Что означает чересстрочная развертка

Деинтерлейсинг

Плазменные панели ALiS и старые ЭЛТ могут напрямую отображать чересстрочное видео, но современные компьютерные видеодисплеи и телевизоры в основном основаны на ЖК-технологии, которая в основном использует прогрессивную развертку.

Большинство современных компьютерных мониторов не поддерживают чересстрочное видео, за исключением некоторых устаревших режимов среднего разрешения (и, возможно, 1080i в качестве дополнения к 1080p), а поддержка видео стандартного разрешения (480 / 576i или 240 / 288p) особенно редка, учитывая его большое количество более низкая частота строчной развертки по сравнению с типичными режимами аналогового компьютерного видео «VGA» или более высокими значениями. Воспроизведение чересстрочного видео с DVD, цифрового файла или аналоговой карты захвата на экране компьютера вместо этого требует некоторой формы деинтерлейсинга в программном обеспечении проигрывателя и / или графическом оборудовании, которое часто использует очень простые методы для деинтерлейсинга. Это означает, что чересстрочное видео часто имеет видимые артефакты в компьютерных системах. Компьютерные системы могут использоваться для редактирования чересстрочного видео, но несоответствие между компьютерными системами отображения видео и форматами чересстрочного телевизионного сигнала означает, что редактируемый видеоконтент не может быть просмотрен должным образом без отдельного оборудования для отображения видео.

В телевизорах текущего производства используется система интеллектуальной экстраполяции дополнительной информации, которая будет присутствовать в прогрессивном сигнале полностью из чересстрочного оригинала. Теоретически: это просто проблема применения соответствующих алгоритмов к чересстрочному сигналу, поскольку вся информация должна присутствовать в этом сигнале. На практике результаты в настоящее время варьируются и зависят от качества входного сигнала и количества вычислительной мощности, приложенной к преобразованию. Самым большим препятствием в настоящее время являются артефакты в чересстрочных сигналах более низкого качества (как правило, широковещательное видео), поскольку они не совпадают от поля к полю. С другой стороны, чересстрочные сигналы с высокой скоростью передачи данных, например, от видеокамер HD, работающих в режиме максимальной скорости передачи данных, работают хорошо.

История

В 1930 году немецкий инженер Telefunken Фриц Шретер впервые сформулировал и запатентовал концепцию разделения одного видеокадра на чересстрочные строки. В США инженер RCA Рэндалл С. Баллард запатентовал ту же идею в 1932 году. Коммерческое внедрение началось в 1934 году, когда экраны электронно-лучевых трубок стали ярче, увеличивая уровень мерцания, вызванного прогрессивным (последовательным) сканированием.

В 1936 году, когда Великобритания устанавливала аналоговые стандарты, первая электроника привода ЭЛТ на основе термоэмиссионного клапана могла сканировать только около 200 строк за 1/50 секунды (то есть с частотой повторения примерно 10 кГц для пилообразного сигнала горизонтального отклонения). Используя чересстрочную развертку, можно было бы наложить пару полей из 202,5 ​​строк, чтобы получился более четкий кадр из 405 строк (около 377 строк используется для фактического изображения, но меньше видимых на лицевой панели экрана; на современном языке стандартом будет «377i» ). Частота вертикальной развертки осталась 50 Гц, но видимая детализация заметно улучшилась. В результате эта система вытеснила 240-строчную механическую систему прогрессивной развертки John Logie Baird, которая в то время также проходила испытания.

Чересстрочная развертка и компьютеры

Источник

Что такое чересстрочная развёртка? C точки зрения цифровых технологий

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.

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.

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.

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.

Источник

Чересстрочная развертка

Рис 3.4 Образование чересст­рочного растра

а — построчная развертка при г = 7, /к =

=50 Гц, fz = 350 Гц, б — чересстрочная

развертка при z = 7,/к = 25 Гц, /п = 50 Гц,

Избыточность числа кадров в ТВ передаче изображений устраня­ется путем применения чересстрочной развертки, сущность которой заключается в том, что полный кадр изображения развертывается, т.е. передается и воспроизводится за два полукадра или поля. В первом поле развер­тываются нечетные строки растра, а во втором — четные. Каждое из полей представляет собой растр с уменьшенным вдвое числом строк и содержит половину зрительной информации о передаваемом изо­бражении. Так как критическая частота мельканий практически не зависит от числа строк в растре, то частота передачи полей, равная или большая , обеспечивает восприятие изображения без мелька­ний, при этом скорость передачи информации снижается вдвое. В ТВ вещании приняты номинальная частота полей — 50 Гц и номинальная частота кадров — 25 Гц.

Снова проследим процесс образования построчного растра. Он иллюстрируется рис. 3.4,а. Если развертывающий элемент движется по горизонтали с постоянной скоростью, прочерчивая строку растра, и одновременно смещаемся по вертикали, то к исходу строки он сме­стится вниз относительно ее начала на h/z, т.е. на ширину одной строки. Быстро возвращаясь к началу строки (длительностью обрат­ного хода пренебрегаем), развертывающий элемент займет положе­ние, соответствующее началу второй строки и т.д.

Если в качестве исходного принять растр с нечетным числом строк (рис. 3.4,а) и уменьшить вдвое скорость развертки по горизонтали, то в каждом поле получится нецелое, вдвое меньшее число строк (рис. 3.4,6), но из-за разности в полстроки строки растров первого и второго полей окажутся взаимно сдвинутыми по вертикали на ширину одной строки полного растра, т.е. строки второго поля будут ложиться между строками первого. За два периода вертикальной развертки образуется полный растр, аналогичный по числу строк исходному.

Таким образом, с помощью чересстрочной развертки удается при неизменных числе строк и частоте мельканий в 2 раза снизить скорость строчной развертки, т.е. скорость передачи ТВ информации, и тем самым уменьшить вдвое верхнюю граничную частоту спектра сигнала изображения. В результате спектр сигнала для отечественного стан­дарта занимает полосу частот от = 50 Гц до 6 МГц.

При чересстрочном разложении каждая строка повторяется через поле ( = z = ), т.е. каждый кадр один раз.

Для формирования чересстрочной развертки должны быть обес­печены следующие условия:

а) нечетное число строк в кадре, т.е. z = 2m+1, где m — целое число;

б) жесткая связь частот развертки по строке и по кадру, т.е. 2 =
=z = (2m+l) , обеспечивающая в каждом поле целое число строк
с половиной строки.

Обычно оба эти условия выполняются при формировании частот горизонтальной и вертикальной разверток от общего задающего гене­ратора с частотой 2 путем деления на 2 и на z соответственно.При построчной развертке или ,отсюда и видно, что частота задающего генератора ,а частота кадровой развертки .

При чересстрочной развертке частота задающего генератора будет равна удвоенной частоте строчной развертки, а частоты строк и кадров получаются путем деления на 2 и Z.

Действительно, или , то есть

. Отсюда , а .

Чересстрочная развертка, кратность которой равна 2:1, применя­ется во всех системах вещательного ТВ для сокращения полосы час­тот, занимаемой ТВ сигналом. В принципе возможно дальнейшее со­кращение полосы частот путем применения чересстрочного разложения с кратностью 3:1 или 4:1. В этом случае кадр будет состо­ять из трех или четырех отдельных полей, строки которых последова­тельно воспроизводятся друг под другом. По ряду причин такие раз­вертки не применяются. Становятся заметными мелькания строк, так как четные (или нечетные) поля повторяются с частотой 12,5 Гц (при кратности 4:1), а угловое расстояние между строчками одного поля становится больше минимального угла разрешения глаза. Уменьша­ется четкость изображения объектов, движущихся в вертикальном направлении с относительно большой скоростью. Ухудшается воспро­изведение вертикальных границ объектов, движущихся с относитель­но большой скоростью в горизонтальном направлении (границы ста­новятся зигзагообразными и наклонными). Наконец, появляется эффект скольжения строк, которые как бы перемещаются сверху вниз в пределах одного кадра. Объясняется это тем, что, когда луч чертит какую-либо строку четвертого поля, яркость ее максимальна. В то же время расположенные выше строки, прочерченные соответственно в третьем, втором и первом полях, имеют спадающий по яркости во времени характер. Создается эффект последовательного во времени разнояркостного свечения и, как следствие, — перемещение строк. Эти недостатки присущи любой чересстрочной развертке, но при кратности 2:1 они менее заметны.

В последние годы увеличились размеры экранов телевизоров, зна­чительно возросли яркость, контраст и четкость изображения. В этих условиях сильнее стали проявляться недостатки чересстрочной раз­вертки — мелькания изображения с частотой полей и мелькания от­дельных строк четного (или нечетного) поля с частотой 25 Гц. Мелька­ние с частотой полей стало особенно заметно на новых кинескопах с повышенной яркостью, предназначенных для работы в условиях боль­шой внешней засветки. Это явление усугубляется тем, что зрители часто наблюдают изображения на малом расстоянии от экрана, т.е. под большим углом зрения, когда в процесс наблюдения вовлекаются периферийные участки сетчатки, обладающие меньшей инерционно­стью к световому возбуждению.

Мелькания отдельных строк поля хорошо заметны на горизон­тальных границах и наклонных структурах изображения, особенно при наблюдении буквенно-графической информации с близкого рас­стояния. Эти искажения приводят к уменьшению реальной четкости изображения по вертикали. Так, установлено, что 625-строчное изображение с построчной разверткой эквивалентно примерно 900-строчному изображению с чересстрочной разверткой.

3.3. Верхняя и нижняя границы телевизионного спектра[7]

В отличие, например, от звукового радиовещательного сигнала,, телевизионный сигнал имеет во много раз более широкий спектр частот. Если, исходя из практики, принять ширину спектра доста­точно высококачественного звукового сигнала около 12 кГц, а ширину спектра телевизионного сигнала — 6 МГц, то их отноше­ние составит (6-10 6 )/(12-10 3 ) =500 раз. Такой широкий спектр исключает возможность передачи высококачественного телевиде­ния на средних и коротких волнах. Для телевизионного сигнала пригодными оказываются только ультракороткие волны. Основной недостаток ультракоротковолновой связи — передача и прием со­общений только в пределах так называемой прямой видимости (60—80 км) — ограничивает действие телевизионной станции. Это значит, что телезритель может принимать программу только своего относительно близко располо­женного телецентра; его телевизор не имеет технических возможностей непосредственного приема сигнала других, отдаленных телевизионных центров.

Рассмотрим факторы, определя­ющие верхнюю и нижнюю границы телевизионного сигнала. Для непо­движного изображения низкочас­тотная граница определяется чис­лом кадров в секунду (или числом полукадров в секунду при черес­строчной развертке).

На рис. 3.5а приведен простей­ший пример неподвижного изобра­жения в виде двух горизон­тальных полос — одной белой и од­ной черной. Как видно из рис. 3.5б, сигнал, соответствующий этому

Рис. 3.5. К определению ниж­ней границы спектра: а) про­стейший пример неподвижного изображения на экране теле­визора; б) сигнал, соответст­вующий этому изображению.

изображению, представляется в виде импульсов с периодом следова­ния, равным времени передачи кадра Т_к.

Таким образом, нижняя частота спектра телевизионного сигна­ла может быть определена простым соотношением:

(3.1)

= 2 = 50 Гц, (3.2)

где n — число кадров в секунду.

Верхняя граница спектра телевизионного сигнала определяется мельчайшими деталями изображения, которые еще могут быть воспроизведены на экране телевизора. В кинескопе должна быть возможность сфокусировать электронный луч так, чтобы в месте касания экрана (люминофора) его диаметр d_л был равен толщине одной строки dn=h/Z, где h — высота кадра; Z — число строк.

Это значит, что при одинаковых горизонтальной и вертикальной четкостях минимальные раз­меры черных и белых чередующихся элементов вдоль строки и поперек строк должны быть равны диаметру электронного луча (рис. 3.6).

Определим верхнюю границу телевизионного спектра. Для это­го подсчитаем число пар черных и белых элементов на изображе­нии «шахматной доски» (рис. 3.6), состоящей из клеточек, верти­кальный и горизонтальный раз­мер которых равен диаметру развертывающего луча.

Рис. 3.6. К определению верхней границы спектра.

Число пар таких клеточек, передаваемых в секунду, и определит верх­нюю границу спектра телевизионного сигнала.

Число пар на одной строке (к=4/3 — формат кадра): pZ/2.

Число пар на всем кадре: (кZ/2)Z.

Число пар элементов, передаваемых в секунду (n — число кад­ров, передаваемых в сек): (кZ/2)Zn.

Полученное выражение и определяет верхнюю границу спек­тра телевизионных частот:

. (3.3)

Подсчитаем величину верхней границы спектра из общепри­нятых данных: число строк разложения полного кадра Z=625, формат изображения к = 4/3, а число кадров в секунду (с учетом перекрытия критической частоты мельканий) n=50 кадр/с. Под­ставляя эти данные в ф-лу (4.3), получим

. ( )

Таким образом, полоса частот оказывается весьма большой. Сигнал с таким широким спектром трудно усиливать, передавать без искажений по эфиру. Важно также и то, что число телевизи­онных каналов, в отведенном для этого диапазоне, при такой по­лосе будет небольшим.

Для сокращения телевизионного спектра вдвое сейчас повсе­местно в радиовещательном телевидении используется чересстроч­ная развертка. Этот технический прием дает возможность, не вы­зывая неприятных мельканий изображения, снизить число кадров в секунду в два раза, т. е. соответственно уменьшить верхнюю границу спектра в два раза, практически не ухудшая качества изображения.

Число полукадров, передаваемых в секунду n=50 полукад­ров/с, с некоторым запасом перекрывает критическую частоту мельканий; вместе с тем верхняя граница спектра частот телеви­зионного сигнала уменьшается вдвое:

( )

На практике, учитывая влияние апертурных искажений на воспроизведение мелких деталей (§ 2.2.2), а также снижение вер­тикальной четкости за счет строчной структуры телевизионного изображения (§ 2.2.2), верхнюю частоту f_в можно еще уменьшить без заметного ущерба качеству изображения. Таким образом, практическая формула для определения верхней границы телеви­зионного спектра имеет вид

, (3.4)

где практический коэффициент k выбирается в пределах 0,8—0,9. При этом

С учетом времени обратных ходов по строкам и кадрам формула (3.4) принимает вид:

, (3.5)

где p=0.8 коэффициент Келла, учитывающий дискретность растра [5];

—относительное время обратного хода по кадру;

-относительное время обратного хода по строке;

-формат кадра;

-число строк.

Источник

• визитки установка дверей шаблоны →