Цифрові гальма і глюки на зображенні

Перед Вами друга частина найстрашнішою статті про цифру і її глюки, тому, якщо ще не читали, для моральної підготовки почніть з першої частини: 50 і 100 Гц bf

Хіба ми винні, що світ навколо нас - не цифровий, а простий аналоговий? bn А наші очі?, хто-небудь має "цифрове" зір? Чому ж тут дивуватися, що спроби спочатку оцифрувати сигнал, а потім перевести його назад, аналоговий, не завжди призводять до хорошого результату. Давайте визначимося з поняттями:

  • Аналоговий сигнал (аналог) - сигнал, безперервно змінюється в часі, в нашому случии це все те, що ми бачимо очима і чуємо вухами
  • Цифровий сигнал (цифра) - набір кодів, що складаються з "0" і "1", яким кодується звичайний аналоговий сигнал
  • Оцифровка - це процес перетворення кожного елемента аналогового сигналу в цифровий код, пристрої, що дозволяють це робити, називаються АЦП (Аопо Цифровой Преобразователь), логічно, що зворотний процес - переклад цифрового коду в аналоговий сигнал, виконують ЦАП (Цифро Аподаткові Преобразователи)
  • Оцифровування аналогового сигналу
  • Давайте опустимо складні визначення, фізико-технічні подробиці і зосередимося на самому процесі оцифровки. Перед Вами графік (синусоїда), уявімо, що це - звичайний звук (типу пі-і-і-і...)

    Оцифровування аналогового сигналу

    Як бачите, лінія на графіку (амплітуда) постійно змінюється в кожний момент часу. Перетворювач (АЦП) сканує сигнал з певними проміжками часу (частотою дискретизації) і записує його значення (кількість яких, до речі, теж обмежена можливостями АЦП). Це значення буде триматися до тих пір, поки не відбудеться чергове сканування і значення не зміниться. Що відбувається з лінією амплітуди між періодами сканування - перетворювач не знає. Як бачите, на вході ми мали плавну лінію, а на виході - ступінчасту (це називається дискретизированный сигнал)

    Дискретизированный сигнал

    Так як наші голови (очі і вуха) поки ще не обладнані вбудованим USB роз'ємом, доводиться цифровий сигнал декодувати (переводити його назад, в аналоговий). На цьому етапі так само виникають помилки, тому що потрібно відновити плавність і безперервність з "кусочного-нарізаного" сигналу. В результаті подвійного перетворення (аналога на цифру і цифри - в аналог) накопичені помилки можуть неслабо спотворити вихідний звук або зображення

    Відновлений сигнал

    Звичайно ж, частота сканування в сучасних перетворювачах дуже велика, а крок - дуже маленький, тому вони здатні побачити і визначити найменші зміни в сигналі, звідси і якість цифрового запису (фотографій, звуку, фільмів), але повернемося до "наших баранів" - телевізорів і знайомим простим кольоровим ілюстраціям ab

  • Колірні плями - помилки індексації
  • Не знаю, як Вам, а мені не подобаються фільми, повністю оцифровані (як Беовульф), був би це мультик - там все зрозуміло і претензій немає ніяких, але коли намагаються піднести "обманку" під реальний світ... не Можна повністю оцифрувати бурхливий потік води, палаючий вогонь, шелест листя на деревах... вони не вписуються ні в одну рівняння (які називаються рівняннями руху), комп'ютера за ними не наздогнати bl

    Мультфільми і фільми з величезною кількістю комп'ютерних спецефектів завжди будуть чіткими і красивими, так як всі кольори в них - проіндексовані. Однак, як би не старалися фахівці з комп'ютерної графіки, наше око обдурити важко, він все одно побачить і відрізнить живе зображення від штучно створеного. Подивіться, як добре видна різниця між живою фотографією і комп'ютерним клоном:

    Аналогове і оцифроване зображення людини

    Незважаючи на те, що актори були обліплені величезною кількістю датчиків, очей наполегливо бачить тільки графіку і відмовляється вірити в те, що зображення - реально

    Комьютерние анімація людини

    Реальний сигнал має надто велику кількість відтінків, техніка не встигає зловити їх всі і обробити, тому при перегляді аналогового сигналу на 100Гц телевізорах, можна було споглядати щось подібне:

    Аналогового сигнал на 100Гц телевізорах

    Телевізор індексував кольору, як міг, але зловити всі відтінки, особливо в русі - багатьом це було не під силу слабкості процесора і складності процесу обробки

  • Піксельні помилки складання
  • Ви ще не забули, що таке прогресивна розгортка? При звичайному сигналі (чересстрочном) телевізору (з цифровою обробкою сигналу) потрібно з двох напівкадрів сформувати чотири повних кадру (для 100Hz), звідки ж їх взяти? Для того, щоб додаткові кадри з'явилися, в телевізорах була схема "запам'ятовування". Вона запам'ятовувала перший полукадр і затримувала його до появи в сигналі другого полукадра. Схема "складала" їх і виходив цілий кадр (з усіх рядків: парних і непарних). Саме його промені кінескопа або цифрова матриця повинні прописати. Прописали, тепер можна було піти на перекур, так як, до появи наступного полукадра з сигналу, робити було толком нічого, а щось робити треба bn

    Саме в цьому полягало основне "прокляття" 100Гц телевізорів, що працюють на звичайному сигналі. Формувати кадри було не з чого, доводилося щось "мудрувати": прописувати один і той же кадр кілька разів, складати полукадр з минулого кадру з полукадром з нового або просто "робити вигляд", що прописуються реальні полнострочные кадри, прописуючи "допоміжні кадри" між основними. У результаті всіх "складань", на рухомих об'єктах часто виникали "піксельні" помилки, які було добре видно на великих планах або при перегляді ТБ з близької відстані. Якщо простий ТБ прописував все плавно і послідовно, відповідно до вхідного сигналу (оригінал і з збільшенням):

    Аналогове збільшення

    то цифрові - могли зробити "додавання і обробку" приблизно ось так:

    Піксельні помилки складання

    Поява відеокамер з прогресивною розгорткою помітно і набагато зменшило кількість помилок, вони давали 25 повноцінних (а не 50 черезрядковий) кадрів, а професійні - до 200 ay Тепер є з чого формувати реальні кадри на телевізорі при зйомці нових фільмів і програм, а з "старого кіна" - Ви вже вибачте, жодних 100 або 200Гц не зробити ( та й з 25 повноцінних - теж, де брати ще три кадру для 100 Гц? ah )

  • Зайві кадри
  • Як Ви вже зрозуміли, для того, щоб дивитися фільм на телевізорі з розгорткою 100Гц, потрібно (в ідеалі і це буде правильно) мати чотири повноцінних кадру в секунду на вході (в прийнятому сигналі). Так як це, на даний момент, практично неможливо, на зображенні з'являються "гальма", добре видимі нашому оку. Через штучне створення схемою додаткових кадрів, зображення "затримується" на екрані трохи довше, ніж належить, а його зміна відбувається дуже швидко

    Потужні фільтри та компенсатори руху намагаються згладити цей процес, однак вдається це далеко не завжди. В результаті, наші очі "бачать" один кадр вдвічі довше, ніж потрібно. Що з цього виходить, крім втоми очей, читайте далі bs

    Перед Вами маленький фрагмент відомого фільму (кілька секунд)

    Якщо дивитися це на телевізорі (або моніторі) з потрібною частотою розгортки - усе плавно і красиво, ніяких "смазанностей" ми не помітимо (очі послідовно сканують кадр за кадром і не напружуються). Тепер розкладемо його по кадрам, "час вирізки" одного кадру відповідає реальній частоті розгортки:

    Розкадровка розгортки

    Як бачите, перший кадр - чіткий, 2 і 3 - змащені (пішов рух), а останній (восьмий за рахунком) знову чіткий. Тепер питання: яким чином фільтр з "компенсатором" повинен скласти перший і другий кадр, щоб отримати додаткові кадри? У нього вибір: або "розмазати", або додати неіснуючу різкість. І те, і інше є "зайвим" для наших очей, так як в реальному житті вони "побачили" цей фрагмент саме так (зі змазаними кадрами), наші очі "не працюють" на частоті 100Гц, у них більше інерційність bk

    Хто не вірить, спробуйте, коли будете швидко їхати в машині, поспостерігати за ребрами забору або дорожньою розміткою з бокового вікна. Виходить вихопити кожне ребро або пунктир чітко і різко? Не-а, очі переходять в режим "плавного перегляду" і здатні "вихопити" тільки одну "деталь" і то, якщо за нею почати "слідкувати" оком, та ще і з поворотом голови be

  • Непотрібна різкість
  • Якщо формат запису та відтворення ідентичні - ніяких проблем немає, уявімо ситуацію, при якій частота кадрів запису вище, ніж частота роботи телевізора або телевізор - просто "гальма" і не встигає відпрацьовувати зміни в сигналі на своєму екрані (а гальмувати він буде, так як процес обробки, оцифровки і декількох наступний перетворень з видачею аналогового сигналу в кінці - займає багато часу і "сил"). Дивимося фрагмент (маленький):

    Це всім відома "покадрова анімація", ефект різких рухів скелетів і відсутність плавності був з-за того, що в кожному кадрі "скелет" чітко промальований, на відміну від рухів реальних акторів. Зверніть увагу на мечі, нас абсолютно не напружує "розмазаність" меча головного героя, а ось різкі скачки скелета:

    Живе жвижение і анімація Різкі переходи в анімації

    Ось що може бути, коли "час витримки" (зйомки) занадто мало, а пауза між кадрами - велика. Домагаючись підвищеної чіткості запису сигналу, цей "ефект" потрібно враховувати, особливо при дуже різких рухах або великих швидкостях знімається об'єкта:

    Рух з великою швидкістю

    Для того, щоб зняти цю машину в потрібній різкості і показати її рух без ефекту уповільнення - потрібна, як мінімум, 500Гц апаратура, причому: і камера, і телевізор. Кому мало, можете заради експерименту, посувати швидко "мишкою" і простежити за її покажчиком на екрані очима. Ну як? dq

  • Прощай, шуми - Здрастуй, квадрати
  • Цифрова обробка і передача сигналу повністю прибирає шуми (всім відому "брижі" на зображенні, однак, при поганому сигналі або помилки обробки, особливо на динамічних або складних (небо, вода) сюжетах, "брижі" змінилася квадратами (одиниці з нулями переплуталися і цифровий код частково пошкоджений)

    Квадрати на зображенні

    Таку "квадратну картинку" можна часто спостерігати при поганому сигналі з супутника або перегляді неякісної запису з ДВД. Занадто складні ділянки зображення, при неправильній обробці або слабкому процесорі, так само можуть бути замінені "квадратами" з "середнім значенням" колірної гами в ньому

    Що нас чекає далі, поживемо - побачимо, а поки... боротьба цифри а аналогом триває ab

    Посилання на цей матеріал: http://tv-el.ru/publ/3-1-0-52

    Сподобалося? Розкажи своїм друзям:

    Комментарии

    Аватар пользователя Влад

    Такі гальма бачив тільки при неякісному сигналі

    Аватар пользователя Андрей

    А ще - при несостыковке форматів буває

    Аватар пользователя fanttom

    Дуже пізнавальна стаття Ay

    Аватар пользователя Андрей

    fanttom, велике спасибі, всі наші статті написані "вручну", ми намагалися зробити їх максимально цікавими для наших читачів Bs