Прогрессивные системы развертки

В этой статье мы обсудим некоторые прогрессивные системы развертки, а также системы, которые только выглядят прогрессивными, на самом деле таковыми не являясь, и рассмотрим, как изображение с прогрессивной разверткой передается в цифровом телевидении и в телевидении высокой четкости (HDTV). В камерах и дисплеях с электронно-лучевыми трубками пучок электронов действительно сканирует с трубки фоточувствительный слой, поэтому термины "чересстрочное сканирование" и "прогрессивное сканирование" (чересстрочная и прогрессивная развертка) очень точно описывают два различных процесса считывания изображения. Что же касается камер с ПЗС-матрицами, то для них определение "прогрессивная развертка" с технической точки зрения не совсем верно. Ни сканирования, ни развертки здесь не происходит, и изображение захватывается всей поверхностью целиком. Позже мы увидим, что в этом случае все строки используются постоянно даже при чересстрочной развертке - при двойном считывании строки. Если быть точными, то при обсуждении ПЗС чересстрочную развертку было бы правильнее определять следующим образом: "два поля захватываются за 1/30 секунды (за 1/25 секунды для PAL) по отдельности и затем поочередно записываются в кадр", а прогрессивную так: "целый кадр захватывается сразу". Но если бы я изъяснялся подобным образом, к концу чтения статьи у вас успела бы вырасти борода, поэтому давайте уж обойдемся краткими терминами "чересстрочная" и "прогрессивная". Теоретически переключать ПЗС с прогрессивного захвата (где считывается каждая строка) на чересстрочный (где происходит двойное считывание) совсем не сложно. Но в действительности современные ПЗС массового производства представляют собой устройства на едином чипе со встроенными схемами синхронизации и адресации. В некоторых линейках продуктов переключение режимов такого чипа не предусмотрено, а возможности двойного считывания (по крайней мере в реальном времени - на протяжении одного кадра) ограничены. Однако это не останавливает производителей камер, которые предлагают интересные, а часто удобные обходные приемы.

Режим Frame Movie

Популярность видеокамер Canon XL1 и GL1 DV во многом обусловлена наличием в них режима Frame Movie (другое название - Frame Mode), хотя изначально эта технология появилась в видеокамерах Panasonic AG-EZ1 и PV-DV1000 DV. Сегодня она используется и в модели фирмы Panasonic DVCPRO AJ-D215. Во всех названных камерах применяются однотипные ПЗС, хотя и Canon, и Panasonic всегда подчеркивают, что в их фирменных устройствах используются различные способы обработки изображения и разные призмы. О горизонтальном сдвиге пикселей мы рассказывали в статье "Чем определяется резкость" (см. "ЦВ", 6/2000, с. 22). В режиме же Frame Movie для имитации целого "прогрессивного" кадра от ПЗС на основе полей используется вертикальный сдвиг пикселей. Сигнал от зеленых элементов ПЗС по отношению к красным и синим сдвигается на одну строку вниз, так что зеленые элементы составляют поле B, а захваченные одновременно с ними красные и синие - поле A. Затем зеленый и красно-синий сигналы комбинируются в сигнал яркости, который будет содержать больше вертикальных деталей, чем сигналы полей A или B по отдельности (рис. 1).

Рис. 1. Режим Frame Movie использует метод вертикального сдвига пикселей для выработки сигнала яркости всего кадра

В полученном кадре деталей по вертикали больше, чем в отдельном поле, но меньше, чем в настоящем прогрессивном кадре. Чипы при этом работают в чересстрочном режиме двойного чтения, а не в режиме чтения отдельных строк (реально прогрессивного), обеспечивающем большее разрешение. Процесс усреднения строк приводит к тому, что изображение чуть теряет резкость по сравнению с чересстрочным (рис. 2), но все равно является более резким, чем при покадровом режиме.

Рис. 2. На этих изображениях, полученных с помощью камеры Canon GL1, сравниваются нормальный (чересстрочный) и покадровый режимы

Усреднение строк воздействует только на сигнал Y (яркость); сигналы CR и CB (цвет) на него не реагируют, поэтому иногда остается заметной вертикальная цветная каемка (как показано треугольниками на тестовой диаграмме разрешения). И так же, как в случае горизонтального сдвига пикселей, в режиме Frame Movie менее удачны изображения с преобладанием зеленых или красно-синих цветов: вертикальное разрешение в соответствующих частях картинки будет ниже. Однако несмотря на эти потенциальные проблемы, режим Frame Movie обычно дает достаточно хорошее изображение. Отсутствие чересстрочных артефактов позволяет легко извлекать отдельные кадры из отснятого материала или помещать снимки в Web. В системе PAL при выборе между чересстрочным режимом и Frame Movie для передачи и воспроизведения фильмов часто предпочитают последний, поскольку изображение с частотой 25 кадров в секунду передается кадр за кадром и не требует устранения чересстрочности (при этом воспроизведение фильма со скоростью 24 кадра в секунду просто замедляет его на 4 процента). Заметим, однако, что для системы NTSC (30 кадров в секунду) Frame Movie для передачи кинофильма (24 кадра в секунду) никогда не рекомендовался, - но это уже совсем другая тема.

Медленные Sony

У некоторых видеокамер Sony DV и DVCAM есть возможность настоящей прогрессивной развертки, но только при половинной частоте кадров (15 в секунду для NTSC и 12,5 - для PAL). Но режим, аналогичный Frame Mode, можно аппроксимировать, используя частоту обтюратора 1/30 секунды (1/25 секунды для PAL). На медленной скорости эти камеры для получения нечересстрочного изображения используют дублирование полей при полной частоте кадров - 30 или 25 в секунду. Двойное чтение ПЗС - не вполне очевидный процесс; резкость нужно задавать по тестовой схеме (рис. 3), иначе вы рискуете получить прямо-таки выпирающие из изображения зубцы. Для большинства сцен, где нет четких вертикальных деталей, материал, отснятый на этих камерах с уменьшенной частотой обтюратора, может ввести в заблуждение даже опытных зрителей (как, например, это произошло со мной на выставке NAB, когда я увидел материал, отснятый камерой PD 150!).

Рис. 3. Вертикальное разрешение VX2000 при частоте обтюратора 1/30 секунды ниже, чем в режиме дублирования полей

Интересно, что ранние модели Sony, такие как VX1000, дублировали поля при уменьшенной скорости затвора, но второе поле при записи задерживалось на интервал одного поля. Если рассматривать кадр за кадром при нелинейном монтаже, то изображения кажутся чересстрочными, хотя вертикальное разрешение все же ухудшается. Более новые камеры Sony, в том числе TRV900, PD100, VX2000 и PD150, записывают оба поля вместе (без задержки для чересстрочности), поэтому полученные изображения можно использовать для просмотра фильма или извлечения отдельных кадров. Однако вертикальное разрешение при таком режиме вдвое хуже нормального, обеспечиваемого чересстрочным режимом с интервалом 1/60 секунды. Чтобы это не стало заметным, необходимо принимать особые меры. В тех камерах, где можно регулировать резкость, надо ее снизить (регулировка резкости увеличивает четкость и по вертикали, и по горизонтали), следует избегать съемки наклонных линий, близких к горизонтальным, и конечно же не снимать тестовых диаграмм определения разрешения! Время экспозиции изображения составляет полных 1/30 секунды по сравнению с 1/60 в режиме Frame Movie. Размывание по движению в полученном изображении вдвое сильнее, чем при использовании режима Frame Movie; если говорить в привычных для кино терминах, оно выглядит как при использовании обтюратора с углом раскрытия 360 градусов вместо 180-градусного для режима Frame Movie и большинства "настоящих" кинокамер. Вне мира NTSC и PAL Все методы и способы сканирования, которые мы обсуждали до сих пор, использовались со стандартным NTSC- и PAL-совместимым оборудованием. Даже в системах с прогрессивной разверткой есть буферы кадров и запись "сегментированных полей" для сохранения и вывода кадра в виде двух отдельных полей, что делает возможным успешное применение всех этих форматов на имеющемся оборудовании. Однако сегодня мы входим (хотя и не вполне гладко) в прекрасный новый мир цифрового телевидения, где "биты есть биты" и совместимость со стандартами 50-летней давности не столь важна. Некоторые новые форматы используют прогрессивную развертку, свободную от ограничений NTSC и PAL. 480/60p Четыреста восемьдесят строк, последовательно просматриваемых 60 раз в секунду, сочетают детальность истинной прогрессивной развертки с временным разрешением 60 кадров в секунду "нормального" чересстрочного видео, и при этом соблюдается обычный формат изображения 720x480. Единственная доступная сейчас реализация 480/60p - это формат Panasonic DVCPRO50 Progressive. Камеры Panasonic поддерживают как формат кадра 4:3, так и 16:9; при помощи переключателя запись можно вести в форматах DVCPRO, DVCPRO50 (чересстрочные) или DVCPRO50 Progressive. Сам по себе формат DVCPRO50 Progressive дает отличное изображение. Трудно поверить, что в нем не используется высокое разрешение (поскольку строк всего 480, то официально он относится к стандартному разрешению, а не к телевидению высокой четкости). Мы так привыкли к чересстрочному изображению, что полные 480 строк прогрессивной развертки при 60 кадрах в секунду производят сильное впечатление. Зубцы, заметные при чересстрочной развертке, отсутствуют, и детали кажутся резче, чем это возможно при "всего" 480 строках изображения. Этот формат легко преобразуется в чересстрочное видео; благодаря удобной для работы прогрессивной структуре изображения и высокому временному разрешению его можно преобразовать в любой формат телевидения высокой четкости. Именно поэтому многие специалисты, не готовые еще к работе в формате высокой четкости, считают DVCPRO50 Progressive идеальным переходным форматом. 720/60p Первым стандартизованным форматом HDTV с прогрессивной разверткой был 720/60p, выбранный телекомпанией ABC-TV. Растр изображения имеет размер 1280 x 720 при формате кадра 16:9. Это один из немногих стандартов цифрового телевидения, использующий квадратные пиксели. Изначально этот формат предложили компании Zenith и Polaroid, но основным поставщиком оборудования является все та же фирма Panasonic. По качеству 720/60p сравним с чересстрочными форматами с 1080 строками, поскольку в нем отсутствуют зубчатые края и другие вызванные чересстрочностью артефакты, ухудшающие качество изображения. При 60 кадрах в секунду он обеспечивает лучшее из доступных сейчас для прогрессивных форматов высокой четкости временное разрешение, что делает его идеальным для спортивных съемок - как в нормальном темпе, так и при замедленных повторах, поскольку в прогрессивном изображении при замедленном воспроизведении не происходит подергивания строк. 1080-строчный прогрессивный Форматы высокой четкости - 1920-пиксельные 1080-строчные - берут начало от формата NHK аналогового телевидения высокой четкости, разработанного более 15 лет назад. В аналоговой и в первой цифровой версиях этот формат был только чересстрочным с частотой 60 полей в секунду для NTSC и, позже, 50 полей в секунду для PAL. Тем не менее преимущества прогрессивной развертки действуют и при 1080 строках, и Международный союз электросвязи (ITU) добавил к этому стандарту варианты с прогрессивной разверткой 24, 25 и 30 кадров в секунду. Вариантам 25p и 30p с сегментированными полями, как мы уже видели на примере прогрессивных систем со стандартным разрешением, соответствуют чересстрочные форматы 50i и 60i. В варианте 24p частота кадров такая же, как в кино (24 кадра в секунду), поэтому цифровые технологии можно использовать как для производства фильмов, так и для преобразования полученного сигнала в телевизионные (NTSC, PAL или их цифровые эквиваленты). Реализация варианта 1080/60p станет возможной только через несколько лет; для передачи такого сигнала в эфир технологию сжатия придется усовершенствовать до удвоения. Когда это будет достигнуто, мы сможем сочетать разрешение 1920x1080 с прогрессивной разверткой при скорости 60 кадров в секунду. Попадем ли мы тогда в лучший из возможных миров? Поживем - увидим.