Разделение кадров: техника увеличения частоты обновления видео

Введение

Техника удвоения воспринимаемой частоты кадров видеодисплея

Интерляссное видео (также известное как интерляссное сканирование) — это техника удвоения воспринимаемой частоты кадров видеодисплея без увеличения требуемой полосы пропускания. Интерляссный сигнал содержит два поля видеокадра, захваченных последовательно. Это улучшает восприятие движения зрителем и снижает мерцание за счет использования феномена фи. Фактически это удваивает временное разрешение (также называемое темпоральным разрешением) по сравнению с неинтерляссным видео (при равных частотах кадров и полей). Для отображения интерляссных сигналов требуется дисплей, способный отображать отдельные поля последовательно. ЭЛТ-дисплеи (CRT) и плазменные дисплеи ALiS предназначены для работы с интерляссными сигналами. Интерляссное сканирование — это один из двух распространенных методов "рисования" видеоизображения на экране электронного дисплея (второй — прогрессивное сканирование), заключающийся в сканировании или отображении каждой строки или ряда пикселей. Эта техника использует два поля для создания одного кадра. Одно поле содержит все нечетные строки изображения, другое — все четные. Например, телевизионный приемник, использующий систему PAL (Phase Alternating Line), сканирует 50 полей в секунду (25 нечетных и 25 четных). Два набора по 25 полей совместно создают полный кадр каждые 1/25 секунды (или 25 кадров в секунду), но при использовании интерляссного сканирования создается новый полукадр каждые 1/50 секунды (или 50 полей в секунду). Для отображения интерляссного видео на дисплеях с прогрессивным сканированием при воспроизведении применяется деинтерляция видеосигнала (что приводит к увеличению задержки ввода). Европейский вещательный союз выступает против использования интерляссного видео в производстве и вещании. Они рекомендуют 720p 50 кадров в секунду (fps) в качестве текущего формата производства и работают с индустрией над внедрением 1080p 50 в качестве перспективного стандарта производства. 1080p 50 обеспечивает более высокое вертикальное разрешение, лучшее качество при более низких битрейтах и упрощает преобразование в другие форматы, такие как 720p 50 и 1080i 50. Основной аргумент заключается в том, что независимо от сложности алгоритма деинтерляции, артефакты в интерляссном сигнале невозможно полностью устранить, поскольку часть информации теряется между кадрами. Несмотря на аргументы против, организации, разрабатывающие телевизионные стандарты, продолжают поддерживать интерляссное сканирование. Оно по-прежнему используется в цифровых форматах передачи видео, таких как DV, DVB и ATSC. Новые стандарты сжатия видео, такие как High Efficiency Video Coding (HEVC), оптимизированы для видео с прогрессивным сканированием, но иногда поддерживают и интерляссное видео.

Interlaced video (also known as interlaced scan) is a technique for doubling the perceived frame rate of a video display without consuming extra bandwidth. The interlaced signal contains two fields of a video frame captured consecutively. This enhances motion perception to the viewer, and reduces flicker by taking advantage of the phi phenomenon. This effectively doubles the time resolution (also called temporal resolution) as compared to non interlaced footage (for frame rates equal to field rates). Interlaced signals require a display that is natively capable of showing the individual fields in a sequential order. CRT displays and ALiS plasma displays are made for displaying interlaced signals. Interlaced scan refers to one of two common methods for "painting" a video image on an electronic display screen (the other being progressive scan) by scanning or displaying each line or row of pixels. This technique uses two fields to create a frame. One field contains all odd numbered lines in the image; the other contains all even numbered lines. A Phase Alternating Line (PAL) based television set display, for example, scans 50 fields every second (25 odd and 25 even). The two sets of 25 fields work together to create a full frame every 1/25 of a second (or 25 frames per second), but with interlacing create a new half frame every 1/50 of a second (or 50 fields per second). To display interlaced video on progressive scan displays, playback applies deinterlacing to the video signal (which adds input lag). The European Broadcasting Union has argued against interlaced video in production and broadcasting. They recommend 720p 50 fps (frames per second) for the current production format—and are working with the industry to introduce 1080p 50 as a future proof production standard. 1080p 50 offers higher vertical resolution, better quality at lower bitrates, and easier conversion to other formats, such as 720p 50 and 1080i 50. The main argument is that no matter how complex the deinterlacing algorithm may be, the artifacts in the interlaced signal cannot be completely eliminated because some information is lost between frames. Despite arguments against it, television standards organizations continue to support interlacing. It is still included in digital video transmission formats such as DV, DVB, and ATSC. New video compression standards like High Efficiency Video Coding are optimized for progressive scan video, but sometimes do support interlaced video.

Описание

Прогрессивное сканирование захватывает, передает и отображает изображение подобно тексту на странице – строка за строкой, сверху вниз. Развертка с переплетением в стандартных ЭЛТ-дисплеях также выполняет подобное сканирование, но в два прохода (два поля). Первый проход отображает первую и все нечетные строки, от верхнего левого угла до нижнего правого угла. Второй проход отображает вторую и все четные строки, заполняя пробелы после первого сканирования. Такое сканирование поочередных строк называется разверткой с переплетением (интерлейсингом). Поле – это изображение, содержащее только половину строк, необходимых для формирования полного кадра. Устойчивость зрительного восприятия заставляет глаз воспринимать два поля как единое непрерывное изображение. В эпоху ЭЛТ-дисплеев послесвечение фосфора дисплея усиливало этот эффект. Развертка с переплетением обеспечивает полную вертикальную детализацию при той же полосе пропускания, что и при полном прогрессивном сканировании, но с кажущейся вдвое большей частотой кадров и частотой обновления. Для предотвращения мерцания все аналоговые системы вещательного телевидения использовали развертку с переплетением. Идентификаторы формата, такие как 576i50 и 720p50, указывают частоту кадров для прогрессивных форматов, но для форматов с переплетением обычно указывают частоту полей (которая вдвое превышает частоту кадров). Это может вводить в заблуждение, поскольку отраслевые стандарты SMPTE всегда оперируют частотой кадров, а не частотой полей. Чтобы избежать путаницы, SMPTE и EBU всегда используют частоту кадров для обозначения форматов с переплетением, например, 480i60 соответствует 480i/30, 576i50 соответствует 576i/25, а 1080i50 соответствует 1080i/25. Эта условность подразумевает, что один полный кадр в сигнале с переплетением состоит из двух последовательных полей.

Преимущества переплетения

Одним из наиболее важных факторов в аналоговом телевидении является полоса пропускания сигнала, измеряемая в мегагерцах. Чем больше полоса пропускания, тем дороже и сложнее вся производственная и вещательная цепочка. Это включает в себя камеры, системы хранения, вещательные системы и системы приема: наземное, кабельное, спутниковое телевидение, интернет и дисплеи конечных пользователей (телевизоры и компьютерные мониторы). При фиксированной полосе пропускания разложение на полукадры (interlace) обеспечивает видеосигнал с вдвое большей частотой обновления дисплея для заданного количества строк (в отличие от прогрессивного сканирования с аналогичной частотой кадров, например, 1080i при 60 полукадрах в секунду против 1080p при 30 полных кадрах в секунду). Более высокая частота обновления улучшает восприятие движущихся объектов, поскольку их положение на дисплее обновляется чаще, а при неподвижном объекте человеческое зрение объединяет информацию из нескольких похожих полукадров, создавая такое же воспринимаемое разрешение, как и при прогрессивном полном кадре. Однако эта техника эффективна только при наличии исходного материала с более высокой частотой обновления. Кинофильмы обычно записываются с частотой 24 кадра в секунду и, следовательно, не выигрывают от разложения на полукадры – решения, которое снижает максимальную полосу пропускания видео до 5 МГц, не уменьшая эффективную частоту сканирования изображения в 60 Гц. При фиксированной полосе пропускания и высокой частоте обновления видео с разложением на полукадры также может обеспечить более высокое пространственное разрешение, чем прогрессивное сканирование. Например, разрешение 1920×1080 пикселей при разложении на полукадры HDTV с частотой поля 60 Гц (известное как 1080i60 или 1080i/30) имеет аналогичную полосу пропускания с разрешением 1280×720 пикселей при прогрессивном сканировании HDTV с частотой кадров 60 Гц (720p60 или 720p/60), но обеспечивает примерно вдвое большее пространственное разрешение для сцен с небольшим движением. Однако преимущества в полосе пропускания применимы только к аналоговому или несжатому цифровому видеосигналу. При цифровом сжатии видео, используемом во всех современных стандартах цифрового телевидения, разложение на полукадры вносит дополнительные неэффективности. EBU провела тесты, которые показали, что экономия полосы пропускания при использовании видео с разложением на полукадры по сравнению с прогрессивным видео минимальна, даже при удвоенной частоте кадров. То есть, сигнал 1080p50 создает примерно такую же скорость передачи данных, как и сигнал 1080i50 (также известный как 1080i/25).

One of the most important factors in analog television is signal bandwidth, measured in megahertz. The greater the bandwidth, the more expensive and complex the entire production and broadcasting chain. This includes cameras, storage systems, broadcast systems—and reception systems: terrestrial, cable, satellite, Internet, and end user displays (TVs and computer monitors). For a fixed bandwidth, interlace provides a video signal with twice the display refresh rate for a given line count (versus progressive scan video at a similar frame rate—for instance 1080i at 60 half frames per second, vs. 1080p at 30 full frames per second). The higher refresh rate improves the appearance of an object in motion, because it updates its position on the display more often, and when an object is stationary, human vision combines information from multiple similar half frames to produce the same perceived resolution as that provided by a progressive full frame. This technique is only useful, though, if source material is available in higher refresh rates. Cinema movies are typically recorded at 24fps, and therefore do not benefit from interlacing, a solution which reduces the maximum video bandwidth to 5 MHz without reducing the effective picture scan rate of 60 Hz. Given a fixed bandwidth and high refresh rate, interlaced video can also provide a higher spatial resolution than progressive scan. For instance, 1920×1080 pixel resolution interlaced HDTV with a 60 Hz field rate (known as 1080i60 or 1080i/30) has a similar bandwidth to 1280×720 pixel progressive scan HDTV with a 60 Hz frame rate (720p60 or 720p/60), but achieves approximately twice the spatial resolution for low motion scenes. However, bandwidth benefits only apply to an analog or uncompressed digital video signal. With digital video compression, as used in all current digital TV standards, interlacing introduces additional inefficiencies. EBU has performed tests that show that the bandwidth savings of interlaced video over progressive video is minimal, even with twice the frame rate. I. e., 1080p50 signal produces roughly the same bit rate as 1080i50 (aka 1080i/25) signal,

Разложение на полукадры может быть использовано для создания 3D-телевизионного контента, особенно с ЭЛТ-дисплеем и особенно для очков с цветовыми фильтрами, путем передачи изображения с цветовой кодировкой для каждого глаза в чередующихся полях. Это не требует значительных изменений в существующем оборудовании. Также можно использовать затворные очки, но, очевидно, потребуется обеспечить их синхронизацию. Если для просмотра такого контента используется прогрессивный дисплей, любая попытка преобразовать изображение в прогрессивное сделает эффект бесполезным. Для очков с цветовыми фильтрами изображение должно быть либо буферизовано и отображено как прогрессивное с чередующимися линиями цветовой кодировки, либо каждое поле должно быть удвоено по строкам и отображено как отдельные кадры. Последний метод – единственный способ использовать затворные очки с прогрессивным дисплеем.

Проблемы переплетения

Интерлейсированное видео предназначено для захвата, хранения, передачи и отображения в том же интерлейсированном формате. Поскольку каждый интерлейсированный видеокадр состоит из двух полей, захваченных в разные моменты времени, в интерлейсированных видеокадрах могут возникать артефакты движения, известные как эффекты интерлейсинга или «расчёсывание», если записанные объекты движутся достаточно быстро, чтобы занимать разные позиции при захвате каждого поля. Эти артефакты могут быть более заметны при отображении интерлейсированного видео с меньшей скоростью, чем скорость захвата, или в неподвижных кадрах. Существуют простые методы получения относительно приемлемых прогрессивных кадров из интерлейсированного изображения, например, удвоение строк одного поля и отбрасывание другого (уменьшение вертикального разрешения вдвое) или сглаживание изображения по вертикали для маскировки части «расчёсывания». Однако иногда существуют методы, позволяющие получить результаты, значительно превосходящие эти. Если между двумя полями наблюдается только горизонтальное (ось X) движение, и это движение равномерно по всему кадру, можно выровнять строки сканирования и обрезать левый и правый края, выходящие за пределы кадра, чтобы получить визуально приемлемое изображение. Незначительное вертикальное (ось Y) движение можно исправить аналогичным образом, выравнивая строки сканирования в другой последовательности и обрезая излишки сверху и снизу. Часто наиболее важной областью для проверки является центральная часть изображения, и независимо от того, применяется ли коррекция выравнивания по оси X или Y, или обе, большинство артефактов будут проявляться по краям изображения. Однако даже эти простые процедуры требуют отслеживания движения между полями, и вращающийся, наклоняющийся объект или объект, движущийся по оси Z (к камере или от неё), всё равно будет вызывать «расчёсывание», возможно, даже более выраженное, чем при простом объединении полей. Некоторые процессы деинтерлейсинга могут анализировать каждый кадр отдельно и выбирать оптимальный метод. Лучшим и единственным идеальным преобразованием в таких случаях является обработка каждого кадра как отдельного изображения, но это не всегда возможно. Для преобразования частоты кадров и масштабирования в основном идеально удваивать каждую строку поля для получения прогрессивных кадров с удвоенной частотой, пересчитывать кадры до желаемого разрешения, а затем повторно сканировать поток с желаемой частотой, либо в прогрессивном, либо в интерлейсированном режиме.

Interlaced video is designed to be captured, stored, transmitted, and displayed in the same interlaced format. Because each interlaced video frame is two fields captured at different moments in time, interlaced video frames can exhibit motion artifacts known as interlacing effects, or combing, if recorded objects move fast enough to be in different positions when each individual field is captured. These artifacts may be more visible when interlaced video is displayed at a slower speed than it was captured, or in still frames. While there are simple methods to produce somewhat satisfactory progressive frames from the interlaced image, for example by doubling the lines of one field and omitting the other (halving vertical resolution), or anti aliasing the image in the vertical axis to hide some of the combing, there are sometimes methods of producing results far superior to these. If there is only sideways (X axis) motion between the two fields and this motion is even throughout the full frame, it is possible to align the scanlines and crop the left and right ends that exceed the frame area to produce a visually satisfactory image. Minor Y axis motion can be corrected similarly by aligning the scanlines in a different sequence and cropping the excess at the top and bottom. Often the middle of the picture is the most necessary area to put into check, and whether there is only X or Y axis alignment correction, or both are applied, most artifacts will occur towards the edges of the picture. However, even these simple procedures require motion tracking between the fields, and a rotating or tilting object, or one that moves in the Z axis (away from or towards the camera) will still produce combing, possibly even looking worse than if the fields were joined in a simpler method. Some deinterlacing processes can analyze each frame individually and decide the best method. The best and only perfect conversion in these cases is to treat each frame as a separate image, but that may not always be possible. For framerate conversions and zooming it would mostly be ideal to line double each field to produce a double rate of progressive frames, resample the frames to the desired resolution and then re scan the stream at the desired rate, either in progressive or interlaced mode.

Интерлайн твиттер

Переплетение вводит потенциальную проблему, называемую interline twitter, являющуюся разновидностью муара. Этот эффект алиасинга проявляется лишь при определенных условиях — когда объект содержит вертикальные детали, близкие к горизонтальному разрешению видеоформата. Например, пиджак с тонкими полосками у телеведущего может создавать эффект мерцания. Это и есть twittering. Поэтому телеведущие избегают носить одежду с мелкими полосками. Профессиональные видеокамеры или системы компьютерной графики применяют фильтр нижних частот к вертикальному разрешению сигнала, чтобы предотвратить interline twitter. Interline twitter – основная причина, по которой переплетение менее подходит для компьютерных дисплеев. Каждая строка развертки на мониторе компьютера с высоким разрешением обычно отображает дискретные пиксели, каждый из которых не занимает соседние строки развертки. При общей частоте кадров в 60 Гц пиксель (или, что более критично для, например, оконных систем или подчеркнутого текста, горизонтальная линия), занимающий только одну строку развертки по высоте, виден в течение 1/60 секунды, что соответствует ожидаемому времени отображения для прогрессивного дисплея с частотой 60 Гц, но затем следует 1/60 секунды темноты (пока сканируется противоположное поле), снижая частоту обновления на строку/пиксель до 30 кадров в секунду, что приводит к заметному мерцанию. Чтобы избежать этого, стандартные телевизоры с переплетением обычно не отображают четкие детали. Когда компьютерная графика отображается на обычном телевизоре, экран либо рассматривается как имеющий разрешение вдвое меньше фактического (или даже меньше), либо отображается в полном разрешении, а затем подвергается фильтру нижних частот в вертикальном направлении (например, размытие в движении с шагом в 1 пиксель, которое смешивает каждую строку на 50% со следующей, сохраняя некоторую степень полного позиционного разрешения и предотвращая явную "блочность" простого удвоения строк, при этом фактически снижая мерцание до уровня ниже, чем при более простом подходе). Если отображается текст, он достаточно крупный, чтобы любая горизонтальная линия занимала не менее двух строк развертки. Большинство шрифтов для телевидения имеют широкие, жирные штрихи и не содержат мелких деталей, таких как засечки, которые усиливают эффект twittering; кроме того, современные генераторы символов применяют антиалиасинг, который оказывает аналогичное растягивающее воздействие на линии, как и вышеупомянутый фильтр нижних частот. Пример переплетения (Примечание: высокая частота мерцания). Примечание: поскольку частота кадров замедлена в 3 раза, в имитированных переплетенных частях изображения заметно дополнительное мерцание. Эта анимация демонстрирует эффект interline twitter с использованием тестовой карты Indian Head. Слева – два изображения прогрессивного сканирования. В центре – два изображения с переплетением. Справа – два изображения с удвоителями строк. Вверху – исходное разрешение, внизу – с антиалиасингом. Два изображения с переплетением используют половину полосы пропускания прогрессивного изображения. Переплетенное сканирование (в центре) точно дублирует пиксели прогрессивного изображения (слева), но переплетение вызывает мерцание деталей. Удвоитель строк, работающий в режиме "bob" (интерполяция), создаст изображения справа. Реальное переплетенное видео размывает такие детали, чтобы предотвратить twittering, как видно в нижнем ряду, но такое смягчение (или антиалиасинг) достигается за счет четкости изображения. Однако даже лучший удвоитель строк не сможет восстановить центральное изображение внизу до полного разрешения прогрессивного изображения.

Interlace introduces a potential problem called interline twitter, a form of moiré. This aliasing effect only shows up under certain circumstances—when the subject contains vertical detail that approaches the horizontal resolution of the video format. For instance, a finely striped jacket on a news anchor may produce a shimmering effect. This is twittering. Television professionals avoid wearing clothing with fine striped patterns for this reason. Professional video cameras or computer generated imagery systems apply a low pass filter to the vertical resolution of the signal to prevent interline twitter. Interline twitter is the primary reason that interlacing is less suited for computer displays. Each scanline on a high resolution computer monitor typically displays discrete pixels, each of which does not span the scanline above or below. When the overall interlaced framerate is 60 frames per second, a pixel (or more critically for e. g. windowing systems or underlined text, a horizontal line) that spans only one scanline in height is visible for the 1/60 of a second that would be expected of a 60 Hz progressive display but is then followed by 1/60 of a second of darkness (whilst the opposite field is scanned), reducing the per line/per pixel refresh rate to 30 frames per second with quite obvious flicker. To avoid this, standard interlaced television sets typically do not display sharp detail. When computer graphics appear on a standard television set, the screen is either treated as if it were half the resolution of what it actually is (or even lower), or rendered at full resolution and then subjected to a low pass filter in the vertical direction (e. g. a "motion blur" type with a 1 pixel distance, which blends each line 50% with the next, maintaining a degree of the full positional resolution and preventing the obvious "blockiness" of simple line doubling whilst actually reducing flicker to less than what the simpler approach would achieve). If text is displayed, it is large enough so that any horizontal lines are at least two scanlines high. Most fonts for television programming have wide, fat strokes, and do not include fine detail serifs that would make the twittering more visible; in addition, modern character generators apply a degree of anti aliasing that has a similar line spanning effect to the aforementioned full frame low pass filter. Interlacing example (Note: high rate of flickering)Note – Because the frame rate has been slowed by a factor of 3, one notices additional flicker in simulated interlaced portions of this image. This animation demonstrates the interline twitter effect using the Indian Head test card. On the left are two progressive scan images. Center are two interlaced images. Right are two images with line doublers. Top are original resolution, bottom are with anti aliasing. The two interlaced images use half the bandwidth of the progressive one. The interlaced scan (center) precisely duplicates the pixels of the progressive image (left), but interlace causes details to twitter. A line doubler operating in "bob" (interpolation) mode would produce the images at far right. Real interlaced video blurs such details to prevent twitter, as seen in the bottom row, but such softening (or anti aliasing) comes at the cost of image clarity. But even the best line doubler could never restore the bottom center image to the full resolution of the progressive image.

Размешивание

Плазменные панели ALiS и старые ЭЛТ-мониторы могут отображать видео с разложением по строкам (interlaced) напрямую, но современные компьютерные дисплеи и телевизоры в основном основаны на ЖК-технологии, которая преимущественно использует прогрессивное сканирование. Отображение видео с разложением по строкам на дисплее с прогрессивным сканированием требует процесса, называемого деинтерляцией. Это несовершенная технология, которая обычно снижает разрешение и вызывает различные артефакты, особенно в областях с движущимися объектами. Обеспечение наилучшего качества изображения для видеосигналов с разложением по строкам требует дорогостоящих и сложных устройств и алгоритмов. В телевизионных дисплеях системы деинтерляции интегрированы в телевизоры с прогрессивным сканированием, принимающие сигнал с разложением по строкам, например, транслируемый сигнал SDTV. Большинство современных компьютерных мониторов не поддерживают видео с разложением по строкам, за исключением некоторых устаревших режимов среднего разрешения (и, возможно, 1080i в дополнение к 1080p), а поддержка видео стандартной четкости (480/576i или 240/288p) особенно редка из-за значительно более низкой частоты развертки по сравнению с типичными аналоговыми компьютерными видеорежимами "VGA" и выше. Воспроизведение видео с разложением по строкам с DVD, цифрового файла или аналоговой платы захвата на компьютерном дисплее требует деинтерляции в программном обеспечении и/или графическом оборудовании проигрывателя, которое часто использует очень простые методы. Это означает, что в видео с разложением по строкам часто видны артефакты на компьютерных системах. Компьютерные системы могут использоваться для редактирования видео с разложением по строкам, но разница между компьютерными системами отображения видео и форматами телевизионного сигнала с разложением по строкам означает, что редактируемый видеоконтент не может быть правильно просмотрен без отдельного оборудования для отображения видео. Современные телевизоры используют систему интеллектуальной экстраполяции дополнительной информации, которая присутствовала бы в прогрессивном сигнале, непосредственно из исходного сигнала с разложением по строкам. Теоретически, это должна быть просто задача применения соответствующих алгоритмов к сигналу с разложением по строкам, поскольку вся информация должна присутствовать в этом сигнале. На практике результаты в настоящее время непостоянны и зависят от качества входного сигнала и объема вычислительной мощности, используемой для преобразования. В настоящее время основным препятствием являются артефакты в низкокачественных сигналах с разложением по строкам (обычно транслируемое видео), поскольку они непоследовательны от полукадра к полукадру. С другой стороны, сигналы с разложением по строкам с высокой скоростью передачи данных, например, от HD-видеокамер, работающих в режиме максимальной скорости передачи данных, работают хорошо. Алгоритмы деинтерляции временно хранят несколько кадров изображений с разложением по строкам, а затем экстраполируют данные дополнительных кадров для создания плавного изображения без мерцания. Это хранение и обработка кадров приводит к небольшой задержке отображения, которая заметна в выставочных залах с большим количеством различных моделей. В отличие от старого необработанного сигнала NTSC, экраны не всегда синхронно следуют за движением. Некоторые модели обновляются немного быстрее или медленнее, чем другие. Аналогично, звук может иметь эффект эха из-за различных задержек обработки.

ALiS plasma panels and the old CRTs can display interlaced video directly, but modern computer video displays and TV sets are mostly based on LCD technology, which mostly use progressive scanning. Displaying interlaced video on a progressive scan display requires a process called deinterlacing. This is an imperfect technique, and generally lowers resolution and causes various artifacts—particularly in areas with objects in motion. Providing the best picture quality for interlaced video signals requires expensive and complex devices and algorithms. For television displays, deinterlacing systems are integrated into progressive scan TV sets that accept interlaced signal, such as broadcast SDTV signal. Most modern computer monitors do not support interlaced video, besides some legacy medium resolution modes (and possibly 1080i as an adjunct to 1080p), and support for standard definition video (480/576i or 240/288p) is particularly rare given its much lower line scanning frequency vs typical "VGA" or higher analog computer video modes. Playing back interlaced video from a DVD, digital file or analog capture card on a computer display instead requires some form of deinterlacing in the player software and/or graphics hardware, which often uses very simple methods to deinterlace. This means that interlaced video often has visible artifacts on computer systems. Computer systems may be used to edit interlaced video, but the disparity between computer video display systems and interlaced television signal formats means that the video content being edited cannot be viewed properly without separate video display hardware. Current manufacture TV sets employ a system of intelligently extrapolating the extra information that would be present in a progressive signal entirely from an interlaced original. In theory: this should simply be a problem of applying the appropriate algorithms to the interlaced signal, as all information should be present in that signal. In practice, results are currently variable, and depend on the quality of the input signal and amount of processing power applied to the conversion. The biggest impediment, at present, is artifacts in the lower quality interlaced signals (generally broadcast video), as these are not consistent from field to field. On the other hand, high bit rate interlaced signals such as from HD camcorders operating in their highest bit rate mode work well. Deinterlacing algorithms temporarily store a few frames of interlaced images and then extrapolate extra frame data to make a smooth flicker free image. This frame storage and processing results in a slight display lag that is visible in business showrooms with a large number of different models on display. Unlike the old unprocessed NTSC signal, the screens do not all follow motion in perfect synchrony. Some models appear to update slightly faster or slower than others. Similarly, the audio can have an echo effect due to different processing delays.

История

Когда была разработана кинопленка, экран фильма требовалось освещать с высокой частотой, чтобы предотвратить видимое мерцание. Точная необходимая частота варьируется в зависимости от яркости — 50 Гц (едва) приемлемы для небольших дисплеев с низкой яркостью в слабо освещенных помещениях, в то время как 80 Гц или выше могут потребоваться для ярких дисплеев, попадающих в периферическое зрение. Решением для кино было проецировать каждый кадр пленки трижды, используя трехлопастной затвор: фильм, снятый с частотой 16 кадров в секунду, освещал экран 48 раз в секунду. Позже, с появлением звуковой пленки, более высокая скорость проекции в 24 кадра в секунду позволила двухлопастному затвору обеспечивать освещение экрана 48 раз в секунду, но только в проекторах, не способных проецировать с более низкой скоростью. Это решение нельзя было использовать для телевидения. Для хранения полного видеокадра и его отображения дважды требовался буфер кадров — электронная память (RAM) — достаточная для хранения видеокадра. Этот метод стал осуществимым только в конце 1980-х годов с развитием цифровых технологий. Кроме того, чтобы избежать помех на экране, вызванных студийным освещением, и ограничений технологии электронно-лучевых трубок, требовалось сканирование ЭЛТ для телевизоров на частоте сетевого напряжения переменного тока (60 Гц в США, 50 Гц в Европе). С 1914 года было предложено несколько различных патентов на развертку строк в контексте передачи неподвижных или движущихся изображений, но лишь немногие из них оказались практически реализуемыми. В 1930 году немецкий инженер компании Telefunken Фриц Шрётер первым сформулировал и запатентовал концепцию разбиения одного кадра изображения на последовательные строки с разверткой, основанную на его более ранних экспериментах с фототелеграфией. В США инженер RCA Рэндалл К. Баллард запатентовал ту же идею в 1932 году, изначально для переформатирования звуковых пленок для телевидения, а не для передачи живых изображений. Коммерческое внедрение началось в 1934 году, когда экраны ЭЛТ стали ярче, увеличивая уровень мерцания, вызванного прогрессивным (последовательным) сканированием. В 1936 году, когда в Великобритании устанавливались аналоговые стандарты, ранняя электроника управления ЭЛТ на основе вакуумных ламп могла сканировать только около 200 строк за 1/50 секунды (т.е. приблизительно частота повторения 10 кГц для горизонтальной пилообразной формы волны отклонения). Используя развертку строк, можно было наложить пару полей по 202,5 строки, чтобы получить более четкий кадр в 405 строк (при этом около 377 строк использовалось для фактического изображения, и еще меньше было видно внутри рамки экрана; в современной терминологии стандарт был бы "377i"). Вертикальная частота сканирования оставалась на уровне 50 Гц, но детализация изображения заметно улучшилась. В результате эта система вытеснила 240-строчную механическую систему прогрессивного сканирования Джона Логи Берда, которая также проходила испытания в то время. С 1940-х годов улучшения в технологиях позволили США и остальной Европе принять системы, использующие все более высокие частоты сканирования строк и большую полосу пропускания радиосигнала для получения большего количества строк при той же частоте кадров, тем самым достигая лучшего качества изображения. Однако основы развертки строк лежали в основе всех этих систем. США приняли систему на 525 строк, позже включив в нее композитный цветовой стандарт, известный как NTSC, Европа приняла систему на 625 строк, а Великобритания перешла от своей своеобразной системы на 405 строк к (более похожей на американскую) системе на 625 строк, чтобы избежать необходимости разработки (полностью) уникального метода цветного телевидения. Франция перешла от своей аналогично уникальной монохромной системы на 819 строк к более европейскому стандарту на 625 строк. Европа в целом, включая Великобританию, затем приняла стандарт цветового кодирования PAL, который по сути был основан на NTSC, но инвертировал фазу цветового носителя с каждой строкой (и кадром), чтобы компенсировать фазовые сдвиги, искажающие оттенок, которые преследовали трансляции NTSC. Вместо этого Франция приняла свою собственную уникальную систему SECAM, основанную на двух FM-несущих, которая предлагала улучшенное качество за счет большей электронной сложности и также использовалась некоторыми другими странами, в частности Россией и ее странами-сателлитами. Хотя цветовые стандарты часто используются как синонимы базового видеостандарта (NTSC для 525i/60, PAL/SECAM для 625i/50), существуют случаи инверсий или других модификаций; например, цветовой стандарт PAL используется в бразильских трансляциях, которые в остальном соответствуют стандарту "NTSC" (т.е. 525i/60), и наоборот, а также случаи, когда полоса пропускания PAL сжимается до 3,58 МГц, чтобы соответствовать полосе выделения частот для трансляций NTSC, или NTSC расширяется для использования 4,43 МГц, выделенных для PAL. Развертка строк была повсеместной в дисплеях до 1970-х годов, когда потребности компьютерных мониторов привели к повторному внедрению прогрессивного сканирования, в том числе на обычных телевизорах или простых мониторах, основанных на той же схеме; большинство дисплеев на ЭЛТ вполне способны отображать как прогрессивное, так и развернутое сканирование, независимо от их первоначального назначения, при условии, что горизонтальные и вертикальные частоты совпадают, поскольку техническая разница заключается просто в том, чтобы начинать/заканчивать цикл вертикальной синхронизации посередине строки каждый второй кадр (развертка строк) или всегда синхронизировать в начале/конце строки (прогрессивное сканирование). Развертка строк по-прежнему используется для большинства телевизоров стандартной четкости и стандарта HDTV 1080i, но не для ЖК-, микрозеркальных (DLP) или большинства плазменных дисплеев; эти дисплеи не используют растровое сканирование для создания изображения (их панели могут по-прежнему обновляться в режиме слева направо, сверху вниз, но всегда в прогрессивном режиме и не обязательно с той же частотой, что и входной сигнал), и поэтому не могут извлечь выгоду из развертки строк (в то время как старые ЖК-дисплеи использовали систему "двойного сканирования" для обеспечения более высокого разрешения с более медленной технологией обновления, панель вместо этого делилась на две смежные половины, которые обновлялись одновременно): на практике их необходимо управлять сигналом прогрессивного сканирования. Схема деинтерляции для получения прогрессивного сканирования из обычного сигнала развернутого сканирования может увеличить стоимость телевизора с такими дисплеями. В настоящее время прогрессивные дисплеи доминируют на рынке HDTV.

When motion picture film was developed, the movie screen had to be illuminated at a high rate to prevent visible flicker. The exact rate necessary varies by brightness — 50 Hz is (barely) acceptable for small, low brightness displays in dimly lit rooms, whilst 80 Hz or more may be necessary for bright displays that extend into peripheral vision. The film solution was to project each frame of film three times using a three bladed shutter: a movie shot at 16 frames per second illuminated the screen 48 times per second. Later, when sound film became available, the higher projection speed of 24 frames per second enabled a two bladed shutter to produce 48 times per second illumination—but only in projectors incapable of projecting at the lower speed. This solution could not be used for television. To store a full video frame and display it twice requires a frame buffer—electronic memory (RAM)—sufficient to store a video frame. This method did not become feasible until the late 1980s and with digital technology. In addition, avoiding on screen interference patterns caused by studio lighting and the limits of vacuum tube technology required that CRTs for TV be scanned at AC line frequency. (This was 60 Hz in the US, 50 Hz Europe.) Several different interlacing patents have been proposed since 1914 in the context of still or moving image transmission, but few of them were practicable. In 1930, German Telefunken engineer Fritz Schröter first formulated and patented the concept of breaking a single image frame into successive interlaced lines, based on his earlier experiments with phototelegraphy. In the USA, RCA engineer Randall C. Ballard patented the same idea in 1932, initially for the purpose of reformatting sound film to television rather than for the transmission of live images. Commercial implementation began in 1934 as cathode ray tube screens became brighter, increasing the level of flicker caused by progressive (sequential) scanning. In 1936, when the UK was setting analog standards, early thermionic valve based CRT drive electronics could only scan at around 200 lines in 1/50 of a second (i. e. approximately a 10 kHz repetition rate for the sawtooth horizontal deflection waveform). Using interlace, a pair of 202.5 line fields could be superimposed to become a sharper 405 line frame (with around 377 used for the actual image, and yet fewer visible within the screen bezel; in modern parlance, the standard would be "377i"). The vertical scan frequency remained 50 Hz, but visible detail was noticeably improved. As a result, this system supplanted John Logie Baird's 240 line mechanical progressive scan system that was also being trialled at the time. From the 1940s onward, improvements in technology allowed the US and the rest of Europe to adopt systems using progressively higher line scan frequencies and more radio signal bandwidth to produce higher line counts at the same frame rate, thus achieving better picture quality. However the fundamentals of interlaced scanning were at the heart of all of these systems. The US adopted the 525 line system, later incorporating the composite color standard known as NTSC, Europe adopted the 625 line system, and the UK switched from its idiosyncratic 405 line system to (the much more US like) 625 to avoid having to develop a (wholly) unique method of color TV. France switched from its similarly unique 819 line monochrome system to the more European standard of 625. Europe in general, including the UK, then adopted the PAL color encoding standard, which was essentially based on NTSC, but inverted the color carrier phase with each line (and frame) in order to cancel out the hue distorting phase shifts that dogged NTSC broadcasts. France instead adopted its own unique, twin FM carrier based SECAM system, which offered improved quality at the cost of greater electronic complexity, and was also used by some other countries, notably Russia and its satellite states. Though the color standards are often used as synonyms for the underlying video standard NTSC for 525i/60, PAL/SECAM for 625i/50 there are several cases of inversions or other modifications; e. g. PAL color is used on otherwise "NTSC" (that is, 525i/60) broadcasts in Brazil, as well as vice versa elsewhere, along with cases of PAL bandwidth being squeezed to 3.58 MHz to fit in the broadcast waveband allocation of NTSC, or NTSC being expanded to take up PAL's 4.43 MHz. Interlacing was ubiquitous in displays until the 1970s, when the needs of computer monitors resulted in the reintroduction of progressive scan, including on regular TVs or simple monitors based on the same circuitry; most CRT based displays are entirely capable of displaying both progressive and interlace regardless of their original intended use, so long as the horizontal and vertical frequencies match, as the technical difference is simply that of either starting/ending the vertical sync cycle halfway along a scanline every other frame (interlace), or always synchronising right at the start/end of a line (progressive). Interlace is still used for most standard definition TVs, and the 1080i HDTV broadcast standard, but not for LCD, micromirror (DLP), or most plasma displays; these displays do not use a raster scan to create an image (their panels may still be updated in a left to right, top to bottom scanning fashion, but always in a progressive fashion, and not necessarily at the same rate as the input signal), and so cannot benefit from interlacing (where older LCDs use a "dual scan" system to provide higher resolution with slower updating technology, the panel is instead divided into two adjacent halves that are updated simultaneously): in practice, they have to be driven with a progressive scan signal. The deinterlacing circuitry to get progressive scan from a normal interlaced broadcast television signal can add to the cost of a television set using such displays. Currently, progressive displays dominate the HDTV market.

Интерлейс и компьютеры

В 1970-х годах компьютеры и домашние видеоигровые системы начали использовать телевизоры в качестве устройств отображения. К тому моменту 480-строчный сигнал NTSC значительно превосходил графические возможности недорогих компьютеров, поэтому в этих системах использовался упрощенный видеосигнал, который обеспечивал сканирование каждого видеополя непосредственно поверх предыдущего, а не каждой строки между двумя строками предыдущего поля, наряду с относительно небольшим количеством горизонтальных пикселей. Это ознаменовало возвращение прогрессивного сканирования, не использовавшегося с 1920-х годов. Поскольку каждое поле стало полноценным кадром, в современной терминологии это называлось 240p для наборов NTSC и 288p для PAL. Хотя потребительские устройства могли создавать такие сигналы, правила вещания запрещали телеканалам передавать видео в подобном формате. Стандарты компьютерных мониторов, такие как режим TTL RGB, доступный в CGA и, например, BBC Micro, были дальнейшим упрощением NTSC, которое улучшало качество изображения за счет исключения модуляции цвета и обеспечения более прямого соединения между графической системой компьютера и ЭЛТ. К середине 1980-х годов компьютеры устарели для этих видеосистем и нуждались в лучших дисплеях. Большинство домашних и простых офисных компьютеров страдали от использования старого метода сканирования, при этом максимальное разрешение дисплея составляло около 640x200 (или иногда 640x256 в регионах с 625 строками/50 Гц), что приводило к сильно искаженной, высокой и узкой форме пикселей, затрудняя отображение текста высокого разрешения вместе с изображениями с реалистичными пропорциями (режимы "квадратных пикселей" были возможны, но только при низких разрешениях 320x200 или меньше). Решения различных компаний сильно различались. Поскольку сигналы мониторов ПК не требовалось транслировать, они могли потреблять гораздо больше полосы пропускания, чем 6, 7 и 8 МГц, на которые были ограничены сигналы NTSC и PAL. Монохромный дисплейный адаптер и расширенный графический адаптер IBM, а также графическая карта Hercules и оригинальный компьютер Macintosh генерировали видеосигналы от 342 до 350p при частоте от 50 до 60 Гц с пропускной способностью около 16 МГц. Некоторые улучшенные клоны ПК, такие как AT&T 6300 (также известный как Olivetti M24), а также компьютеры, предназначенные для японского рынка, вместо этого поддерживали 400p при частоте около 24 МГц, а Atari ST увеличил этот показатель до 71 Гц с пропускной способностью 32 МГц. Все они требовали выделенных высокочастотных (и обычно однорежимных, то есть несовместимых с "видео") мониторов из-за их повышенной частоты развертки. Commodore Amiga вместо этого создавал настоящий чересстрочный RGB-сигнал 480i60/576i50 при частотах видеовещания (и с полосой пропускания 7 или 14 МГц), подходящий для кодирования NTSC/PAL (где он плавно уменьшался до 3,5–4,5 МГц). Эта возможность (плюс встроенная синхронизация) привела к тому, что Amiga доминировала в области видеопроизводства до середины 1990-х годов, но режим чересстрочного отображения вызывал мерцание в более традиционных приложениях для ПК, где требовалась детализация каждого пикселя, и для этого использовались периферийные устройства для устранения мерцания и высокочастотные RGB-мониторы (или специализированный монитор A2024 от Commodore для преобразования развертки), которые были популярны, хотя и дороги, среди опытных пользователей. В 1987 году был представлен VGA, который вскоре стал стандартом для ПК, а также линейка Macintosh II от Apple, предлагавшая дисплеи с аналогичным, а затем и превосходящим разрешением и глубиной цвета. Соперничество между этими двумя стандартами (и более поздними квазистандартами ПК, такими как XGA и SVGA) быстро повысило качество отображения, доступное как профессиональным, так и домашним пользователям. В конце 1980-х и начале 1990-х годов производители мониторов и видеокарт представили новые стандарты высокого разрешения, которые снова включали чересстрочное сканирование. Эти мониторы работали с более высокими частотами развертки, обычно обеспечивая частоту полевого излучения 75–90 Гц (то есть частоту кадров 37,5–45 Гц) и имели тенденцию использовать люминофоры с более длительным послесвечением в своих ЭЛТ, что должно было уменьшить мерцание и дрожание. Такие мониторы оказались непопулярными за пределами специализированных приложений сверхвысокого разрешения, таких как CAD и DTP, которые требовали как можно большего количества пикселей, при этом чересстрочное сканирование было необходимым злом и лучше, чем попытка использовать эквиваленты прогрессивного сканирования. Хотя мерцание часто было не сразу заметно на этих дисплеях, напряжение глаз и потеря концентрации тем не менее стали серьезной проблемой, а компромиссом за более длительное послесвечение была сниженная яркость и плохая реакция на движущиеся изображения, оставляющие видимые и часто искаженные цветные следы. Эти цветные следы были незначительным неудобством для монохромных дисплеев и более медленно обновляемых экранов, используемых для проектирования или запросов к базам данных, но гораздо более проблематичными для цветных дисплеев и более быстрых движений, присущих все более популярным операционным системам с графическим интерфейсом, а также полноэкранной прокрутке в текстовых процессорах WYSIWYG, электронных таблицах и, конечно, в динамичных играх. Кроме того, регулярные тонкие горизонтальные линии, характерные для ранних графических интерфейсов, в сочетании с низкой глубиной цвета, означавшей, что элементы окна обычно имели высокую контрастность (фактически часто резкий черно-белый цвет), делали дрожание еще более заметным, чем в других видеоприложениях с более низкой частотой кадров. По мере того как стремительное развитие технологий делало это практичным и доступным, всего через десятилетие после появления первых обновлений чересстрочного сканирования сверхвысокого разрешения для IBM PC, стало возможным обеспечить достаточно высокие тактовые частоты пикселей и частоты горизонтальной развертки для режимов прогрессивного сканирования высокого разрешения в профессиональных и потребительских дисплеях, эта практика вскоре была прекращена. В течение 1990-х годов производители мониторов и видеокарт делали акцент на том, что их максимальное заявленное разрешение является "нечересстрочным", даже если общая частота кадров была лишь немного выше, чем в чересстрочных режимах (например, SVGA при 56p против 43i–47i), и часто включала режим, технически превышающий фактическое разрешение ЭЛТ (количество цветовых люминофорных триад), что означало, что дальнейшее увеличение пропускной способности сигнала не давало дополнительной четкости изображения. Этот опыт является причиной того, что индустрия ПК сегодня выступает против чересстрочного сканирования в HDTV и лоббировала стандарт 720p, а также продолжает продвигать принятие 1080p (при 60 Гц для стран, унаследовавших NTSC, и 50 Гц для PAL); однако 1080i остается наиболее распространенным разрешением HD-вещания, если только из-за обратной совместимости со старым оборудованием HDTV, которое не может поддерживать 1080p – и иногда даже 720p – без добавления внешнего масштабирующего устройства, подобно тому, как и почему большинство цифрового вещания, ориентированного на SD, по-прежнему полагается на устаревший стандарт MPEG2, встроенный, например, в DVB-T.

In the 1970s, computers and home video game systems began using TV sets as display devices. At that point, a 480 line NTSC signal was well beyond the graphics abilities of low cost computers, so these systems used a simplified video signal that made each video field scan directly on top of the previous one, rather than each line between two lines of the previous field, along with relatively low horizontal pixel counts. This marked the return of progressive scanning not seen since the 1920s. Since each field became a complete frame on its own, modern terminology would call this 240p on NTSC sets, and 288p on PAL. While consumer devices were permitted to create such signals, broadcast regulations prohibited TV stations from transmitting video like this. Computer monitor standards such as the TTL RGB mode available on the CGA and e. g. BBC Micro were further simplifications to NTSC, which improved picture quality by omitting modulation of color, and allowing a more direct connection between the computer's graphics system and the CRT. By the mid 1980s, computers had outgrown these video systems and needed better displays. Most home and basic office computers suffered from the use of the old scanning method, with the highest display resolution being around 640x200 (or sometimes 640x256 in 625 line/50 Hz regions), resulting in a severely distorted tall narrow pixel shape, making the display of high resolution text alongside realistic proportioned images difficult (logical "square pixel" modes were possible but only at low resolutions of 320x200 or less). Solutions from various companies varied widely. Because PC monitor signals did not need to be broadcast, they could consume far more than the 6, 7 and 8 MHz of bandwidth that NTSC and PAL signals were confined to. IBM's Monochrome Display Adapter and Enhanced Graphics Adapter as well as the Hercules Graphics Card and the original Macintosh computer generated video signals of 342 to 350p, at 50 to 60 Hz, with approximately 16 MHz of bandwidth, some enhanced PC clones such as the AT&T 6300 (aka Olivetti M24) as well as computers made for the Japanese home market managed 400p instead at around 24 MHz, and the Atari ST pushed that to 71 Hz with 32 MHz bandwidth all of which required dedicated high frequency (and usually single mode, i. e. not "video" compatible) monitors due to their increased line rates. The Commodore Amiga instead created a true interlaced 480i60/576i50 RGB signal at broadcast video rates (and with a 7 or 14 MHz bandwidth), suitable for NTSC/PAL encoding (where it was smoothly decimated to 3.5~4.5 MHz). This ability (plus built in genlocking) resulted in the Amiga dominating the video production field until the mid 1990s, but the interlaced display mode caused flicker problems for more traditional PC applications where single pixel detail is required, with "flicker fixer" scan doubler peripherals plus high frequency RGB monitors (or Commodore's own specialist scan conversion A2024 monitor) being popular, if expensive, purchases amongst power users. 1987 saw the introduction of VGA, on which PCs soon standardized, as well as Apple's Macintosh II range which offered displays of similar, then superior resolution and color depth, with rivalry between the two standards (and later PC quasi standards such as XGA and SVGA) rapidly pushing up the quality of display available to both professional and home users. In the late 1980s and early 1990s, monitor and graphics card manufacturers introduced newer high resolution standards that once again included interlace. These monitors ran at higher scanning frequencies, typically allowing a 75 to 90 Hz field rate (i. e. 37.5 to 45 Hz frame rate), and tended to use longer persistence phosphors in their CRTs, all of which was intended to alleviate flicker and shimmer problems. Such monitors proved generally unpopular, outside of specialist ultra high resolution applications such as CAD and DTP which demanded as many pixels as possible, with interlace being a necessary evil and better than trying to use the progressive scan equivalents. Whilst flicker was often not immediately obvious on these displays, eyestrain and lack of focus nevertheless became a serious problem, and the trade off for a longer afterglow was reduced brightness and poor response to moving images, leaving visible and often off colored trails behind. These colored trails were a minor annoyance for monochrome displays, and the generally slower updating screens used for design or database query purposes, but much more troublesome for color displays and the faster motions inherent in the increasingly popular window based operating systems, as well as the full screen scrolling in WYSIWYG word processors, spreadsheets, and of course for high action games. Additionally, the regular, thin horizontal lines common to early GUIs, combined with low color depth that meant window elements were generally high contrast (indeed, frequently stark black and white), made shimmer even more obvious than with otherwise lower fieldrate video applications. As rapid technological advancement made it practical and affordable, barely a decade after the first ultra high resolution interlaced upgrades appeared for the IBM PC, to provide sufficiently high pixel clocks and horizontal scan rates for hi rez progressive scan modes in first professional and then consumer grade displays, the practice was soon abandoned. For the rest of the 1990s, monitors and graphics cards instead made great play of their highest stated resolutions being "non interlaced", even where the overall framerate was barely any higher than what it had been for the interlaced modes (e. g. SVGA at 56p versus 43i to 47i), and usually including a top mode technically exceeding the CRT's actual resolution (number of color phosphor triads) which meant there was no additional image clarity to be gained through interlacing and/or increasing the signal bandwidth still further. This experience is why the PC industry today remains against interlace in HDTV, and lobbied for the 720p standard, and continues to push for the adoption of 1080p (at 60 Hz for NTSC legacy countries, and 50 Hz for PAL); however, 1080i remains the most common HD broadcast resolution, if only for reasons of backward compatibility with older HDTV hardware that cannot support 1080p and sometimes not even 720p without the addition of an external scaler, similar to how and why most SD focussed digital broadcasting still relies on the otherwise obsolete MPEG2 standard embedded into e. g. DVB T.