ПОДЕЛИТЬСЯ

Несмотря на то, что чересстрочная развёртка на сегодняшний день является самым распространённым методом передачи телевизионного изображения (как HDTV, так и телевидения стандартной чёткости), понимание физической сути этого метода присутствует далеко не у каждого, чья работа связана с телевизионными технологиями, не говоря уже о простых пользователях бытовой телевизионной техники, и сегодня мы ликвидируем этот досадный пробел в наших знаниях.

Так как чересстрочная развертка по сути представляет собой наследие уходящей эпохи аналогового телевидения, знакомство с ней обычно начинают с изучения принципов работы аналоговых телевизионных стандартов вещания, создававшихся в те времена, когда электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) были единственно возможным типом отображающего устройства. Но так как современные телевизионные технологии уже практически полностью стали цифровыми, – по сути, аналоговые устройства и стандарты уже остались только там, где их ещё не успели заменить на более современные – то для простоты понимания сегодня мы рассмотрим только те аспекты этой технологии, которые не теряют своей актуальности и после полной цифровизации телевидения.

Как вы, наверное, знаете, цифровые форматы телевизионного изображения принято обозначать числом с приставленной к нему английской буквой «i» или «p» — например, 576i или 720p, причём в случае использования буквы «p», помимо самого обозначения формата кадра, принято указывать ещё и количество кадров в секунду – например, 720p/50 или 1080p/25. Само число обозначает вертикальное разрешение картинки в пикселах (в аналоговой терминологии – в ТВ-линиях), а вот о том, что означают буквы «i» и «p», мы сегодня и поговорим.

Буква «p» (от слова progressive) указывает на использование прогрессивной развёртки, которую в русском языке также называют построчной. Прогрессивная развёртка – это обычная последовательность из определённого количества целых кадров определённого размера, как на киноплёнке. Это значит, что формат 720p/50 представляет собой именно 50 целых кадров в секунду размером 1280×720 пикселов каждый без никаких ухищрений, как показано на верхнем ряде. Собственно, если бы не существовало чересстрочной развёртки, которая обозначается буквой «i», то в термине «прогрессивная развёртка» не было бы никакого смысла, да и вообще указывать тип развёртки было бы незачем. Термин «прогрессивная развёртка» был придуман именно для того, чтобы было как назвать обычный, полноценный способ передачи изображения, не являющийся чересстрочной развёрткой.

interlacing_1-3

Чересстрочная развёртка представляет собой некий компромисс, позволяющий в два раза уменьшить количество передаваемых пикселов в секунду (Разумеется, в те времена, когда была изобретена чересстрочная развёртка, речь шла не о пикселах, а о ширине полосы пропускания аналогового радиочастотного канала, но мы сегодня говорим исключительно о цифровых технологиях), попытавшись при этом получить более приятный для глаза результат, нежели если было бы просто наполовину урезано разрешение кадров или их частота. Для достижения такого эффекта из каждого кадра убирают либо чётные, либо нечётные строки изображения (горизонтальные ряды пикселов) в чередующемся порядке, как изображено на среднем ряде. Таким образом, два последовательных кадра теперь умещаются в том же объёме данных, который при использовании прогрессивной развёртки занимал один целый кадр.

В контексте цифровых технологий идея чересстрочной развёртки заключается в том, что те области изображения, где отсутствует движение, будут иметь полное пространственное разрешение (такое же, как и у прогрессивной развёртки), а движущиеся элементы кадра – половинное разрешение. Так как при попытке оценить на глаз чёткость телевизионного изображения человеку свойственно смотреть именно на статические элементы картинки, на первый взгляд такой подход представляется весьма логичным. К тому же если исходный видеоматериал имеет не 50, а 25 кадров в секунду, то каждый кадр будет разделён на два чересстрочных поля (полукадра) без какой бы то ни было потери информации (по крайней мере, в теории, а на практике это не всегда так).

Самым логичным способом демонстрации чересстрочного видео является тот, который используется в «старомодных» телевизорах с электронно-лучевой трубкой (не «стогерцевых»). На чёрном экране ярким лучём рисуется активные строки одного чересстрочного полукадра, между которыми остаются чёрные промежутки. После этого экран гаснет, а через некоторое время луч рисует следующий чересстрочный полукадр, и так далее, с частотой 50 полей (полукадров) в секунду. Важным моментом является то, что в промежутках между отображением каждого чересстрочного полукадра экран полностью гаснет, а сами полукадры отображаются с яркостью, достаточной для того, чтобы компенсировать эти относительно длительные промежутки гашения экрана.  В результате глаз, в силу своей инерционности, видит непрерывное изображение с субъективно полным вертикальным разрешением, однако изображение при этом выглядит мерцающим и в общем-то не очень приятным для глаз.

Для борьбы с неприятным мерцанием пятидесятигерцевого ЭЛТ-телевизора требуется либо увеличивать частоту отрисовки ярких кадров на чёрном экране, либо использовать экран, который не гаснет в промежутках между кадрами (например, жидкокристаллический). Но ни один из этих способов не сочетается с чересстрочной развёрткой: если повторять по два раза каждый отдельный чересстрочный полукадр, то мерцание от этого не исчезнет, а повторять два раза последовательность из двух полукадров – чётного и нечётного – нельзя, так как каждый из них передаёт различные фазы движения, которые должны отображаться строго последовательно. Поэтому возникает необходимость преобразовывать чересстрочное видео обратно в прогрессивное, после чего отображать его можно как угодно и на чём угодно.

Неправильно произведённый процесс деинтерлейсинга иногда приводит к артефактам изображения в виде гребёнки.
Неправильно произведённый процесс деинтерлейсинга иногда приводит к артефактам изображения в виде гребёнки.

Процесс такого преобразования называется деинтерлейсингом и заключается он в заполнении пропущенных строк информацией, извлечённой из соседних чересстрочных полукадров изображения. Проблема деинтерлейсинга в том, что этот процесс неоднозначный по своей природе: идеального алгоритма деинтерлейсинга не бывает, и создать такой метод принципиально невозможно. Некоторые методы деинтерлейсинга лучше справляются с этой задачей, некоторые – хуже, причём результат зависит ещё и от типа обрабатываемого видеоматериала: для какого-то лучше подходит один алгоритм, для какого-то – другой. В большинстве случаев именно качеством производимого телевизором деинтерлейсинга определяется субъективное впечатление от его просмотра, поэтому не удивительно, что более дорогие телевизоры имеют более качественные (и более ресурсоёмкие) алгоритмы деинтерлейсинга, чем более дешёвые. Наиболее качественный деинтерлейсинг (хотя и всё равно не идеальный, ведь, как мы помним, идеального деинтерлейсинга не существует) производится на телестудиях специальными устройствами, цена которых доходит до сотен тысяч долларов. И они стоят так дорого не потому, что у телестудий так много денег, а именно потому, что хороший деинтерлейсинг – это действительно очень сложный процесс.

На нижнем ряде изображён результат деинтерлейсинга чересстрочного видеосигнала из среднего ряда. Как видите, результат этого процесса не совсем соответствует исходному прогрессивному сигналу: после преобразования в чересстрочную развёртку и последующего деинтерлейсинга общая резкость изображения несколько уменьшилась, но не в два раза (потому что в таком случае в чересстрочной развёртке не было бы смысла), а, скажем, в полтора. Насколько конкретно уменьшится качество изображения зависит от того, насколько много движения содержится в кадре. Если кадр полностью статический, то может быть сохранено и почти полное изображение исходного прогрессивного кадра, а если в кадре очень много движения, или если камера движется или трясётся, то реальная чёткость изображения после деинтерлейсинга будет примерно половинной, т.е. в таком случае почти никаких преимуществ от чересстрочной развёртки мы не получим. Хороший алгоритм деинтерлейсинга попытается замаскировать от наших глаз недостатки такого видеоизображения, но он не сможет взять из ниоткуда недостающую информацию, которой нет в чересстрочном сигнале.

Но почему же чересстрочную развёртку так критикуют, если она действительно уменьшает субъективное качество изображения всего (к примеру) в полтора раза при двухкратном уменьшении потока данных? Почему она считается бесперспективной технологией? Дело в том, что при использовании процесса деинтерлейсинга в цифровой системе, чересстрочная развёртка, по сути, является одним из способов сжатия с потерями (lossy compression). Судите сами: на входе (т.е. на матрице камеры, на которой сфокусирован объект съёмки) мы имеем полноценное прогрессивное изображение, а затем оно урезается, передаётся по каналам связи и после этого восстаналивается деинтерлейсером до прогрессивного изображения, отличающегося от исходного лишь более худшим качеством. А ведь именно по такой же схеме работают и цифровые алгоритмы сжатия изображения, такие как MPEG-2 и MPEG-4, и они справляются со сжатием видеосигнала гораздо лучше, чем чересстрочная развёртка. Более того, при съёмке и доставке цифрового видео до потребителя неизбежно будет использоваться и MPEG-сжатие, а сжимать материал чересстрочного формата оно будет менее эффективно, чем прогрессивного, в силу фундаментальных особенностей такого сжатия.

Таким образом, если бы для HDTV вместо формата 1080i использовался формат 1080p/50, то качество изображения при одном и том же битрейте было бы выше (или битрейт был бы ниже при том же качестве). Почему же этого не делают? Дело в том, что решение о том, какие именно форматы будут использоваться для телевидения высокой чёткости, принималось ещё в те времена, когда доминирующим устройством отображения телевизионного сигнала были 50-герцевые ЭЛТ-трубки, и никто не думал, что использование деинтерлейсинга вообще понадобится. К тому же изначально HDTV было аналоговым, и о цифровых алгоритмах сжатия MPEG никто особо не думал, а когда цифровые технологии всё-таки стали реальностью, чересстрочный формат 1080i уже успел закрепиться в качестве основного формата телевидения высокой чёткости.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Понравилось нас читать?