Преобразование телевизионных стандартов

Преобразование телевизионных стандартов — это процесс изменения телевизионной передачи или записи с одной видеосистемы на другую. Преобразование видео между различным количеством строк, частотой кадров и цветовыми моделями в видеоизображениях представляет собой сложную техническую задачу. Однако международный обмен телевизионными программами делает необходимым преобразование стандартов, чтобы видео можно было просматривать в другой стране с другим стандартом. Обычно видео подается в преобразователь видеостандартов , который создает копию в соответствии с другим видеостандартом. Одно из наиболее распространенных преобразований происходит между стандартами NTSC и PAL .

История

Первый известный случай преобразования телевизионных систем произошел в Европе через несколько лет после Второй мировой войны , главным образом, когда RTF (Франция) и BBC (Великобритания) пытались обменять свои черно-белые 441-строчные и 405-строчные программы.Проблема усугубилась с введением цветовых стандартов PAL , SECAM (оба 625 строк) и французской черно-белой службы 819 строк . 35 мм со скоростью 24 кадра в секунду . шириной 16 или пленка До 1980-х годов преобразование стандартов было настолько сложным, что предпочтительным средством обмена программами была

Обзор

Возможно, наиболее технически сложным преобразованием является преобразование PAL и SÉCAM в NTSC.

• PAL и SÉCAM используют 625 строк со скоростью 50 полей/с или 25 кадров/с.
• NTSC использует 525 строк со скоростью 59,94 поля/с (60000/1001) или 30 кадров/с.

Стандарт NTSC временно и пространственно несовместим как с PAL, так и с SÉCAM. Помимо разного количества строк, преобразование в формат, требующий 60 полей каждую секунду, из формата, содержащего только 50 полей, представляет собой трудность. Каждую секунду необходимо генерировать дополнительно 10 полей — конвертер должен создавать новые кадры (из существующих входных данных) в реальном времени.

Преобразование между PAL и SÉCAM не требует аналогичных изменений синхронизации, но все же требует кодирования цвета и преобразования звука.

Скрытые сигналы: не всегда передаются

Телевизор содержит множество скрытых сигналов. Одним из типов сигнала, который не передается, за исключением некоторых очень дорогих преобразователей, является сигнал субтитров . Сигналы телетекста передавать не нужно, но поток данных субтитров должен передаваться, если это технологически возможно.

При вещании HDTV это не является проблемой, поскольку по большей части это означает только передачу потока данных субтитров в новый исходный материал. Однако DVB и ATSC имеют существенно разные типы потоков данных субтитров.

Роль теории информации

Теория преобразования систем

Теория информации и теорема выборки Найквиста-Шеннона предполагают, что переход от одного телевизионного стандарта к другому будет проще, если преобразование

• от более высокой частоты кадров к более низкой частоте кадров ( от NTSC до PAL или SECAM ) например,
• от более высокого разрешения к более низкому (от HDTV до NTSC )
• передается от одного источника с прогрессивной разверткой к другому источнику с прогрессивной разверткой (чересстрочная развертка PAL и NTSC несовместимы во времени и пространстве друг с другом)
• имеет относительно небольшое межкадровое движение, что уменьшает временные или пространственные дрожания
• исходит от источника, отношение сигнал/шум которого не слишком велико [низкое?]
• исходит от источника, который не имеет постоянного (или периодического) дефекта сигнала, который мог бы препятствовать трансляции.

Системы отбора проб и коэффициенты

Субдискретизация в видеосистеме обычно выражается как трехчастное соотношение. Три члена соотношения — это количество яркости («яркость», «яркость», « Y ») выборок и количество выборок двух компонентов цвета («цветности») ( U/Cb , затем V/Cr ) для каждую полную зону отбора проб.

Для сравнения качества важно только соотношение между этими значениями, поэтому 4:4:4 можно легко назвать 1:1:1; но традиционно значение яркости всегда равно 4, а остальные значения масштабируются соответствующим образом.

Приведенные выше принципы выборки применимы как к цифровому, так и к аналоговому телевидению.

телекино дрожь

Процесс преобразования «3:2 с понижением» для фильма с частотой 24 кадра в секунду в телевизионный (телекино) создает небольшую ошибку в видеосигнале по сравнению с исходными кадрами фильма. Это одна из причин, почему движение в фильмах с частотой 24 кадра в секунду, просматриваемых на обычном домашнем оборудовании NTSC, может выглядеть не таким плавным, как при просмотре в кинотеатре. Это явление особенно заметно во время медленных, устойчивых движений камеры, которые при телесинировании кажутся слегка прерывистыми. Этот процесс обычно называют телекинезом .

Материал PAL, в котором было применено преобразование 2:2:2:2:2:2:2:2:3, страдает от аналогичного недостатка плавности, хотя этот эффект обычно не называют телекино дрожанием. Каждый 12-й кадр фильма отображается в течение 3 полей PAL (60 миллисекунд), тогда как каждый из 11 остальных кадров отображается в течение 2 полей PAL (40 миллисекунд). Это вызывает небольшой «сбой» в видео примерно два раза в секунду.

Преобразователи телевизионных систем должны избегать создания эффекта дрожания телекино во время процесса преобразования. Избежание этого дрожания имеет экономическое значение, поскольку большая часть материалов с разрешением NTSC (60 Гц, технически 29,97 кадров/с), полученных из пленки, будет иметь эту проблему при преобразовании в PAL или SECAM (оба 50 Гц, 25 кадров/с).

Методы преобразования исторических стандартов

Ортикон к ортикону

Этот метод использовался Ирландией для преобразования службы 625 линий в службу 405 линий. Это, пожалуй, самый простой метод преобразования телевизионных стандартов. RTÉ использовал этот метод в последние годы использования системы 405 строк.

Для обеспечения службы 405-й линии использовался преобразователь стандартов, но, по словам нескольких бывших технических источников RTÉ, преобразователь взорвался, и после этого служба 405-й линии обеспечивалась камерой 405-й линии, направленной на монитор. Это не лучший метод преобразования, но он может сработать, если перейти от более высокого разрешения к более низкому — с той же частотой кадров. медленные люминофоры требуются На обоих ортиконах .

Первые преобразователи видеостандартов были аналоговыми . То есть специальная профессиональная видеокамера , использующая трубку видеокамеры, будет направлена ​​на с электронно-лучевой трубкой видеомонитор . И камеру, и монитор можно было переключить на NTSC или PAL для преобразования в обе стороны. Robert Bosch GmbH компании Подразделение Fernseh изготовило большой трехстоечный преобразователь аналоговых видеостандартов. Это были преобразователи высокого класса 1960-х и 1970-х годов. Компания Image Transform в Юниверсал-Сити, Калифорния, использовала конвертер Fernseh и в 1980-х годах создала собственный цифровой конвертер. Это также было более крупное трехстоечное устройство. Поскольку размер цифровой памяти стал больше в корпусах меньшего размера, преобразователи стали размером с микроволновую печь . Сегодня можно купить очень маленький потребительский преобразователь для домашнего использования.

SSTV в PAL и NTSC

В миссиях «Аполлон» на Луну (конец 1960-х, начало 1970-х) использовалось телевидение с медленной разверткой (SSTV) в отличие от телевидения с обычной полосой пропускания; в основном это было сделано для экономии заряда батареи (и пропускной способности передачи, поскольку видео SSTV из миссий Аполлона было мультиплексировано со всеми другими голосовыми и телеметрическими сообщениями с космического корабля). Камера потребляла всего 7 Вт мощности.

SSTV использовался для передачи изображений изнутри Аполлона-7 , Аполлона-8 и Аполлона-9 , а также Аполлона-11 телевизионного изображения лунного модуля с Луны ; см. телекамеру Apollo .Система SSTV, использовавшаяся в первых миссиях НАСА «Аполлон», передавала десять кадров в секунду с разрешением 320 кадровых строк, используя меньшую полосу пропускания, чем обычная телевизионная передача.Ранние системы SSTV, используемые НАСА, значительно отличаются от систем SSTV, которые в настоящее время используются радиолюбителями.Преобразование стандартов было необходимо, чтобы миссии могли быть просмотрены мировой аудиторией как в разрешениях PAL/SECAM (625 строк, 50 Гц), так и в NTSC (525 строк, 60 Гц).

В более поздних миссиях «Аполлон» использовались камеры с последовательным цветовым полем , выводящие видео со скоростью 60 кадров в секунду. Каждый кадр соответствовал одному из основных цветов RGB. Этот метод совместим с черно-белым NTSC, но несовместим с цветным NTSC. Фактически, даже совместимость с монохромными телевизорами NTSC незначительна. Монохромный набор мог бы воспроизвести картинки, но картинки жутко мерцали бы. Цветное видео с камеры воспроизводилось со скоростью всего 10 кадров/с. Кроме того, доплеровский сдвиг лунного сигнала мог привести к разрыву и переворачиванию изображений. По этим причинам изображения Луны с Аполлона требовали специальных методов преобразования.

Этапы преобразования были полностью электромеханическими и происходили практически в реальном времени. Сначала станция нисходящей линии связи скорректировала изображения на доплеровский сдвиг. Затем в аналоговом устройстве записи дисков станция нисходящей линии связи записывала и воспроизводила каждое видеополе шесть раз. На шестидорожечном магнитофоне запись и воспроизведение происходили одновременно. После рекордера аналоговые видеопроцессоры добавили недостающие компоненты цветового сигнала NTSC: в эти компоненты входили:Цветовой импульс 3,58 МГц,Монохромный сигнал высокого разрешения,Звук,Цветовые сигналы I и Q.

Задержка преобразования длилась всего около 10 секунд. Затем цветные изображения Луны были отправлены со станции нисходящей линии связи для распространения по всему миру.

Распространенные методы преобразования стандартов

Подвыборка Найквиста

Этот метод преобразования может стать популярным среди производителей конвертеров HDTV --> NTSC и HDTV --> PAL для постоянного глобального преобразования в HDTV.Множественная подвыборка Найквиста использовалась несуществующей системой HDTV MUSE, которая использовалась в Японии.Чипсеты MUSE, которые можно использовать для преобразования систем, существуют или могут быть модифицированы для нужд преобразователей HDTV -> Аналоговое ТВ.

Как это работает

В типичной настройке передачи изображения все неподвижные изображения передаются с полным разрешением. Движущиеся изображения визуально имеют более низкое разрешение из-за сложности межкадрового содержимого изображения.

Когда в качестве метода преобразования стандартов используется субдискретизация Найквиста , горизонтальное и вертикальное разрешение материала уменьшаются – это отличный метод для преобразования HDTV в телевидение стандартной четкости, но в обратном направлении он работает очень плохо.Поскольку горизонтальное и вертикальное содержимое меняется от кадра к кадру, движущиеся изображения будут размыты (аналогично использованию 16-миллиметровой кинопленки для проецирования HDTV).Фактически, панорамирование всей камеры приведет к потере 50% горизонтального разрешения.

Метод субдискретизации Найквиста для преобразования систем работает только для телевидения высокой четкости в телевидение стандартной четкости , поэтому в качестве технологии преобразования стандартов он имеет очень ограниченное применение. Фазовая корреляция обычно предпочтительна для преобразования HDTV в стандартное разрешение.

Преобразование частоты кадров

Существует большая разница в частоте кадров между фильмами (24,0 кадра в секунду) и NTSC (приблизительно 29,97 кадров в секунду). В отличие от двух других наиболее распространенных видеоформатов , PAL и SECAM , эту разницу невозможно преодолеть простым ускорением , поскольку требуемое ускорение в 25% будет явно заметно.

процесс, называемый « разверткой 3:2 Чтобы преобразовать фильм с частотой 24 кадра/с в 29,97 кадра/с (представленный как 59,94 чересстрочных полей в секунду) NTSC, используется », при котором каждый второй кадр фильма дублируется в дополнительном чересстрочном поле для достижения частота кадров 23,976 (звук незаметно замедляется по сравнению с источником 24 кадра / с для соответствия). Это приводит к неравномерности последовательности изображений, которые некоторые люди могут воспринимать как заикание при медленном и равномерном панорамировании камеры в исходном материале. См. телесин для более подробной информации.

Для просмотра материалов PAL или SECAM (например, европейских телесериалов и некоторых европейских фильмов) на оборудовании NTSC необходимо выполнить преобразование стандартов. Есть два основных способа добиться этого:Частоту кадров можно снизить с 25 до 23,976 кадров в секунду (замедление примерно на 4%), чтобы впоследствии применить преобразование 3:2 . Интерполяция содержимого соседних кадров с целью создания новых промежуточных кадров; это приводит к появлению артефактов , и даже самые скромные глаза могут быстро обнаружить видео, преобразованное в другой формат.

Линейная интерполяция

При преобразовании PAL (625 строк при 25 кадрах/с) в NTSC (525 строк при 30 кадрах/с) преобразователь должен исключить 100 строк на кадр. Конвертер также должен создавать пять кадров в секунду.

Чтобы уменьшить сигнал с 625 строк до 525, менее дорогие преобразователи удаляют 100 строк. Эти преобразователи поддерживают точность изображения за счет равномерного распределения удаленных строк. (Например, система может отбросить каждую шестую строку из каждого поля PAL. После 50-го сброса этот процесс остановится. К тому времени система пройдет видимую область поля. В следующем поле процесс повторится: завершая один кадр.) Чтобы создать пять дополнительных кадров, преобразователь повторяет каждый пятый кадр.

Если межкадровое движение незначительное, этот алгоритм преобразования является быстрым, недорогим и эффективным. Многие недорогие преобразователи бытовых телевизионных систем использовали этот метод. Однако на практике в большинстве видео наблюдается значительное межкадровое движение. Чтобы уменьшить артефакты преобразования, в более современном или дорогом оборудовании могут использоваться сложные методы.

Дублер

Самый простой и буквальный способ удвоения строк — это повторение каждой строки сканирования, хотя результаты этого обычно очень грубые. Линейная интерполяция использует цифровую интерполяцию для воссоздания недостающих строк в чересстрочном сигнале, и итоговое качество зависит от используемого метода. Как правило, версия линейного деинтерлейсера bob будет интерполировать только внутри одного поля, а не объединять информацию из соседних полей, чтобы сохранить плавность движения, в результате чего частота кадров будет равна частоте поля (т. е. сигнал 60i будет преобразован в 60p). .) Первый метод в движущихся областях, а второй в статических областях, что улучшает общую резкость.

Межполевая интерполяция

Межполевая интерполяция — это метод, при котором новые кадры создаются путем смешивания соседних кадров, а не повторения одного кадра. Это более сложно и затратно в вычислительном отношении, чем линейная интерполяция, поскольку для создания промежуточного смешанного кадра требуется, чтобы интерполятор знал предыдущий и следующий кадры. Деинтерлейсинг также может потребоваться для создания изображений, которые можно плавно интерполировать. Интерполяцию также можно использовать для уменьшения количества строк развертки в изображении путем усреднения цвета и интенсивности пикселей на соседних строках — метод, аналогичный билинейной фильтрации , но применяемый только к одной оси.

Существуют простые 2-линейные и 4-линейные преобразователи. 2-строчный преобразователь создает новую строку путем сравнения двух соседних строк, тогда как 4-строчная модель сравнивает 4 строки, чтобы усреднить 5-ю. Межполевая интерполяция уменьшает дрожание, но за счет размазывания изображения. Чем сильнее смешивание применяется для сглаживания дрожания, тем сильнее размытие, вызванное смешиванием.

Адаптивная интерполяция движения

Некоторые более продвинутые методы измеряют характер и степень межкадрового движения в источнике и используют адаптивные алгоритмы для смешивания изображения на основе результатов. Некоторые такие методы известны как алгоритмы компенсации движения и требуют гораздо больших вычислительных затрат, чем более простые методы, поэтому для эффективного преобразования в реальном времени требуется более мощное оборудование.

Алгоритмы адаптивного движения используют способ обработки движущихся изображений человеческим глазом и мозгом — в частности, детали движущихся объектов воспринимаются менее четко.

Адаптивная интерполяция требует, чтобы преобразователь анализировал несколько последовательных полей и обнаруживал количество и тип движения различных областей изображения.

• При обнаружении небольшого движения преобразователь может использовать линейную интерполяцию.
• При обнаружении большего движения преобразователь может переключиться на межполевую технику, при которой детали жертвуются ради более плавного движения.

Адаптивная интерполяция движения имеет множество разновидностей и обычно встречается в преобразователях среднего класса . Качество и стоимость зависят от точности анализа типа и количества движения, а также выбора наиболее подходящего алгоритма обработки типа движения.

Адаптивная интерполяция движения + сопоставление блоков

Сопоставление блоков предполагает деление изображения на мозаичные блоки – скажем, для пояснения, 8x8 пикселей. Затем блоки сохраняются в памяти. Следующее считываемое поле также делится на такое же количество и размер блоков мозаики. Затем компьютер преобразователя приступает к работе и начинает сопоставлять блоки. Блоки, которые остались в том же относительном положении (читай: в этой части изображения не было движения), обрабатываются сравнительно мало.

• Для каждого измененного блока преобразователь просматривает свою память во всех направлениях, ища совпадение, чтобы определить, куда делся «блок» (если есть движение, очевидно, что блок должен был куда-то уйти…).
• Поиск начинается с ближайших окружающих блоков (при условии небольшого движения).
• Если совпадение не найдено, он ищет все дальше и дальше, пока не найдет совпадение.
• Когда соответствующий блок найден, преобразователь узнает, насколько далеко переместился блок и в каком направлении.
• Эти данные затем сохраняются как вектор движения для этого блока.
• Поскольку межкадровое движение часто предсказуемо благодаря законам движения Ньютона в реальном мире, вектор движения затем можно использовать для расчета того, где, вероятно, будет находиться блок в следующем поле.
• Ньютоновский метод экономит много времени на поиск и обработку.

Когда происходит панорамирование слева направо (скажем, по 10 полям), можно с уверенностью предположить, что 11-е поле будет похожим или очень близким.

• Сопоставление блоков можно рассматривать как «вырезание и вставку» блоков изображений.

Этот метод очень эффективен, но требует огромной вычислительной мощности. Рассмотрим блок размером всего 8x8 пикселей. Для каждого блока компьютер имеет 64 возможных направления и 64 пикселя, которые нужно сопоставить с блоком в следующем поле. Также учтите, что чем сильнее движение, тем дальше необходимо вести поиск. Просто чтобы найти соседний блок в следующем поле, потребуется выполнить поиск по 9 блокам. Для выхода на 2 блока потребуется поиск и сопоставление 25 блоков, а на расстоянии 3 блоков оно вырастет до 49 и т. д.

Тип движения может экспоненциально увеличивать требуемую вычислительную мощность. Рассмотрим вращающийся объект, где простой вектор движения по прямой линии мало помогает предсказать, где должен совпадать следующий блок. Легко заметить, что чем больше межкадрового движения, тем больше требуется вычислительная мощность. Это общая концепция сопоставления блоков. Преобразователи блочных совпадений могут сильно различаться по цене и производительности в зависимости от внимания к деталям и сложности.

Странный артефакт сопоставления блоков связан с размером самого блока. Если движущийся объект меньше блока мозаики, считайте, что перемещается весь блок. В большинстве случаев это не проблема, но представьте себе брошенный бейсбольный мяч. Сам мяч имеет высокий вектор движения, но его фон, составляющий остальную часть блока, может не иметь никакого движения. Фон также переносится в перемещенный блок в зависимости от вектора движения бейсбольного мяча. Вы можете увидеть мяч с небольшим количеством дальнего поля или что-то еще, идущее следом. В движении блок может быть «мягким» в зависимости от того, какие дополнительные приемы использовались, и едва заметным, если вы его не ищете.

Сопоставление блоков требует ошеломляющего количества вычислительных мощностей, но современные микропроцессоры делают это жизнеспособным решением.

Фазовая корреляция

Фазовая корреляция , пожалуй, самый сложный в вычислительном отношении из общих алгоритмов.

Успех фазовой корреляции заключается в том, что она эффективно справляется с быстрыми и случайными движениями. Фазовую корреляцию нелегко сбить с толку вращающимися или вращающимися объектами, которые сбивают с толку большинство других типов системных преобразователей. Фазовая корреляция элегантна, но технически и концептуально сложна. Его успешная работа достигается путем выполнения преобразования Фурье для каждого поля видео.

Быстрое преобразование Фурье (БПФ) — это алгоритм, который занимается преобразованием дискретных значений (в данном случае пикселей изображения). При применении к выборке конечных значений быстрое преобразование Фурье выражает любые изменения (движение) через частотные компоненты.

Поскольку результат БПФ представляет собой только межкадровые изменения с точки зрения распределения частот, для расчета векторов движения необходимо обрабатывать гораздо меньше данных.

Преобразователи ЦТВ в аналоговые для потребителей

Адаптер цифрового телевидения ( CECB ) или цифро-аналоговый преобразователь (коробка) — это устройство, которое принимает с помощью антенны передачу телевидения ( DTV) цифрового и преобразует этот сигнал в аналоговый телевизионный сигнал, который может быть получен и отображен на аналоговом телевидении.

Эти устройства дешево конвертируют HDTV (16:9 при 720 или 1080) в (NTSC или PAL при 4:3). Очень мало известно о конкретных технологиях преобразования, используемых этими преобразователями в зонах PAL и NTSC.

Обычно требуется преобразование с понижением частоты, поэтому зрители на рекомендуемом расстоянии просмотра с большинством телевизоров ощущают очень небольшую потерю качества изображения.

Офлайн-конверсия

Большая часть кросс-форматного преобразования телевидения выполняется в автономном режиме. Существует несколько пакетов DVD, которые предлагают автономное PAL ↔ NTSC преобразование , включая перекрестное преобразование (технически MPEG ↔ DTV ) из множества форматов веб-видео на основе MPEG .

Для перекрестного преобразования может использоваться любой метод, обычно используемый для преобразования формата телевизионной системы, но обычно (в целях уменьшения сложности и использования памяти) преобразование остается на усмотрение кодека. Большинство современных DVD конвертируются из 525 <--> 625 строк таким способом, поскольку это очень экономично для большинства программ, созданных с разрешением EDTV .

См. также

• Три-два тянуть вниз
• Обратное преобразование стандартов
• Документы IEEE по преобразованию систем
• Документы AES/EBU о преобразовании систем
• ATSC-тюнер
• Цифровое телевидение
• Адаптер цифрового телевидения
• Переход на цифровое телевидение в США
• Телеприставка

Внешние ссылки

• http://www.hawestv.com/moon_cam/moonctel.htm