несколько:

• Видеокарта показывает любое изображение только с прогрессивной разверткой

• Видеоизображение всегда показывается только по кадрам, а кадр формируется наложением полей со всеми вытекающими отсюда последствиями в виде артефактов.

• Среди дозволенных видеокарте разрешений экрана разрешение 720х576 не значится, поэтому при правильном разрешении окна для видео оно будет окружено бордюром до разрешения видеокарты в 800х600 или 1024х768. В случае выбора режима полноэкранного просмотра изображение будет масштабироваться так, как видеокарта и ее драйвер считают нужным.

• Разложение по полям для вывода по TV выходу видеокарта будет делать без всякой связи с оригинальным видеоизображением. 

Заключение

    Кратко в статье приведено большинство  "подводных камней", которые ожидают любителя видео при работе на компьютере, вызванных исторически сложившейся спецификой формирования телевизионного изображения. По мере поступления новых вопросов на эту тему этот материал также будет расширяться.

Источник