Форматы движущихся изображений

В этой статье обсуждается захват, передача и представление движущихся изображений с современной технической и творческой точек зрения; сосредоточив внимание на аспектах частоты кадров.

Основные параметры

Существенными параметрами любой последовательности движущихся изображений как визуального представления являются: наличие или отсутствие цвета , соотношение сторон , разрешение и скорость изменения изображения.

Скорость изменения изображения

Сегодня используется несколько стандартных частот изменения изображения (или частоты кадров): 24 Гц , 25 Гц, 30 Гц, 50 Гц и 60 Гц. Технические детали, связанные с добавлением цвета в сигнал NTSC с обратной совместимостью , привели к появлению других вариантов: 24000/1001 Гц, 30000/1001 Гц и 60000/1001 Гц.

Скорость изменения изображения фундаментально влияет на то, насколько «плавно» будет выглядеть на экране захваченное им движение. Материал движущегося изображения, исходя из этого, иногда делят на две группы: материал на основе фильма , где изображение сцены захватывается камерой 24 раза в секунду (24 Гц), и материал на основе видео , где изображение захватывается. примерно 50 или 60 раз в секунду.

Материал с частотой примерно 50 и 60 Гц очень хорошо передает движение и выглядит на экране очень плавно. В принципе, материал с частотой 24 Гц удовлетворительно передает движение; но, поскольку в кино и на ЭЛТ-телевизорах его скорость обычно отображается как минимум в два раза быстрее (во избежание мерцания), он не считается способным передавать «плавное» движение. Тем не менее, его до сих пор используют для киносъемок из-за уникального художественного впечатления, возникающего именно из-за медленной скорости смены изображения.

Материал с частотой 25 Гц для всех практических целей выглядит и ощущается так же, как материал с частотой 24 Гц. Материал с частотой 30 Гц находится посередине, между материалом с частотой 24 и 50 Гц, с точки зрения «плавности» захватываемого им движения; но в телевизионных системах он обрабатывается так же, как и материал с частотой 24 Гц (т.е. отображается как минимум с удвоенной скоростью захвата).

Захватывать

Процесс захвата фиксирует «естественную» частоту кадров последовательности изображений. Последовательность движущихся изображений может быть захвачена со скоростью, отличной от скорости показа, однако обычно это делается только ради художественного эффекта или для изучения быстротекущих или медленных процессов. Чтобы достоверно воспроизвести знакомые движения людей, животных или природные процессы, а также достоверно воспроизвести сопровождающий звук, скорость захвата должна быть равна или, по крайней мере, очень близка к скорости воспроизведения.

Все современные системы захвата движущихся изображений используют либо механический, либо электронный затвор . Затвор позволяет интегрировать изображение одного кадра за более короткий период времени, чем период смены изображения. Другая важная функция затвора в растровых системах — гарантировать, что часть кадра, сканируемая первой (например, самая верхняя часть), содержит изображение сцены, интегрированное за тот же период времени, что и часть кадра, сканируемая последней.

Ранние телекамеры, такие как трубка видеокамеры , не имели затвора. Неиспользование затвора в растровых системах может изменить форму движущихся объектов на экране. С другой стороны, видео с такой камеры выглядит потрясающе «живым» при отображении на ЭЛТ-дисплее в родном формате.

Передача инфекции

Системы аналогового вещания — PAL / SECAM и NTSC — исторически были ограничены в наборе форматов движущегося изображения, которое они могли передавать и представлять. PAL/SECAM может передавать материал с частотой 25 Гц и 50 Гц, а NTSC может передавать только материал с частотой 30 Гц и 60 Гц (позже замененный на 30/1,001 и 60/1,001 Гц). Обе системы также были ограничены соотношением сторон 4:3 и фиксированным разрешением (ограниченным доступной полосой пропускания). Хотя более широкие соотношения сторон было относительно легко адаптировать к кадру 4:3 (например, с помощью почтового ящика), преобразование частоты кадров не является простым и во многих случаях ухудшает «плавность» движения или качество отдельных кадров (особенно, когда либо источник, либо цель преобразования частоты кадров чересстрочная, либо в преобразовании частоты участвует межкадровое смешивание).

Телевизионные системы 50 Гц

Материал для местных телевизионных рынков обычно снимается с частотой 25 или 50 Гц. Многие вещательные компании имеют архивы фильмов со скоростью 24 кадра в секунду (скорость пленки), связанных со сбором новостей или телепроизводством.

Прямые трансляции (новости, спорт, важные события) обычно снимаются с частотой 50 Гц. Использование 25 Гц (по сути, деинтерлейсинга) для прямых трансляций делает их похожими на взятые из архива, поэтому этой практики обычно избегают, если в цепочке передачи нет процессора движения.

Обычно материал из фильма с частотой 24 Гц ускоряется на 4%, если он создан из художественного фильма. Звук также немного повышается по высоте в результате ускорения на 4%, но обычно используются схемы коррекции высоты.

• Старая технология допускает альтернативный вариант, когда каждый 12-й кадр фильма удерживается в трех видеополях вместо двух, что в основном решает проблему.
• Более современная технология воспроизведения фильмов позволяет интерполировать каждый 25-й кадр с менее нежелательными результатами и без необходимости изменения высоты тона.
• Каждый из этих методов передачи контента, ориентированного на кино, имеет свои недостатки. Однако считается, что современные процессоры компенсации движения выдают наименее нежелательный результат.

Материал с частотой примерно 30 или 60 Гц, импортированный из систем с частотой 60 Гц, обычно адаптируется для представления с частотой 50 Гц путем добавления дублирующихся кадров или удаления лишних кадров, иногда также включая смешивание последовательных кадров. В настоящее время цифровой анализ движения, хотя и сложен и дорог, может обеспечить превосходное преобразование (хотя и не абсолютно идеальное).

Телевизионные системы 60 Гц

Из-за более высоких бюджетов на телепроизводство в США и предпочтения фильма, многие заранее записанные телешоу фактически были записаны на пленку с частотой 24 Гц.

Исходный материал, снятый с частотой 24 Гц, преобразуется примерно в 60 Гц с использованием метода преобразования 3:2 , который включает вставку переменного количества повторяющихся кадров с дополнительным замедлением в 1,001 раза, если необходимо. Иногда для сглаживания дрожания используется межкадровое микширование.

Прямые передачи записываются с частотой примерно 60 Гц. За последние 15 лет частота 30 Гц также стала приемлемой скоростью захвата, когда требуется более «киношный» вид, но при этом используются обычные видеокамеры. Захват на видео с частотой пленки 24 Гц является еще более недавним явлением и в основном сопровождает производство HDTV. В отличие от захвата с частотой 30 Гц, частоту 24 Гц нельзя смоделировать при постобработке. Камера должна быть изначально способна снимать с частотой 24 Гц во время записи. Поскольку материал с частотой ~30 Гц более «текучий», чем материал с частотой 24 Гц, выбор между скоростью ~30 и ~60 не так очевиден, как выбор между частотой 25 и 50 Гц. При печати видео с частотой 60 Гц на пленку всегда было необходимо преобразовать его в частоту 24 Гц, используя обратное преобразование 3:2. Внешний вид готового продукта может напоминать фильм, однако он не такой гладкий (особенно, если результат возвращается в видео), а плохо выполненный деинтерлейсинг приводит к заметному дрожанию изображения в вертикальном направлении и потере деталей.

Ссылки на «60 Гц» и «30 Гц» в этом контексте являются сокращенными и всегда относятся к частоте 59,94 Гц или 60 x 1000/1001. Только черно-белое видео и некоторые прототипы HDTV когда-либо работали с истинной частотой 60 000 Гц. Стандарт HDTV США поддерживает как настоящие 60 Гц, так и 59,94 Гц; последний почти всегда используется для лучшей совместимости с NTSC.

Материал с частотой 25 или 50 Гц, импортированный из систем с частотой 50 Гц, можно аналогичным образом адаптировать к частоте 60 Гц, удаляя или добавляя кадры и смешивая последовательные кадры. Наилучшее качество материала с частотой 50 Гц обеспечивается цифровым анализом движения.

Современные цифровые системы

Цифровое видео лишено многих ограничений аналоговых форматов передачи и механизмов представления (например, ЭЛТ- дисплея), поскольку оно отделяет процесс захвата от процесса представления. В результате цифровое видео предоставляет средства для захвата, передачи и представления движущихся изображений в исходном формате, как задумано режиссерами (см. статью о пуристах), независимо от различий в видеостандартах.

Программы захвата кадров , использующие MPEG или другие форматы сжатия, способны кодировать последовательности движущихся изображений с исходными соотношениями сторон , разрешением и частотой захвата кадров (24/1,001, 24, 25, 30/1,001, 30, 50, 60/1,001, 60 Гц). ). MPEG и другие форматы сжатого видео, использующие анализ движения , помогают уменьшить несовместимость между различными видеоформатами, используемыми во всем мире.

На приемной стороне цифровой дисплей может независимо отображать последовательность изображений с частотой, кратной ее скорости захвата, тем самым уменьшая видимое мерцание. Большинство современных дисплеев являются «мультисинхронными», что означает, что они могут обновлять изображение со скоростью, наиболее подходящей для представляемой последовательности изображений. Например, мультисинхронный дисплей может поддерживать диапазон частот обновления по вертикали от 50 до 72 Гц или от 96 до 120 Гц, так что он может отображать все стандартные частоты захвата посредством преобразования целочисленной частоты.

Презентация

Сегодня на рынке существует два типа дисплеев: те, которые «мигают» изображением в течение короткой части периода обновления (ЭЛТ, кинопроектор), и те, которые отображают по существу статичное изображение между моментами его обновления (ЖК-дисплеи, ДЛП).

«Мигающие» дисплеи должны работать с частотой не менее 48 Гц, хотя сегодня частота значительно ниже 85 Гц не считается эргономичной.

На этих дисплеях материал с частотой 24–30 Гц обычно отображается со скоростью, в 2, 3 или 4 раза превышающей скорость захвата. Материал с частотой 50 и ~60 Гц обычно отображается с исходной частотой, обеспечивая очень точное движение без какого-либо размытия. Его также можно отображать с удвоенной скоростью захвата, хотя движущиеся объекты будут выглядеть размытыми или затянутыми, если только промежуточные кадры не рассчитываются с использованием анализа движения, а не просто дублируются.

«Непрерывное» отображение может осуществляться с любым целым числом, кратным скорости захвата — это не имеет значения для зрителя и не может быть различимо визуально. Однако в целом «непрерывные» дисплеи демонстрируют заметное размытие быстро движущихся объектов в видеоматериале с частотой 50 и ~60 Гц (даже если время отклика у них мгновенное). Однако есть два новых метода борьбы с размытием видеоматериала на ЖК-дисплее: его можно эффективно преобразовать в «мигающий» дисплей путем соответствующей модуляции его подсветки; и/или его можно использовать с удвоенной скоростью захвата при расчете промежуточных кадров с использованием анализа движения (см. ЖК-телевизор ).

Очевидно, что когда скорость показа не является целым кратным скорости захвата, «плавность» движения на экране пострадает в той или иной степени (ужасно для видео и неприятно для киноматериалов). Обычно это происходит с компьютерными DVD-проигрывателями и ПК-телевизорами PAL, где пользователь не переключает частоту обновления либо по незнанию, либо из-за технических ограничений; которые иногда на самом деле являются искусственными, созданными производителями в расчете на невежество пользователя. Например, некоторые ЖК-панели ноутбуков нельзя (легко) переключить на что-либо, кроме частоты обновления 60 Гц, а некоторые ЖК-дисплеи с входом DVI отказываются принимать цифровой входной сигнал, если его частота обновления по вертикали не соответствует диапазону от 58 до 62 Гц.

Большинство программных DVD-плееров не поддерживают переключение режимов отображения, и даже если оно переключается вручную, они вряд ли синхронизируют обновление кадров с периодами вертикального возврата дисплея. (Есть только мягкая синхронизация с использованием аппаратной двойной буферизации, чего недостаточно для того, чтобы соответствовать аппаратным плеерам по стабильности воспроизведения.)

50 против 60 Гц

Материал с частотой 60 Гц передает движение немного более «плавно», чем материал с частотой 50 Гц. Недостаток в том, что для передачи требуется примерно на 1/5 больше полосы пропускания, если все остальные параметры изображения (разрешение, соотношение сторон) равны. «Приблизительно», потому что методы межкадрового сжатия, такие как MPEG , немного более эффективны при более высоких частотах кадров, поскольку последовательные кадры также становятся немного более похожими.

Однако существуют технические и политические препятствия для принятия единого всемирного видеоформата. Важнейшая техническая проблема заключается в том, что зачастую освещение сцены осуществляется лампами, мерцающими с частотой, соответствующей частоте местной сети . Например, ртутное освещение, используемое на стадионах (вдвое чаще частоты сети). Захват видео в таких условиях должен производиться с соответствующей скоростью, иначе цвета на экране будут плохо мерцать. Даже лампа накаливания переменного тока может стать проблемой для камеры, если ее мощность недостаточна или срок ее службы подходит к концу.

Необходимость выбора единого универсального видеоформата (ради глобального обмена материалами) в любом случае должна стать неактуальной в эпоху цифровых технологий. Тогда директор по видеопроизводству сможет свободно выбирать наиболее подходящий формат для работы, а видеокамера станет глобальным инструментом (сейчас рынок очень фрагментирован).

См. также

• Раскрытие формата 3:2 — метод преобразования частоты кадров фильма в частоту кадров телевидения с использованием чересстрочной развертки.
• Деинтерлейсинг , преобразование чересстрочного видеосигнала в не чересстрочный.
• Частота кадров
• Чересстрочное видео
• Старейшая телевизионная станция
• Прогрессивная развертка , противоположная чересстрочной развертке; изображение отображается построчно

Внешние ссылки

• «Преобразование временной скорости» — очень подробное руководство о визуальных помехах телевидения, видео и ПК (Веб-архив/Wayback Machine), версия от 20 мая 2017 г.