Введение
В этой статье рассматриваются захват, передача и отображение движущегося изображения с современных технических и творческих позиций, с особым вниманием к частоте кадров.
Основные параметры
Основными параметрами любой последовательности движущихся изображений как визуального представления являются: наличие или отсутствие цвета, формат изображения, разрешение и частота смены кадров.
Скорость изменения изображения
Существует несколько стандартных частот смены кадров (или частот кадров), используемых сегодня: 24 Гц, 25 Гц, 30 Гц, 50 Гц и 60 Гц. Технические особенности, связанные с обеспечением обратной совместимости при добавлении цвета к сигналу NTSC, привели к появлению других вариантов: 24000/1001 Гц, 30000/1001 Гц и 60000/1001 Гц. Частота смены кадров существенно влияет на то, насколько плавным будет выглядеть движение на экране. В зависимости от этого, материал с движущимися изображениями часто разделяют на две группы: материал, снятый на пленку, где изображение сцены захватывается камерой 24 раза в секунду (24 Гц), и видеоматериал, где изображение захватывается примерно 50 или 60 раз в секунду. Материал с частотой 50 и 60 Гц очень хорошо передает движение и выглядит на экране очень плавно. В принципе, материал 24 Гц передает движение удовлетворительно, но поскольку он обычно отображается как минимум в два раза чаще частоты захвата в кино и на ЭЛТ-телевизорах (для предотвращения мерцания), он не считается способным передавать плавное движение. Тем не менее, он по-прежнему используется для съемок фильмов из-за уникального художественного эффекта, возникающего именно из-за низкой частоты смены кадров. Материал 25 Гц, по сути, выглядит и воспринимается так же, как и материал 24 Гц. Материал 30 Гц находится между материалом 24 и 50 Гц с точки зрения плавности передаваемого движения, но в телевизионных системах он обрабатывается аналогично материалу 24 Гц (то есть отображается как минимум в два раза чаще частоты захвата).
Захват
Процесс захвата фиксирует "естественную" частоту кадров последовательности изображений. Последовательность движущихся изображений может быть захвачена с частотой, отличной от частоты воспроизведения, однако это обычно делается лишь в художественных целях или для изучения быстрого или замедленного течения процессов. Для достоверного воспроизведения привычных движений людей, животных или природных явлений, а также сопутствующего звука, частота захвата должна быть равна или, по крайней мере, очень близка к частоте воспроизведения. Все современные системы захвата движущихся изображений используют механический или электронный затвор. Затвор позволяет интегрировать изображение для одного кадра за период времени, меньший, чем период смены изображения. Другая важная функция затвора в растровых системах – обеспечение того, чтобы часть кадра, сканируемая первой (например, верхняя часть), содержала изображение сцены, интегрированное за точно такой же период времени, как и часть кадра, сканируемая последней. Ранние телевизионные камеры, такие как видеокамеры с электронно-лучевой трубкой, не имели затвора. Отсутствие затвора в растровых системах может исказить форму движущихся объектов на экране. С другой стороны, видео с такой камеры выглядит поразительно "живым" при отображении на ЭЛТ-дисплее в его исходном формате.
Трансмиссия
Аналоговые системы вещания PAL/SECAM и NTSC исторически были ограничены в наборе форматов движущегося изображения, которые они могли передавать и отображать. PAL/SECAM может передавать материал с частотой 25 и 50 Гц, а NTSC – только с частотой 30 и 60 Гц (позже замененной 30/1.001 и 60/1.001 Гц). Обе системы также были ограничены соотношением сторон 4:3 и фиксированным разрешением (ограниченным доступной полосой пропускания). Адаптация более широких соотношений сторон к кадру 4:3 была относительно простой (например, с помощью затемнения по краям), однако преобразование частоты кадров – задача нетривиальная, и во многих случаях приводит к ухудшению плавности движения или качества отдельных кадров (особенно при преобразовании между прогрессивной и чересстрочной разверткой или при использовании смешивания кадров в процессе преобразования частоты).
Телевизионные системы 50 Гц
Материал для местных телевизионных рынков обычно снимается с частотой 25 или 50 Гц. У многих телекомпаний есть киноархивы контента с частотой 24 кадра в секунду (скорость киносъемки), относящегося к сбору новостей или телевизионному производству. Прямые трансляции (новости, спорт, важные события) обычно снимаются с частотой 50 Гц. Использование 25 Гц (фактически, деинтерлейсинг) для прямых трансляций создает впечатление, будто они взяты из архива, поэтому обычно избегают такой практики, если в цепочке передачи нет процессора обработки движения. Как правило, 24-кадровый материал, снятый на пленку, ускоряется на 4%, если это игровой фильм. Звук также незначительно повышается в тональности из-за ускорения на 4%, но обычно используются схемы коррекции высоты тона. Более старые технологии предлагают альтернативный вариант, при котором каждый 12-й кадр пленки удерживается на три видеополя вместо двух, что в основном решает проблему. Более современные технологии воспроизведения пленки позволяют интерполировать каждый 25-й кадр, что дает менее заметный результат и не требует коррекции высоты тона. Каждая из этих технологий передачи контента, ориентированного на пленку, имеет свои недостатки. Однако современные процессоры компенсации движения считаются обеспечивающими наилучшее качество изображения. Материал с частотой примерно 30 или 60 Гц, импортированный из 60-герцовых систем, обычно адаптируется для отображения с частотой 50 Гц путем добавления дублирующих кадров или удаления лишних кадров, иногда также с использованием смешивания последовательных кадров. В настоящее время цифровой анализ движения, хотя и сложен и дорог, может обеспечить превосходное преобразование (хотя и не абсолютно идеальное).
Телевизионные системы 60 Гц
Из-за более высоких бюджетов на телевизионное производство в США и предпочтения внешнему виду кино, многие предварительно записанные телешоу фактически снимались на пленку с частотой 24 Гц. Исходный материал, снятый с частотой 24 Гц, преобразуется примерно в 60 Гц с использованием техники, называемой 3:2 pulldown, которая включает в себя вставку переменного количества дубликатов кадров, с дополнительным замедлением в 1,001 раза, при необходимости. Иногда для сглаживания дрожания используется интерполяция между кадрами. Прямые трансляции записываются примерно с частотой 60 Гц. В последние 15 лет частота 30 Гц также стала приемлемой частотой захвата, когда требуется более "кинематографичный" вид, но используются обычные видеокамеры. Запись видео с частотой кадров кино, 24 Гц, – еще более позднее развитие, которое в основном сопровождает производство HDTV. В отличие от 30 Гц, 24 Гц нельзя имитировать в пост-продакшене. Камера должна изначально поддерживать запись с частотой 24 Гц. Поскольку материал с частотой ~30 Гц выглядит более плавным, чем материал с частотой 24 Гц, выбор между частотами ~30 и ~60 Гц не так очевиден, как между 25 Гц и 50 Гц. При переносе 60 Гц видео на пленку всегда требовалось преобразование в 24 Гц с использованием обратного 3:2 pulldown. Внешний вид готового продукта может напоминать кино, однако он не такой плавный (особенно если результат возвращается в видео), а плохо выполненная деинтерляция приводит к заметному дрожанию изображения в вертикальном направлении и потере деталей. Упоминания "60 Гц" и "30 Гц" в данном контексте являются сокращениями и всегда относятся к частоте 59,94 Гц или 60 x 1000/1001. Только черно-белое видео и некоторые прототипы HDTV когда-либо работали с истинной частотой 60,000 Гц. Стандарт HDTV США поддерживает как истинные 60 Гц, так и 59,94 Гц; последний почти всегда используется для лучшей совместимости с NTSC. Материал с частотой 25 или 50 Гц, импортированный из систем 50 Гц, может быть адаптирован к 60 Гц аналогичным образом, путем пропуска или добавления кадров и интерполяции между последовательными кадрами. Наилучшее качество для материала 50 Гц обеспечивается цифровым анализом движения.
Современные цифровые системы
Цифровое видео лишено многих ограничений аналоговых форматов передачи и устройств отображения (например, ЭЛТ-дисплеев), поскольку отделяет процесс захвата изображения от процесса его отображения. В результате цифровое видео предоставляет возможность захватывать, передавать и отображать движущиеся изображения в их исходном формате, как задумано режиссерами (см. статью о пуристах), независимо от различий в видеостандартах. Платы видеозахвата, использующие MPEG или другие форматы сжатия, способны кодировать последовательности движущихся изображений в их исходном соотношении сторон, разрешении и частоте кадров (24/1.001, 24, 25, 30/1.001, 30, 50, 60/1.001, 60 Гц). MPEG и другие сжатые видеоформаты, применяющие анализ движения, помогают снизить несовместимость между различными видеоформатами, используемыми во всем мире. На стороне приемника цифровой дисплей может независимо отображать последовательность изображений с частотой, кратной частоте захвата, тем самым уменьшая видимое мерцание. Большинство современных дисплеев являются "мультисинхронными", то есть они могут обновлять изображение с частотой, оптимальной для отображаемой последовательности кадров. Например, мультисинхронный дисплей может поддерживать диапазон вертикальных частот обновления от 50 до 72 Гц или от 96 до 120 Гц, что позволяет ему отображать все стандартные частоты захвата путем преобразования частоты с использованием целых чисел.
Презентация
Сегодня на рынке представлено два типа дисплеев: те, которые отображают изображение импульсами в течение короткой части периода обновления (ЭЛТ, кинопроектор), и те, которые отображают по сути статичное изображение между моментами обновления (LCD, DLP). Импульсные дисплеи должны работать с частотой не менее 48 Гц, хотя сегодня частота ниже 85 Гц уже не считается эргономичной. Для таких дисплеев материал с частотой 24–30 Гц обычно отображается в 2, 3 или 4 раза выше частоты кадров. Материал с частотой 50 и около 60 Гц обычно отображается в своей родной частоте, обеспечивая очень точное движение без размытия. Его также можно отображать с удвоенной частотой кадров, однако движущиеся объекты будут выглядеть размытыми или с тянущимися следами, если промежуточные кадры не рассчитываются с использованием анализа движения, а не просто дублируются. Дисплеи с непрерывным отображением могут работать с любой целой кратной частоты кадров – это не повлияет на восприятие зрителя и не будет визуально различимо. Однако, как правило, дисплеи с непрерывным отображением демонстрируют заметное размытие быстро движущихся объектов в видеоматериале с частотой 50 и около 60 Гц (даже если их время отклика мгновенно). Тем не менее, существует два новых метода борьбы с размытием видео на ЖК-дисплеях: его можно эффективно преобразовать в импульсный дисплей, соответствующим образом модулируя подсветку; и/или его можно управлять с удвоенной частотой кадров, вычисляя промежуточные кадры с использованием анализа движения (см. ЖК-телевизоры). Очевидно, что если частота обновления не является целой кратной частоты кадров, плавность движения на экране будет страдать в разной степени (сильно для видео, неприятно для киноматериалов). Это часто встречается в компьютерных DVD-плеерах и PAL-телевизорах, где пользователь не переключает частоту обновления либо из-за незнания, либо из-за технических ограничений, которые иногда являются искусственными и создаются производителями, рассчитывающими на невежество пользователя. Например, некоторые ЖК-панели для ноутбуков нельзя (легко) переключить на частоту обновления, отличную от 60 Гц, а некоторые ЖК-дисплеи с входом DVI отказываются принимать цифровой сигнал, если его вертикальная частота обновления не находится в диапазоне от 58 до 62 Гц. Большинство программных DVD-плееров не поддерживают переключение режимов отображения, и даже если это делается вручную, они редко синхронизируют обновление кадров с периодами вертикального развертки дисплея. (Имеется только программная синхронизация с использованием аппаратного двойного буфера, которой недостаточно для достижения стабильности воспроизведения, сравнимой с аппаратными плеерами.)
50 против 60 Гц
Материал с частотой 60 Гц передает движение немного более плавно, чем материал с частотой 50 Гц. Недостаток заключается в том, что для его передачи требуется примерно на 1/5 больше полосы пропускания, при прочих равных параметрах изображения (разрешение, соотношение сторон). "Примерно", поскольку методы сжатия между кадрами, такие как MPEG, оказываются несколько эффективнее при более высокой частоте кадров, так как соседние кадры становятся более похожими. Однако существуют технические и политические препятствия для принятия единого мирового видеоформата. Основная техническая проблема заключается в том, что освещение сцены часто обеспечивается лампами, мерцающими с частотой, связанной с частотой местной электросети. Например, ртутное освещение, используемое на стадионах, мерцает в два раза чаще частоты сети. Съемка видео в таких условиях должна производиться с соответствующей частотой, иначе цвета на экране будут сильно мерцать. Даже лампа накаливания, работающая от переменного тока, может создать проблемы для камеры, если она недостаточно мощная или близка к концу срока службы. Впрочем, необходимость выбора единого универсального видеоформата (ради глобального обмена материалами) в цифровую эпоху должна отпасть. Режиссер видеопроизводства сможет выбирать наиболее подходящий формат для конкретной задачи, а видеокамера станет глобальным инструментом (в настоящее время рынок сильно фрагментирован).