Статьи
 

Еще раз о сравнении форматов 1080i и 720p

В последнее время в российских телевизионных и отчасти кинематографических кругах достаточно широко обсуждаются два формата телевидения высокой четкости (ТВЧ или, в английской аббревиатуре, HDTV). Один из них обозначается 1080i и имеет размер кадра 1920х1080 при 30 (25) чересстрочных кадрах в секунду (его также обозначают как 1080/60i (1080/50i), где 60 (50) – число полукадров или полей в секунду). Другой формат, 720р содержит 1280х720 пикселов на кадр при 60 прогрессивных кадрах в секунду (720/60р). Приоритетное использование сегодня получил формат 1080i и тому есть веские исторические причины, которые будут рассмотрены ниже. Однако, с выпуском фирмой Panasonic линейки оборудования стандарта DVCPROHD, в котором в основном используется формат 720/60р, споры о том, какой формат дает лучшее качество, вновь получили новый импульс.

В данном обзоре, основанном на зарубежных публикациях, рассматриваются два формата 1080i и 720р с точки зрения их использования в современных системах телевизионного производства и вещания. Телевизионный мир на сегодня разделился на два лагеря, каждый из которых приводит аргументы в пользу применения одного из двух рассматриваемых форматов. Есть небольшое число специалистов, утверждающих, что при имеющемся в настоящее время оборудовании для съемки и отображения ТВЧ сигнала, различия между форматами несущественны и полемика на эту тему – пустая трата времени. В связи с тем, что съемочное оборудование ТВЧ получает в нашей стране все более широкое распространение, вопрос о том, кто прав, до сих пор актуален. Рассмотрим аргументы сторон и попробуем на основании уже имеющихся экспериментальных данных различных исследователей дать на него ответ.

Основные доводы в пользу чересстрочной развертки были изложены и направлены в американский комитет связи FCC в 1996 году. В то время велось активное обсуждение по выбору формата для цифрового ТВЧ вещания. В качестве основных преимуществ использования чересстрочного формата были выдвинуты следующие утверждения.
  1. В чересстрочной развертке вертикальное разрешение при заданной спектральной полосе пропускания и кадровой частоте повышается в два раза.

  2. Прогрессивная развертка при одинаковых размерах кадра требует большей полосы пропускания канала, чем чересстрочная развертка.

  3. При чересстрочной развертке требуются более дешевые приемники ТВЧ сигнала.

  4. Использование прогрессивной развертки увеличивает эксплуатационные расходы телекомпаний.

  5. Не создано телекамер с прогрессивной разверткой, обладающих достаточным отношением сигнал-шум.

  6. Все существующие ТВ системы стандартной четкости имеют чересстрочную развертку

Впоследствии были приведены убедительные доказательства того, что все, кроме, разумеется, последнего из этих аргументов, ошибочны. Рассмотрим первые два утверждения.

Действительно, во всех современных аналоговых телевизионных системах используется чересстрочная развертка, в которой нечетные строки одного кадра передаются в одном поле, а четные строки в другом. Идея состояла в том, чтобы получить одновременно удвоенную частоту сканирования для устранения мерцаний и удвоенное вертикальное разрешение при сложении двух полей в кадр. Но все оказалось не так хорошо, как задумывалось. Эти предложения справедливы только в том случае, когда два последовательных поля взяты из одного и того же неподвижного кадра, а затем просуммированы. Для подвижной картинки эта схема не работает. Более 35 лет назад в своей работе E. F. Brown из фирмы Bell Labs показал, что фактически степень повышения разрешающей способности зависит от яркости картинки. При стандартной яркости она составляет только 10%, а не 100%! Таким образом, чересстрочная развертка на самом деле не работала, как задумывалось, даже в аналоговых системах.

Чересстрочная развертка создает целый ряд артефактов в изображении. Самый известный из них – строчный фликкер эффект (дрожание строк), наиболее заметно проявляющийся, когда соседние строки в кадре существенно отличаются друг от друга. Например, когда одна строка – черная, а другая – белая. Фликкер эффект наиболее заметен при максимальном вертикальном разрешении. Поэтому приходится уменьшать вертикальное разрешение для подавления абсолютно недопустимого дрожания строк. Таким образом, формальное разрешение систем с чересстрочной разверткой не соответствует разрешению, достигаемому на практике. Фактическое вертикальное разрешение обычно незначительно выше, чем число строк на полукадр, а не на кадр.

В середине 90-х годов различные ТВ лаборатории начали интенсивно исследовать сравнительную способность к сжатию сигнала прогрессивной (ПР) и чересстрочной развертки (ЧР). Если ПР и ЧР сигналы имеют одинаковые число строк на кадр и скорость полей (например, 720х576р при 50 кадр/сек и 720х576i при 25 кадр/сек.), то для сигнала ПР требуется в два раза большая пропускная способность, чем для сигнала Ч. Однако из-за гораздо более высокой межкадровой корреляции в сигнале ПР, можно осуществлять компрессию сигналов ПР и ЧР, например по алгоритму MPEG, при равных цифровых потоках (Мбит/сек) и практически с одинаковыми качественными параметрами. Эти результаты были получены фирмами Bell Labs, NHK, RAI и консорциумом Research in Advanced Communications in Europe. Таким образом, проблем с расширением полосы передачи данных при использовании сигнала ПР вместо сигнала ЧР нет.

Что касается 3-го и 4-го утверждений, то приемники сигнала ЧР на данный момент незначительно дешевле приемников сигнала ПР. А преобразователь прогрессивной развертки в чересстрочную можно встроить в MPEG декодер для использования в телевещании с прогрессивной разверткой почти бесплатно. При этом декодер MPEG для формата 1080i требует более чем в два раза большую память по сравнению с подобным устройством для формата 720p, поэтому затраты растут, а не снижаются. В любом случае стоимостью конвертера ЧР-ПР, который используется при подготовке материала для трансляции можно пренебречь по сравнению с затратами на процесс цифровой передачи сигнала.

Пункт 5 отпал вместе с разработкой в 2001 году фирмой Panasonic превосходной камеры стандарта 720р и ее демонстрацией на конгрессе NAB. Большинство из присутствовавших на демонстрации разрешения 720p, утверждали, что изображение соответствовало лучшей телевизионной картинке, которую они когда-либо видели.

Таким образом, никаких неудобств, повышенных финансовых расходов, ограничений с точки зрения качества при трансляции сигнала ПР, а не сигнала ЧР не существует. Пример тому – использующая формат 720р вещательная сеть компании ABC, которая действует на территории США.

Если провести лежащее на поверхности сравнение по числу строк в кадре, то в формате 1080i их, разумеется, больше, чем в формате 720р. Из этого сторонниками 1080i часто делается вывод, что разрешение по вертикали (т. е. количество различимых горизонтальных линий в тестовой таблице) в данном формате выше. Второй аргумент сторонников 1080i основан на подсчете общего количества пикселов в кадре. В формате 1080i их содержится 2073600, а в формате 720р - только 921600. На основании этого простого подсчета делается утверждение, что формат 1080i дает в 2 раза более четкую картинку, чем формат 720р.

Однако при более тщательном рассмотрении оказывается, что простое сравнение чисел не отражает истинного положения дел. Формат 1080i – чересстрочный. В чересстрочной развертке кадр формируется из двух полей (или полукадров), получаемых последовательным сканированием сначала четных, а затем нечетных (или наоборот) строк изображения. Формат 720р использует прогрессивную развертку, т. е. кадр формируется за однократное сканирование всего изображения. Поэтому прямое сравнение числа строк формата 1080i и 720р некорректно, поскольку в первом случае за 1/60 секунды мы получаем 540 строк изображения, а во втором 720. Если рассматривать время получения полного кадра в формате 1080/60i, то за 1/30 секунды в формате 720/60р мы получим 1440 строк против 1080.

Если изображение статическое, то вертикальное разрешение в формате 1080 будет выше, чем в 720р. Однако основная задача телевидения – передача движущихся изображений. Поэтому следует сравнивать динамические вертикальные разрешения двух форматов. В этом случае формат 720р предпочтительнее. Дело в том, что при чересстрочной развертке два поля одного кадра из-за наличия движения объекта съемки имеют существенные различия. При этом эффективная величина динамического вертикального разрешения, как показывают проведенные в разных исследовательских центрах тесты, определяется как 0,6 х число строк, т.е. в данном случае 648 строк. Это значение меньше 720 прогрессивных строк формата 720р, в котором нет артефактов чересстрочной развертки.

С дополнительными трудностями пришлось столкнуться при передаче видеосигнала в формате 1080 по каналу с полосой пропускания 7 МГц. Оказалось, что при компрессии видеоматериала, необходимой для передачи по имеющимся каналам связи, возникают артефакты, т. е. изображение периодически распадается на блоки с «цветными квадратами». Поэтому было принято решение оцифровывать не 1920, а 1440 пикселов в строке. Таким образом, при трансляции вертикальное разрешение (т. е. количество различимых горизонтальных линий в тестовой таблице) сразу понижается на 25%. В случае формата 720р такого ограничения не требуется.

В заключение коснемся не менее важного вопроса о горизонтальном разрешении (т. е. количестве различимых вертикальных линий в тестовой таблице) форматов 1080i и 720р. Прямое сравнение 1920 и 1280 точек на строку на первый взгляд предполагает, что мы получим в более высокое горизонтальное разрешение в формате 1080i. Однако и это предположение не оправдывается. Как мы уже видели выше, реально в строке формата 1080i содержится не 1920, а 1440 отсчетов. Кроме того, не следует упускать из виду тот факт, что изображение изначально формируется в ТВЧ камере. Для этих камер разработаны специальные HDTV объективы, которые должны обеспечивать необходимую разрешающую способность для формирования ТВЧ картинки. Однако, на сегодняшний день по заявлению представителя фирмы Fujinon лучшие образцы HDTV объективов обеспечивают горизонтальное разрешение в центре кадра около 1100-1200 линий. Поэтому горизонтальное разрешение, получаемое сегодня в форматах 1080/60i, 1080/24р и 720/60р на практике не превышает 1200 линий. Это обстоятельство было подтверждено в серии тестов, проведенных ATTC (Advanced Television Testing Center).

Подводя итог, следует сделать вывод, что формальное разрешение 1920х1080 на практике не достигнуто. Вертикальное разрешение формата 1080i ниже формата 720p, горизонтальные разрешения сравнимы. Однако формату 1080i присущи хорошо известные искажения чересстрочной развертки. Качественного преимущества в использовании формата 1920х1080i нет. Использование формата 1280х720р позволит получить наивысшее соотношение качество ТВЧ сигнала /цена оборудования на сегодняшний день.

Использованные материалы:

  1. Two Million Pixels are Better than 1 Million Pixels by William F. Schreiber, Prof. Emeritus of Electrical Engineering, MIT; 21st, The VXM Network, http://www.vxm.com
  2. DTV Bandwidths; http://alvyray.com/DigitalTV
  3. US Digital TV Requires Split Formats by Masaharu Tanaka and Naoki Asami; http://www.nikkeibp.com/
  4. High Definition Video, Version 1.01, March 20, 2002; www.leitch.com
© ООО "ВАИС"