Перекрытие изображения на телевизорах: причины и решения

Введение

Оверсканирование — это эффект, наблюдаемый в некоторых телевизорах, при котором часть входного изображения обрезается границами видимой области экрана. Это связано с тем, что телевизоры с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) с 1930-х по начало 2000-х годов значительно различались по способу позиционирования видеоизображения в пределах экрана. Впоследствии стало обычной практикой передавать видеосигналы с черными полями по краям изображения, которые телевизор должен был обрезать.

Происхождение

Ранние аналоговые телевизоры различались по отображаемому изображению из-за проблем с производственными допусками. Также наблюдались эффекты, связанные с ограничениями ранних конструкций источников питания, напряжение постоянного тока которых регулировалось не так точно, как в более поздних моделях. Это могло приводить к изменению размера изображения при нормальных колебаниях напряжения сети переменного тока, а также к явлению, называемому «цветением», когда размер изображения незначительно увеличивался при отображении более яркой картинки из-за увеличения тока электронного луча, вызывающего падение напряжения на аноде ЭЛТ. Из-за этого производители телевизоров не могли быть уверены в точном расположении видимых границ изображения. Для компенсации они определили три области:

«Безопасная область заголовка» (Title safe): область, видимая на всех телевизорах, находящихся в разумном техническом состоянии, где текст гарантированно не обрезался. «Безопасная область действия» (Action safe): большая область, представляющая собой зону, в которой изображение обрезалось бы на «идеальном» телевизоре (с высокой точностью и минимальным пересканированием). «Недосканирование» (Underscan): вся область изображения до электронного края сигнала с дополнительными черными полями, которые не являлись частью исходного изображения. «Полное сканирование» (Fullscan): вся область изображения до электронного края сигнала (включая черные поля, если они присутствуют). «Наблюдаемое полное сканирование» (Observable fullscan): область изображения с пересканированием, исключающая только дополнительные черные поля (если они присутствуют). Значительное количество зрителей все равно могло видеть часть области пересканирования, поэтому там не размещали важные элементы сцены, а также микрофоны, оборудование и другие отвлекающие факторы. Студийные мониторы и видоискатели камер были настроены на отображение этой области, чтобы продюсеры и режиссеры могли убедиться в отсутствии нежелательных элементов. При использовании этот режим называется «недосканированием». Несмотря на широкое распространение ЖК-телевизоров, которым не требуется пересканирование, поскольку размер изображения остается неизменным независимо от колебаний напряжения, многие ЖК-телевизоры по-прежнему имеют включенное пересканирование по умолчанию, но пользователь может отключить его через меню на экране телевизора.

Современные видеодисплеи

Современные дисплеи, работающие от цифровых сигналов (таких как DVI, HDMI и DisplayPort) и основанные на новейших технологиях цифровых плоских панелей с фиксированным пикселем (таких как жидкокристаллические дисплеи), могут с уверенностью предполагать, что все пиксели видны зрителю. Следовательно, для цифровых дисплеев, управляемых цифровым сигналом, никакая настройка не требуется, поскольку все пиксели в сигнале однозначно соответствуют физическим пикселям на дисплее. Поскольку пересканирование (overscan) снижает качество изображения, оно нежелательно для цифровых плоских панелей, поэтому предпочтительно точное соответствие пикселей 1:1. Однако при использовании аналоговых видеосигналов, таких как VGA, дисплеи подвержены колебаниям синхронизации и не могут достичь такой точности. ЭЛТ-мониторы, предназначенные для компьютеров, настроены на недосканирование (underscan) с регулируемой рамкой, обычно черного цвета. Некоторые домашние компьютеры 1980-х годов, такие как Apple IIGS, могли даже изменять цвет рамки. Размер и форма рамки могут изменяться для компенсации низкой точности (хотя более поздние модели позволяют точную калибровку для минимизации или устранения рамки). Таким образом, компьютерные ЭЛТ-мониторы используют меньшую физическую площадь экрана, чем телевизоры, чтобы вся информация отображалась постоянно. Компьютерные ЭЛТ-мониторы обычно имеют черную рамку (если пользователь не настроит ее на минимальный размер), что можно увидеть в таймингах видеокарты, которые содержат больше строк, чем используется на рабочем столе. Если компьютерный ЭЛТ-монитор рекламируется как 17 дюймов (16 дюймов видимой области), то один дюйм по диагонали трубки закрыт пластиковым корпусом; эта черная рамка занимает этот недостающий дюйм (или больше) при настройках геометрии по умолчанию (ЖКД с аналоговым входом должны намеренно определять и игнорировать эту часть сигнала со всех четырех сторон). Видеоигровые системы разрабатывались таким образом, чтобы важные игровые действия оставались в безопасной зоне. Более старые системы использовали для этого рамки: например, Super Nintendo Entertainment System отображала изображение с черной рамкой, видимой на некоторых телевизорах NTSC и всех телевизорах PAL. Новые системы обрамляют контент, как это делается в реальном времени, заполняя область пересканирования посторонними деталями. Среди широкого разнообразия домашних компьютеров, появившихся в 1980-х и начале 1990-х годов, многие машины, такие как ZX Spectrum или Commodore 64, имели рамки вокруг экрана, которые служили обрамлением для области отображения. Некоторые другие компьютеры, такие как Amiga, позволяли изменять тайминги видеосигнала для создания пересканирования. В случае с C64, Amstrad CPC и Atari ST удалось удалить, казалось бы, фиксированные рамки с помощью специальных программных приемов. Этот эффект назывался overscan или полноэкранным режимом в 16-битной демосцене Atari и позволил разработать технику экономии ресурсов процессора, называемую синхронизированной прокруткой, немного позже.

Today's displays, being driven by digital signals (such as DVI, HDMI and DisplayPort), and based on newer fixed pixel digital flat panel technology (such as liquid crystal displays), can safely assume that all pixels are visible to the viewer. On digital displays driven from a digital signal, therefore, no adjustment is necessary because all pixels in the signal are unequivocally mapped to physical pixels on the display. As overscan reduces picture quality, it is undesirable for digital flat panels; therefore, 1:1 pixel mapping is preferred. When driven by analog video signals such as VGA, however, displays are subject to timing variations and cannot achieve this level of precision. CRTs made for computer display are set to underscan with an adjustable border, usually colored black. Some 1980s home computers such as the Apple IIGS could even change the border color. The border will change size and shape if required to allow for the tolerance of low precision (although later models allow for precise calibration to minimise or eliminate the border). As such, computer CRTs use less physical screen area than TVs, to allow all information to be shown at all times. Computer CRT monitors usually have a black border (unless they are fine tuned by a user to minimize it)—these can be seen in the video card timings, which have more lines than are used by the desktop. When a computer CRT is advertised as 17 inch (16 inch viewable), it will have a diagonal inch of the tube covered by the plastic cabinet; this black border will occupy this missing inch (or more) when its geometry calibrations are set to default (LCDs with analog input need to deliberately identify and ignore this part of the signal, from all four sides). Video game systems have been designed to keep important game action in the title safe area. Older systems did this with borders for example, the Super Nintendo Entertainment System windowboxed the image with a black border, visible on some NTSC television sets and all PAL television sets. Newer systems frame content much as live action does, with the overscan area filled with extraneous details. Within the wide diversity of home computers that arose during the 1980s and early 1990s, many machines such as the ZX Spectrum or Commodore 64 had borders around their screen, which worked as a frame for the display area. Some other computers such as the Amiga allowed the video signal timing to be changed to produce overscan. In the cases of the C64, Amstrad CPC, and Atari ST it has proved possible to remove apparently fixed borders with special coding tricks. This effect was called overscan or fullscreen within the 16 bit Atari demoscene and allowed the development of a CPU saving scrolling technique called sync scrolling a bit later.

Выпуск данных

Аналоговое телевидение также может использоваться для передачи данных. Простейшими формами этого являются скрытые субтитры и телетекст, оба передаваемые в интервале обратного прохода (VBI). Электронные программы передач, такие как TV Guide On Screen, также передаются таким образом. HOS от Microsoft использует горизонтальный избыток развертки вместо вертикального для передачи низкоскоростных данных, связанных с программой, со скоростью 6,4 кбит/с, что достаточно медленно для записи на видеомагнитофон без повреждения данных. В США National Datacast использовал сетевые станции PBS для передачи данных с использованием избыточной развертки и других технологий, но они перешли на цифровое телевидение в связи с переходом на цифровое вещание в 2009 году.

625 / 525 или 576 / 480

В вещании, описания аналоговых систем включают в себя строки, не используемые для отображаемого изображения, в то время как цифровые системы лишь нумеруют и кодируют сигналы, содержащие видимый контент. Таким образом, области кадра 625 (PAL) и 525 (NTSC) содержат еще больший запас области сканирования (overscan), который становится заметен при потере вертикальной синхронизации и "бегающей" картинки. Часть этого интервала, доступная в аналоговом вещании, известная как интервал обратного хода, может использоваться для устаревших форм аналоговой передачи данных, таких как телетекст (например, Ceefax и субтитры в Великобритании). Соответствующая служба в цифровом телевидении не использует этот метод, а вместо этого часто использует MHEG.

480 против 486

Система из 525 строк изначально содержала 486 строк изображения, а не 480. Цифровая основа большинства систем хранения и передачи данных, начиная с начала 1990-х годов, привела к тому, что аналоговый NTSC стал рассматриваться как имеющий только 480 строк изображения – см. SDTV, EDTV и DVD Video. Неясно, как это влияет на интерпретацию "соотношения сторон 4:3" как эквивалентного 704x480 или 704x486, но стандарт VGA 640x480 оказал значительное влияние.