Цифровые тормоза и глюки на изображении

Перед Вами вторая часть самой страшной статьи о цифре и её глюках, поэтому, если ещё не читали, для моральной подготовки начните с первой части: 50 и 100 Гц bf

Разьве мы виноваты, что мир вокруг нас - не цифровой, а простой аналоговый? bn А наши глаза?, кто-нибудь имеет "цифровое" зрение? Чему ж тут удивляться, что попытки сначала оцифровать сигнал, а потом перевести его обратно, в аналоговый, не всегда приводят к хорошему результату. Давайте определимся с понятиями:

  • Аналоговый сигнал (аналог) - сигнал, непрерывно изменяющийся во времени, в нашем случии это всё то, что мы видим глазами и слышим ушами
  • Цифровой сигнал (цифра) - набор кодов, состоящих из "0" и "1", которым кодируется обычный аналоговый сигнал
  • Оцифровка - это процесс преобразования каждого элемента аналогового сигнала в цифровой код, устройства, позволяющие это делать, называются АЦП (Аналого Цифровой Преобразователь), логично, что обратный процесс - перевод цифрового кода в аналоговый сигнал, выполняют ЦАП (Цифро Аналоговые Преобразователи)
  • Оцифровка аналогового сигнала
  • Давайте опустим сложные определения, физико-технические подробности и сосредоточимся на самом процессе оцифровки. Перед Вами график (синусоида), представим, что это - обычный звук (типа пи-и-и-и...)

    Оцифровка аналогового сигнала

    Как видите, линия на графике (амплитуда) изменяется постоянно в каждый момент времени. Преобразователь (АЦП) сканирует сигнал с определёнными промежутками времени (частотой дискретизации) и записывает его значение (количество которых, кстати, тоже ограничено возможностями АЦП). Это значение будет держатся до тех пор, пока не произойдёт очередное сканирование и значение не поменяется. Что происходит с линией амплитуды между периодами сканирования - преобразователь не знает. Как видите, на входе мы имели плавную линию, а на выходе - ступенчатую (это называется дискретизированный сигнал)

    Дискретизированный сигнал

    Так как наши головы (глаза и уши) пока ещё не оборудованы встроенным USB разъёмом, приходится цифровой сигнал декодировать (переводить его обратно, в аналоговый). На этом этапе так же возникают ошибки, потому что нужно восстановить плавность и непрерывность из "кусочного-нарезанного" сигнала. В результате двойного преобразования (аналога - в цифру и цифры - в аналог) накопленные ошибки могут неслабо исказить исходный звук или изображение

    Восстановленный сигнал

    Конечно же, частота сканирования в современных преобразователях очень большая, а шаг - очень маленький, поэтому они способны увидеть и определить малейшие изменения в сигнале, отсюда и качество цифровой записи (фотографий, звука, фильмов), но вернёмся к "нашим баранам" - телевизорам и знакомым простым цветным картинкам ab

  • Цветовые пятна - ошибки индексации
  • Не знаю, как Вам, а мне не нравятся фильмы, полностью оцифрованные (как Беовульф), был бы это мультик - там всё понятно и претензий нет никаких, но когда пытаются преподнести "обманку" под реальный мир... Нельзя полностью оцифровать бурный поток воды, горящий огонь, шелест листьев на деревьях... они не вписываются ни в одно уравнение (которые называются уравнениями движения), компьютеру за ними не угнаться bl

    Мультфильмы и фильмы с огромным количеством компьютерных спецэффектов будут всегда чёткими и красивыми, так как все цвета в них - проиндексированы. Однако, как бы не старались специалисты компьютерной графики, наш глаз обмануть трудно, он всё равно увидит и отличит живое изображение от искусственно созданного. Посмотрите, как хорошо видна разница между живой фотографией и компьютерным клоном:

    Аналоговое и оцифрованное изображение человека

    Несмотря на то, что актёры были облеплены огромным количеством датчиков, глаз упорно видит только графику и отказывается верить в то, что изображение - реально

    Комьютерная анимация человека

    Реальный сигнал имеет слишком большое количество оттенков, техника не успевает поймать их все и обработать, поэтому, при просмотре аналогового сигнала на 100Гц телевизорах, можно было лицезреть что-то подобное:

    Аналоговй сигнал на 100Гц телевизорах

    Телевизор индексировал цвета, как мог, но поймать все оттенки, особенно в движении - многим это было не под силу из-за слабости процессора и сложности процесса обработки

  • Пиксельные ошибки сложения
  • Вы ещё не забыли, что такое прогрессивная развёртка? При обычном сигнале (чересстрочном) телевизору (с цифровой обработкой сигнала) нужно из двух полукадров сформировать четыре полных кадра (для 100Hz), откуда же их взять? Для того, чтобы дополнительные кадры появились, в телевизорах была схема "запоминания". Она запоминала первый полукадр и задерживала его до появления в сигнале второго полукадра. Схема "складывала" их и получался целый кадр (из всех строк: чётных и нечётных). Именно его лучи кинескопа или цифровая матрица должны прописать. Прописали, теперь можно было пойти на перекур, так как, до появления следующего полукадра из сигнала, делать было толком нечего, а что-то делать надо bn

    Именно в этом заключалось основное "проклятие" 100Гц телевизоров, работающих на обычном сигнале. Формировать кадры было не из чего, приходилось что-то "мудрить": прописывать один и тот же кадр несколько раз, складывать полукадр из прошлого кадра с полукадром из нового или просто "делать вид", что прописываются реальные полнострочные кадры, прописывая "вспомогательные кадры" между основными. В результате всех "сложений", на движущихся объектах часто возникали "пиксельные" ошибки, которые было хорошо видно на крупных планах или при просмотре ТВ с близкого расстояния. Если простой ТВ прописывал всё плавно и последовательно, согласно входного сигнала (оригинал и с увеличением):

    Аналоговое увеличение

    то цифровые - могли произвести "сложение и обработку" примерно вот так:

    Пиксельные ошибки сложения

    Появление видеокамер с прогрессивной развёрткой заметно и намного снизило количество ошибок, они давали 25 полноценных (а не 50 чересстрочных) кадров, а профессиональные - до 200 ay Теперь есть из чего формировать реальные кадры на телевизоре при съёмке новых фильмов и программ, а из "старого кина" - Вы уж простите, никаких 100 или 200Гц не сделать ( да и из 25 полноценных - тоже, где брать ещё три кадра для 100 Гц? ah )

  • Лишние кадры
  • Как Вы уже поняли, для того, чтобы смотреть фильм на телевизоре с развёрткой 100Гц, нужно (в идеале и это будет правильно) иметь четыре полноценных кадра в секунду на входе (в принимаемом сигнале). Так как это, на данный момент, практически невозможно, на изображении появляются "тормоза", хорошо видимые нашему глазу. Из-за искусственного создания схемой дополнительных кадров, изображение "задерживается" на экране чуть дольше, чем положено, а его смена происходит очень быстро

    Мощные фильтры и компенсаторы движения пытаются сгладить этот процесс, однако, удаётся это далеко не всегда. В итоге, наши глаза "видят" один кадр вдвое дольше, чем нужно. Что из этого получается, кроме усталости глаз, читайте далее bs

    Перед Вами маленький фрагмент известного фильма (несколько секунд)

    Если смотреть это на телевизоре (или мониторе) с нужной частотой развёртки - всё плавно и красиво, никаких "смазанностей" мы не заметим (глаза последовательно сканируют кадр за кадром и не напрягаются). Теперь разложим его по кадрам, "время вырезки" одного кадра соответствует реальной частоте развёртки:

    Раскадровка развёртки

    Как видите, первый кадр - чёткий, 2 и 3 - смазаны (пошло движение), а последний (он восьмой по счёту) опять чёткий. Теперь вопрос: каким образом фильтр с "компенсатором" должен сложить первый и второй кадр, чтобы получить дополнительные кадры? У него выбор: либо "размазать", либо добавить несуществующую резкость. И то, и другое является "лишним" для наших глаз, так как в реальной жизни они бы "увидели" этот фрагмент именно так (со смазанными кадрами), наши глаза "не работают" на частоте 100Гц, у них больше инерционность bk

    Кто не верит, попробуйте, когда будете быстро ехать в машине, понаблюдать за рёбрами забора или дорожной разметкой из бокового окна. Получается выхватить каждое ребро или пунктир чётко и резко? Не-а, глаза переходят в режим "плавного просмотра" и способны "выхватить" только одну "деталь" и то, если за ней начать "следить" глазом, да ещё и с поворотом головы be

  • Ненужная резкость
  • Если формат записи и воспроизведения идентичны - никаких проблем нет, представим ситуацию, при которой частота кадров записи выше, чем частота работы телевизора или телевизор - просто "тормоз" и не успевает отрабатывать изменения в сигнале на своём экране (а тормозить он будет, так как процесс обработки, оцифровки и нескольких последующий преобразований с выдачей аналогового сигнала в конце - занимает много времени и "сил"). Смотрим фрагмент (маленький):

    Это всем известная "покадровая анимация", эффект резких движений скелетов и отсутствие плавности был из-за того, что в каждом кадре "скелет" прорисован чётко, в отличии от движений реальных актёров. Обратите внимание на мечи, нас абсолютно не напрягает "размазанность" меча главного героя, а вот резкие скачки скелета:

    Живое жвижение и анимацияРезкие переходы в анимации

    Вот что может быть, когда "время выдержки" (съёмки) слишком мало, а пауза между кадрами - большая. Добиваясь повышенной чёткости записи сигнала, этот "эффект" нужно учитывать, особенно при очень резких движениях или больших скоростях снимаемого объекта:

    Движение с большой скоростью

    Для того, чтобы снять эту машину в нужной резкости и показать её движение без эффекта замедления - нужна, как минимум, 500Гц аппаратура, причём: и камера, и телевизор. Кому мало, можете ради эксперимента, подвигать быстро "мышкой" и последить за её указателем на экране глазами. Ну как? dq

  • Прощай, шумы - Здравствуй, квадраты
  • Цифровая обработка и передача сигнала полностью убирает шумы (всем известную "рябь" на изображении), однако, при плохом сигнале или ошибках обработки, особенно на динамичных или сложных (небо, вода) сюжетах, "рябь" сменилась квадратами (единички с нулями перепутались и цифровой "код" частично повреждён)

    Квадраты на изображении

    Такую "квадратную картинку" можно часто наблюдать при плохом сигнале со спутника или просмотре некачественной записи с ДВД. Слишком сложные участки изображения, при неправильной обработке или слабом процессоре, так же могут быть заменены "квадратами" со "средним значением" цветовой гаммы в нём

    Что нас ждёт дальше, поживём - увидим, а пока... борьба цифры с аналогом продолжается ab

    Ссылка на этот материал: http://rem-tv.net/publ/3-1-0-52

    Комментарии

    Аватар пользователя Влад

    Такие тормоза видел только при некачественном сигнале

    Аватар пользователя Андрей

    А ещё - при несостыковке форматов бывает

    Аватар пользователя fanttom

    Очень познавательная статья Ay

    Аватар пользователя Андрей

    fanttom, большое спасибо, все наши статьи написаны "вручную", мы старались сделать их максимально интересными для наших читателей Bs

    Аватар пользователя Гость

    спасибо со скелетами прикол конечно ))) а все равно не понял что лучше 50гц или 100гц, технологии ушли давно в перед , уже 2015 год

    Аватар пользователя Андрей

    Гость, эта статья писалась несколько нет назад, дата сбилась при переезде сайта. На данный момент понятие частоты развёртки не актуально, хотя покупателей продолжают грузить 200 и 500-герцовыми телевизорами

    Аватар пользователя  Дарья

    Спасибо за статью, очень познавательно! Может вы напишете еще одну статью, на тему 4к и частоты развертки. Консультанты уверяют, что для 4к телевизоров обязательна высокая частота, как вы думаете, с чем это связано и будет ли видна разница на 100 гц, 200гц, и допустим 800гц телевизоре формата изображения 4к?

    Аватар пользователя Андрей

    Дарья, чтобы написать настоящую статью, нужно эти аппараты "на зуб" попробовать, пока что с ними дела не имел. Насколько знаю, даже сигнала (кроме рекламных роликов) для них нет. Как смотреть любое кино прошлых лет?

    Аватар пользователя дима

    автору 5 с плюсом.
    приятно почитать кто в этом понимает.

    Аватар пользователя Андрей ещё один

    Всё понятно и не скучно! Спасибо. Ставлю закладку на ваш сайт, хочется ещё почитать. Bs

    Аватар пользователя Андрей

    Спасибо, очень рад, что вам понравилось Ab

    Аватар пользователя Проходимец

    Спасибо за статью! Класная.

    Добавить комментарий

    Гостевой