Все мы в той или иной степени жертвы предубеждений или предвзятости. Кто больше, кто меньше. Субъективность восприятия - ничего не поделаешь. Почти каждый "знает", что аналоговый сигнал - это истина в последней инстанции, а цифровой - это так, суррогат, бледные тени реальных процессов. Но так ли все однозначно? Не будем пытаться объять необъятное - поговорим в контексте "цифра-аналог" только об изображении.
Почему аналог?
Здесь как раз все более или менее очевидно: раз процессы в жизни по природе своей аналоговые, то аналоговое их отображение и будет наиболее адекватным. Оцифровывая аналоговую величину, мы неизбежно вносим погрешность - ошибку квантования. Например, у нас есть возможность оцифровать яркость, разрядность канала яркости примем в один бит. Это значит, что цифровой сигнал будет иметь только две градации яркости - белую и черную. В случае если исходный аналоговый сигнал будет серым, то максимальная ошибка квантования составит 50%. Приняв разрядность канала яркости в два бита, мы уменьшим ошибку квантования до 25%. Ясно, что чем большей будет разрядность, тем ошибка меньше (при популярных восьми разрядах она составляет менее 0,4%). Но ясно и то, что теоретически ошибка будет всегда.Ох уж это разрешение...
При аналоговом формировании изображения, разрешение экрана соответствует разрешению отображаемого сигнала. Иными словами, подается на вход NTSC сигнал - система развертки формирует растр из 480 срок, поменяли сигнал на PAL/SECAM - и вот на экране уже 576 строк. В цифровом варианте, разрешение экрана фиксировано при его изготовлении и от сигнала на входе не зависит. Выпускать сегодня матрицы в 480 или 576 строк вряд ли целесообразно по ряду причин.
Во-первых, мы лишаемся универсальности - это будут либо NTSC, либо PAL/SECAM матрицы, тогда как на ЭЛТ с легкостью воспроизводятся все форматы.
Во-вторых, подавляющее большинство матриц имеют соотношение сторон 16:9, вместо привычных 4:3, и большая часть потребителей либо растягивает изображение из края в край, либо увеличивает картинку, отсекая полосы вверху и внизу кадра. В-третьих, в свете всеобщего движения к телевидению высокой четкости вплоть до 1080 строк, разговоры о 480 или 576 строках выглядят как-то слишком уж консервативно. Все это неизбежно приводит к необходимости масштабирования изображения, что не может не вносить свои погрешности.
Градиенты
Оцифровка сигнала в первую очередь означает ограничение количества возможных вариантов его значений. Другими словами, например, яркость не может уже принимать любое промежуточное значение между черным и белым. Ряд промежуточных значений будет тем длиннее, чем больше разрядность квантования: 2 значения (черный и белый) при 1 бите и уже 256 значений при 8 битах. Это приводит к тому, что вместо сплошной градиентной заливки мы получаем полосы равных яркостей.
На первом рисунке видно, как должна выглядеть градиентная заливка с уменьшающейся яркостью канала красного цвета при 8 битах на цветовой канал.
| Рисунок 1 | Рисунок 2 | Рисунок 3 |
Второй рисунок - та же градиентная заливка при 5 битах на цвет. На третьем рисунке видно, что и при 5 битах на цвет градиентная заливка может выглядеть сплошной, а не как набор полосок. Этот рисунок как раз и иллюстрирует условия, необходимые для получения сплошных градиентов: длина градиентной заливки в пикселях не должна превышать количество промежуточных значений яркости при заданной разрядности цвета. Первый рисунок: разрядность цвета равна 8 битам, длина градиента составляет 256 пикселей. Второй рисунок: разрядность цвета - 5 бит, длина градиента - 256 пикселей, явно заметны полосы.
Третий рисунок: разрядность - 5 бит, длина градиента - 32 пикселя, градиент вновь выглядит сплошным. Из всего сказанного видно, что увеличение разрешения матриц могут только усугубить ситуацию. Если не применять специальных мер - важное замечание.
Так ли ужасна цифра?
Понятно, что оцифрованное изображение теоретически всегда будет отличаться от оригинала. Приходится идти на компромиссы. Впрочем, не в первый раз. Ведь не секрет, что на компромиссы пришлось пойти и в аналоговом телевидении, и на компромиссы немалые.
Вернемся к тому же пресловутому разрешению. Сама идея разложить "сплошную" картинку в растр и есть основной компромисс, без которого телевидение вообще невозможно представить. Сначала изображение разбивается на строки, и тут в цифровом телевидении вообще нет ничего нового. Было непрерывное (в математическом смысле) по вертикали изображение оригинала, а получилось из набора строк - не что иное как оцифровка аналоговой высоты картинки в 480 или 576 дискретных полос. В цифровом телевидении строка состоит из отдельных точек, яркость на протяжении аналоговой строки меняется произвольно. Хотя и здесь не совсем произвольно - верхняя частота пропускания видеоусилителя ограничивает количество отображаемых телевизионных линий (ТВЛ), что характеризует максимально возможную четкость картинки. Четкость - сколько можно поставить чередующихся черных и белых точек подряд, пока они еще различимы, а не слились в единую серую полосу. Своеобразный аналог количества точек в строке цифровой матрицы.
Цвет. Как известно, он определяется длиной волны. Чем короче длина волны, тем дальше цвет смещается от красного к фиолетовому. Теоретически бесконечное количество значений длин волн от красного до фиолетового заменено в цветном телевидении (кино и фотографии) комбинацией трех фиксированных значений, соответствующих красному, зеленому и синему цветам. Впрочем, справедливости ради стоит отметить, что в аналоговом варианте остается возможность (теоретическая) бесконечного количества яркостей каждого из каналов, а значит бесконечного количество синтезированных цветов. В чем здесь компромисс? Сумма трех синусоид с различными амплитудами и частотами не дает в результате синусоиду требуемой частоты и амплитуды, а дает сигнал довольно сложной формы. Необходимый же цвет мы видим только благодаря физиологическим особенностям нашего зрения.
Компрессия. Чтобы уменьшить требуемую для передачи сигнала ширину полосы, были приняты следующие решения: чересстрочная развертка и единый цвет для двух соседних точек (иными словами цветная четкость ниже яркостной - вдвое). Решение по цвету было основано на такой особенности зрения человека, как вдвое более высокая чувствительность глаза к яркости, чем к цвету. "В темноте все кошки серы" - при слабом освещении объекты еще видимы, но цвета уже неразличимы. Чересстрочная развертка в каждый момент времени показывает только одно поле - четное или нечетное, а не весь кадр. Если в кадре появляется горизонтальная линия толщиной в одну строку, то явно видно ее мерцание. Большое же количество в кадре таких линий приводит к дрожанию всей картинки. Зазубренные края движущихся объектов затрудняют компьютерную обработку чересстрочного видео и его демонстрацию на устройствах с прогрессивной разверткой. "Побочный эффект" такой развертки - более плавное движение в кадре при правильном воспроизведении. Правильном - это не на прогрессивной развертке и с правильным чередованием полей. Второй вариант (ошибка с чередование полей) смотрится совсем ужасно - движущиеся объекты довольно сильно дергаются в противоположную движению сторону.
Итак...
Что же мы имеем в результате? Раз аналоговое телевидение явилось результатом продуманного компромисса между техническими возможностями и особенностями человеческого зрения, то разумно ожидать такого же подхода и к телевидению цифровому. Сравнение технологий зачастую проходит не совсем корректно, и, по уже сложившейся традиции, на аналоговой "стороне поля". Рассмотрим перечисленные "грехи" цифрового телевидения и методы борьбы с ними.
Разрешение. Переход к телевидению высокой четкости уменьшает угловые размеры отдельных пикселей, снижая эффект зазубренности наклонных линий и пикселизацию изображения. Если демонстрироваться на цифровом экране будет изображение, сформированное цифровыми же методами да еще и в "родном" разрешении, то проблемы масштабирования отпадут сами собой. Впрочем, использование все более совершенных алгоритмов интерполяции уже сегодня дает очень качественную картинку, получаемую и из SD сигнала. Вот почему лучше сразу опираться на разрешение Full HD при разговоре о цифровом телевидении - даже при просмотре телевидения стандартной четкости. Полностью отказаться от масштабирования при переходе на HDTV не получится - само HD содержит стандарты 720 и 1080 строк, огромен архив телепрограмм у вещателей в 480 и 576 строк, да и интернет-вещание предлагает невероятнейшие форматы от 288 до 1080 строк.
Градиенты. Как мы уже видели, увеличение разрешения может привести к нарушению плавности градиентов. Но, во-первых, требование "один тон в один пиксель" имеет значение только в том случае, если пиксель довольно маленький - на уровне слияния отдельных пикселей. Если представить себе пиксели размером в сантиметр и смотреть на картинку с полуметрового расстояния - то мы опять увидим полосы вместо градиента. И если угловые размеры пикселей будут очень малы, то несколько пикселей одного цвета подряд будут выглядеть как один, а весь градиент - непрерывным.
А во-вторых, все больше телевизоров содержат процессоры обработки сигнала с разрядностью в 10 бит вместо восьми (кстати, как и большинство профессиональных видеокамер), что позволяет отображать более миллиарда цветов, вместо 16,7 миллионов. Иными словами, если на входе будет даже сигнал SD с 8 битами на канал, цвет промежуточных (добавочных) пикселей в сгенерированном из него HD сигнале будет рассчитан более тонко, что даст непрерывный градиент и на матрицах очень большого размера при просмотре даже с малого расстояния.
На четвертом рисунке показано, как близко друг к другу расположены яркости красного, отличающиеся на одну единицу при 8-ми битах на канал - чтобы увидеть разницу, необходимо чтобы Ваш монитор реально показывал 16,7 миллионов цветов.
| Рисунок 4 |
Компрессия. Тут тоже есть как минимум два пути. Первый - это непрерывное совершенствование самих алгоритмов сжатия, причем алгоритмов, учитывающих физиологические особенности зрения. Второй - это большая гибкость цифровых технологий, по сравнению с аналоговыми. Это и возможность использования переменных коэффициентов компрессии, и возможность выхода на алгоритмы сжатия без потерь. Если изменение алгоритма в аналоговой аппаратуре означало полную замену схемы, то в цифровой электронике зачастую обходятся очередной "перепрошивкой" - перепрограммированием аппаратуры без замены аппаратных средств.
Если цифровые технологии в телевидении превзойдут возможности человеческого глаза, а это уже сегодня близко к осуществлению, то стоит ли ломать копья по поводу различий в аналоге и цифре? Ведь многие уже сегодня не видят различий на качественных образцах.
Оставить комментарий