Задавались ли вы когда-нибудь вопросом, почему видеосигнал стандартной чёткости – например, используемый в DVB-вещании или DVD-дисках – может иметь размер как 720×576, так и 704×576 пикселей? С другими вариантами разрешений цифрового видеосигнала (544×576, 480×576, 352×576) всё понятно: они служат для снижения требуемой ширины полосы пропускания ценой ухудшения качества. Но разрешения 720×576 и 704×576 отличаются слишком незначительно, чтобы разница в требуемом ими битрейте была сколько-нибудь заметна. Более того: разницы в разрешении изображения между 720×576 и 704×576… нет совсем!

Как так может быть? Всё очень просто: отличие между ними заключается в том, что кадр 704×576 представляет собой среднюю часть от кадра 720×576. Другими словами, чтобы преобразовать 720×576 в 704×576, нужно отрезать от него по 8 пикселей с каждой стороны, а чтобы преобразовать 704×576 в 720×576, нужно добавить по его бокам чёрные полоски шириной по 8 пикселей каждая. Это зафиксировано в стандарте DVB (ETSI TS 101 154, раздел 5.1.4, примечание 5 к таблице 5).
tvТаким образом, именно изображение размером 704×576 имеет соотношение сторон 4:3 или 16:9 (в зависимости от режима). А соотношение сторон видеосигнала размером 720×576 при этом оказывается уже бóльшим – примерно 4.1:3 или 16.4:9. В этом есть очень важный практический смысл.
Дело в том, что видео размером 720×576 пикселей содержит по краям кадра некий «запас», который во времена аналоговых технологий позволял краям изображения меньше искажаться в результате многократных цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразований. Чтобы понять, как это работает, представьте себе цифровой видеосигнал, проходящий через серию преобразований из цифровой формы в аналоговую и обратно. В аналоговой форме сигнала боковые границы кадра (границы строк) заданы не так точно, как в цифровой, и поэтому при каждом таком преобразовании кадр немного сдвигается вправо или влево, пусть даже на долю пикселя. Если бы за пределами кадра не было этого запасного «пространства для манёвров», то при каждом таком сдвиге край кадра немного обрезался бы, и в результате цепочки из нескольких таких преобразований (что было отнюдь не редкостью в те времена) количество «мусора» на краю кадра могло бы нарастать очень стремительно.
Изначально подразумевалось, что эти «запасные» поля будут заполняться чёрными полосками интервала гашения аналогового стандарта PAL, и во многих случаях именно так и происходит.

Примеры кадров 720×576, у которых «лишние» 8 пикселей с каждой стороны содержат не продолжение изображения, а чёрные полосы:

720-3 720-2 720-1

Но некоторые полностью цифровые системы (например, DV-видеокамеры и их профессиональные разновидности) стали заполнять эти области продолжением основного изображения. Это не противоречит логике исходного стандарта: запас всё равно остаётся запасом, вне зависимости от того, что он содержит. Когда с таким видеосигналом сталкиваются люди, не являющиеся профессионалами телевизионной отрасли, они нередко делают неправильный вывод о том, что раз видеоизображение заполняет собой всю площадь кадра 720×576, то и пропорции 4:3 или 16:9 имеет весь этот кадр, а не только его средняя часть размером 704×576.
tv2Разумеется, это мнение ошибочно, и в этом можно легко убедиться, даже не вникая в тексты стандартов. Для этого нужно распечатать на листе бумаги квадрат (на всякий случай тщательно проверив его идеальную квадратность с помощью линейки), снять его на DV-видеокамеру и вырезать из полученного видео один кадр размером 720×576 пикселей. Если бы весь кадр 720×576 имел пропорции 4:3, то для получения квадратного квадрата его нужно было бы растягивать до размера 768×576, но если мы попробуем так сделать, высота квадрата не сойдётся с его шириной. Для того чтобы получить правильные пропорции, цифровой кадр 720×576 нужно растягивать до соотношения сторон 4.1:3, то есть до размера 788×576 пикселей. Разумеется, идеально квадратным квадрат окажется именно во втором случае (см. рис.).
При создании экранной графики для телевидения стандартной чёткости у дизайнеров есть выбор: либо работать с кадром 768×576 (для 16:9 – 1024×576), чтобы затем уменьшать его до 704×576 и добавлять по сторонам чёрные полосы, либо сразу создавать изображение с запасом по ширине, то есть размером 788×576 или 1050×576 пикселей соответственно. В программе Adobe Photoshop (начиная с версии CS4) для этого даже есть специальные пресеты «PAL D1/DV Square Pixel».

Встроенные в Adobe Photoshop CS4 пресеты с соотношением сторон 4.1:3 и 16.4:9 для получения целого кадра 720x576 с соблюдением правильных пропорций.
Встроенные в Adobe Photoshop CS4 пресеты с соотношением сторон 4.1:3 и 16.4:9 для получения целого кадра 720×576 с соблюдением правильных пропорций.

В профессиональных программах для обработки видео этот нюанс также учтён. Проверить его можно, например, сконвертировав видеофайл HD-формата в обычное SD-видео. Так как соотношение сторон HD-видео всегда точно равняется 16:9, заполнить собой ровно 720×576 пикселей оно не сможет. Выхода два: либо поместить HD-кадр в центральные 704×576 пикселей и добавить чёрные полоски по краям (так делает, например, Adobe Premiere), либо подрезать HD-изображение сверху и снизу до соотношения сторон 16.4:9, чтобы его можно было растянуть до всех 720×576 пикселей (такой подход реализован в пакете Sony Vegas).

Исходный HD-кадр 1920x1080 можно преобразовать в 720x576 двумя способами:
Исходный HD-кадр 1920×1080 можно преобразовать в 720×576 двумя способами:
Первый вариант – растянуть HD-кадр до 704x576 и добавить чёрные полосы по бокам
Первый вариант – растянуть HD-кадр до 704×576 и добавить чёрные полосы по бокам
Второй способ – немного обрезать HD-кадр сверху и снизу, чтобы его соотношение сторон стало 16.4:9 (обратите внимание на отметки в виде треугольников сверху и снизу – они слегка подрезаны)
Второй способ – немного обрезать HD-кадр сверху и снизу, чтобы его соотношение сторон стало 16.4:9 (обратите внимание на отметки в виде треугольников сверху и снизу – они слегка подрезаны)

Аналогичным образом будут пересчитаны размеры при вставке в проект любых других фото- и видеоматериалов исходя из их соотношения сторон пикселя (pixel aspect ratio), которое одинаково как для 704×576, так и 720×576. Именно поэтому на DVD-дисках с фильмами изображение обычно занимает по своей ширине все 720 горизонтальных пикселей: кадр кинофильма как правило существенно шире телевизионного, а программы для обработки видео не делают разницы между основной площадью кадра и боковыми полосками аналогового «запаса» – их расчёты производятся исключительно исходя из информации о ширине кадра и соотношении сторон его пикселей. Это приводит к тому, что края кинокадра выходят за границы кадра PAL и используют всю ширину цифрового кадра 720×576, имеющего соотношение сторон 16.4:9. Поэтому если вам потребуется преобразовать фильм из DVD в формат с квадратными пикселями, то чтобы избежать искажения пропорций, его 720×576 пикселей нужно будет растягивать не до 1024×576, а до 1050×576.

Важно понимать, что в мире не существует ни одного видеоформата стандартной чёткости с горизонтальной шириной цифрового кадра 720 пикселей, соотношение сторон которого в точности равнялось бы 4:3 или 16:9. Делать исключение из этого правила было бы абсурдно, потому что в таком случае возникали бы ситуации, когда требовалось бы растягивать 720×576 до 704×576 и наоборот, что приводило бы к неоправданным потерям качества изображения. У цифрового телевидения DVB, DVD-дисков, видеокамер, профессионального видеоинтерфейса SDI и всех остальных систем, использующих разрешение 720×576 или 704×576, соотношение сторон пикселя по стандартам всегда одинаково (в пределах выбранного режима 4:3 или 16:9). Это значит, что разница между 720×576 и 704×576 всегда заключается только в наличии или отсутствии дополнительных полос по краям, причём именно 704×576 соответствует соотношению сторон 4:3 или 16:9, а 720×576 – это уже немного шире.


 

Ответы на вопросы, которые могут возникнуть после прочтения статьи

Формат цифрового видео с разрешением 720×576 пикселей регламентируется стандартом ITU‑R BT.601, но в тексте этого стандарта нет никаких упоминаний ни про 702, ни про 704 пикселя. Так откуда же взяты эти значения?

Дело в том, что BT.601 является не самостоятельным стандартом, а надстройкой над аналоговым стандартом PAL (ITU-R BT.1700). В соответствии с BT.1700, ширина видимого изображения стандарта PAL – 52 микросекунды, а BT.601 устанавливает соответствие этих микросекунд к пикселям, регламентируя частоту дискретизации – 13.5 МГц. Если 52 мкс умножить на 13.5 МГц, то результатом как раз и будут 702 пикселя (см. предыдущий вопрос). Если вам нужен документ, прямым текстом утверждающий ширину кадра 702 пикселя, то таковым является рекомендация EBU R92-1999, именно этому вопросу и посвящённая.

В статье написано, что кадр соотношением сторон 4:3 или 16:9 содержится в центральной зоне размером 704×576 пикселей, а в некоторых других источниках указывается размер 702×576. В чём разница, и какой размер более правильный?

Оба варианта правильные. Изначально в стандартах было зафиксировано число 702 пикселя, но при этом оговаривался допуск, позволяющий округлить это значение до 704 (но не больше). Необходимость такого округления вызвана тем, что все современные методы сжатия изображения оперируют блоками по 16×16 пикселей, из-за чего размер изображения должен быть кратным шестнадцати. Преобразование 702×576 в 704×576 осуществляется путём добавления справа и слева однопиксельных чёрных полосок, которые негативно влияют на результаты сжатия MPEG.

Если в современных условиях разрешение 704×576 логичнее и лучше, чем 720×576, то почему его до сих пор использует не больше половины DVB-вещателей и ещё меньшая часть DVD-дисков?

До сжатия в MPEG цифровой видеосигнал всегда передаётся (в соответствии со стандартом BT.601) с разрешением 720×576 пикселей, то есть с «запасом» (чёрными полосами или «лишними» областями изображения) по бокам. В 704×576 он превращается только на этапе кодирования в MPEG в зависимости от настройки MPEG-кодера, отвечающей за разрешения изображения. По умолчанию эта настройка всегда установлена в наиболее консервативное значение 720×576. А вдруг кому-нибудь понадобится использовать этот MPEG-кодировщик как часть аналоговой системы? Тогда «запас», предоставляемый разрешением 720×576, ему как раз пригодился бы.
Таким образом, для того, чтобы современный цифровой канал вещал, как и подобает современному цифровому каналу, в разрешении 704×576, инженер, настраивающий MPEG-кодер, должен знать о различиях между этими разрешениями и не забыть переключить эту настройку. Другими словами, это вопрос квалификации инженера, обслуживающего MPEG-кодер. К тому же следует учитывать, что разрешение 704×576 стало актуальным именно с переходом телевизионного производства на цифровые технологии, в то время как в аналоговую эпоху ситуация была совсем другая.

Как вы прокомментируете версию о том, что на практике почти никто эти стандарты не соблюдает?

Это предположение не соответствует действительности: в телевидении данные стандарты соблюдаются примерно на 95% выдаваемого в эфир материала. Случаи несоблюдения встречаются, но в процентном отношении их доля невелика. Так как стандарт BT.601 строго соблюдают все профессиональные цифровые видеокамеры и устройства оцифровки аналогового видео, нарушить его во многих случаях было бы гораздо сложнее, чем соблюсти.
Как правило, ошибочные выводы о несоблюдении стандарта BT.601 делаются, глядя на видеоматериал, у которого изображением заняты все 720 горизонтальных пикселей. На самом деле такое видео просто имеет соотношение сторон не 4:3 или 16:9, а 4.1:3 или 16.4:9, и это делается сознательно (см. основную статью). Большинство цифровых видеокамер снимают в таком формате, таким же образом кодируется и основная масса официальных DVD-дисков с голливудскими фильмами. Это абсолютно нормально и не противоречит ни стандартам, ни здравому смыслу.

Зачем использовать в DVB-вещании разрешение 704×576, если для обычных телезрителей с обычными телевизорами никакой разницы по сравнению с 720×576 заметно не будет? Ведь при выводе изображения с DVB-ресивера (как через аналоговый, так и через цифровой видеоинтерфейс) сигнал 704×576 всё равно будет преобразован в 720×576 путём добавления к нему чёрных полосок по бокам.

Разница будет заметна прежде всего у тех, кто смотрит телеканал на компьютере, посредством услуги IPTV или с помощью цифрового тюнера DVB. Дело в том, что практически все популярные на сегодняшний день программные видеоплееры не способны корректно отрезать «лишнее» перед дальнейшей манипуляцией изображением.  Причина этой проблемы кроется глубоко в архитектуре системных компонентов операционной системы Windows, и не похоже, что она будет решена в ближайшем будущем. Поэтому при использовании разрешения 720×576 у пользователей компьютерных ТВ-тюнеров и IPTV будут слегка искажены пропорции изображения, в то время как с разрешением 704×576 оно отобразится правильно. Ситуацию усложняет то, что у большинства программ для просмотра ТВ на ПК оверскан (обрезка краёв изображения, наследие аналоговой эпохи) по умолчанию выключен или вообще не поддерживается, а это значит, что при использовании разрешения 720×576 будут не только искажены пропорции изображения, но и будут видны чёрные полосы зоны аналогового гашения.
А ведь компьютерные ТВ-тюнеры и услуга IPTV – это очень быстрорастущие направления. Пройдёт всего несколько лет, и таких телезрителей у нас в Украине будут миллионы.
Ещё одним положительным аспектом использования разрешения 704×576 в DVB-вещании является экономия битрейта (а значит, улучшение качества изображения) за счёт исключения как раз тех частей кадра, в которых обычно прячется всякий труднокодируемый «мусор».

А что собой представляют используемые в DVB-вещании варианты разрешения 544×576, 480×576 и 352×576?

В отличие от 704×576, при использовании которого пиксели центральной части изображения остаются неизменными, горизонтальные разрешения 544, 480 и 352 служат для экономии битрейта за счёт снижения чёткости изображения. Согласно стандарту DVB, разрешения 544×576 и 480×576 при декодировании будут растянуты до 720×576, а 352×576 – до 704×576.

Зачем беспокоиться о такой незначительной разнице в пропорциях изображения, если никто её всё равно заметить не сможет?

Посмотрите на пример с квадратом – разница не такая уж и незначительная, как могло показаться на первый взгляд. В некоторых случаях (крупные круглые или квадратные элементы экранной графики) она бывает вполне заметна. К тому же, если бы производители оборудования и ПО для работы с видео не заботились о соответствии стандартам, возникало бы накопление ошибки при проходе видеосигнала через несколько этапов обработки.

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