Рис. 1
Многообразие используемых сегодня стандартов и форматов, средств сохранения информации и интерфейсов, методов обработки сигналов и их сжатия ставит перед разработчиками современных телевизоров трудные задачи: параметры изображения должны быть такими, чтобы оно не мерцало при любых частотах кадров и строк. Кроме того, должны одинаково высококачественно воспроизводиться различные виды изображения: от обычного аналогового с форматом 4:3 до цифрового (HDTV) с форматом 16:9.
Разработчики передающих устройств идут по пути "подгонки" современных систем под состояние все еще эксплуатируемых аппаратов, а современные высокоразрешающие матричные дисплеи должны быть специально "подстроены" под устаревшую передающую технику, чтобы получить высокое качество изображения.
Обо всем этом и пойдет речь в публикуемой статье
Эфирное аналоговое телевидение с постоянно изменяющимся от ряда факторов невысоким качеством приема остается пока основным в нашей стране. Атмосферные помехи, отражения от зданий и других объектов, помехи от электроприборов, радиотелефонов и машин - основные причины, ухудшающие изображение.
Кабельное аналоговое телевидение, уже давно используемое в крупных городах, обеспечивает более высокое качество изображения, так как большинство помех, связанных с наземной передачей сигналов, не принимают во внимание. Здесь уже частично применяют цифровые методы шумоподавления с использованием гребенчатых фильтров (2D-шумоподавление) или, что намного эффективнее, со сравнением каждого кадра изображения с предыдущим без потери деталей (3D- или временное шумоподавление). Первый способ используют для сцен с высоким уровнем движения, потому что в них редко совпадают положения точек изображения текущего кадра и предыдущего (иначе возникнет заметная потеря четкости). Второй способ применяют при неподвижном изображении и в сценах с малым уровнем движения.
Кроме шумоподавления, в кабельном телевидении применяют методы цифрового повышения четкости краев изображения. В европейских странах уже сейчас повсеместно используют цифровые приемники, и недалек тот день, когда и в России будет широко распространено цифровое телевидение Наилучшим способом получения высокого качества цифрового изображения при быстрой смене сцен, конечно, считается увеличение ширины полосы канала. Но поскольку это невозможно, сегодня в основном используют метод сжатия сигналов MPEG-2, который, хотя и увеличивает пропускную способность канала передачи, не всегда позволяет получить неизменно высокое качество изображения [1]. При этом, чем выше степень сжатия (а в некоторых случаях скорость передачи двоичных символов не превышает 2...3 Мбит/с, т. е. степень сжатия достигает более чем 100 раз), тем хуже качество изображения
Ухудшение проявляется в виде размытия контуров (иногда его называют "замыливанием"), появления окантовок на резких переходах яркости изображения, искажения цветов на переходах между ними, появления ступенек (заметно, как правило, в увеличенном масштабе изображения), "мошкары" или "мух" (Mosquito Noise), при которых наблюдается мерцание, напоминающее летающий рой, следов ("хвостов") за движущимися объектами и т. п.
Уменьшение степени сжатия (скорость передачи символов может достигать 200 Мбит/с и более), использование блока снижения артефактов (Block Artifact Reduction), применение уже упомянутых 2D- и ЗР-шумоподавителей практически устраняют перечисленные дефекты цифрового изображения.
В производство телевизионной и другой видеопродукции везде в мире вкладывают большие средства для обеспечения естественности получаемого изображения по яркости и цветности. Для этого следят за правильностью установки баланса белого, цветовой температуры и других параметров Студийные видеомониторы гарантируют безупречную цветопередачу, чего нельзя сказать о телевизорах с обычными кинескопами, ЖКИ и даже про плазменные панели.
В связи с указанным электронную "начинку" современных телевизоров разрабатывают так, чтобы компенсировать недостатки используемых в них дисплеев, например, чтобы зеленый газон не выглядел коричневым, небосклон действительно был голубым, а кожа человека имела телесный цвет.
К стандартному составу современного телевизионного видеопроцессора можно отнести также "расширители синего и зеленого", корректоры уровня сигналов отдельных элементов поверхности объекта, нелинейные гамма-корректоры, динамические регуляторы яркости и контрастности, улучшители цветовых переходов и др. Тесное взаимодействие разработчиков микросхем и производителей телевизоров обеспечивает многообразие вариантов исполнения и сокращает сроки проектирования аппаратов.
Очевидно, что классический телевизор с кинескопом лучше всего приспособлен к приему телевизионного вещания, обеспечивая разрешение 720x568 точек и более и используя чересстрочную развертку. Такой же формат применен в популярных сейчас проигрывателях DVD. Поэтому даже недорогие телевизоры не требуют никаких преобразований форматов.
Решением всех проблем масштабирования могло бы быть телевидение высокой четкости (ТВЧ - HDTV), так как при этом преобразованное в 4...5 раз разрешение передается так, что одному излученному пикселю соответствует другой, точно такой же, на экране телевизора. Например, в цифровом стандарте ATSC (Сев. Америка, Япония, Корея) предусмотрено 18 различных комбинаций разрешения, частот смены кадров и полей, которые после декодирования должны подходить под особенности применяемого в телевизоре дисплея [2].
Учитывая, что неподвижные изображения встречаются довольно редко, а большинство их все-таки движущиеся (от медленно изменяющихся панорам пейзажей до стремительных сцен в фильмах и спортивных передачах), то если не нарушен баланс белого, формат изображения подходит к размеру дисплея, уровень шумов минимален, четкость и контрастность оптимизированы, а диагональные линии не имеют зубцов и ступенек, можно считать, что производитель телевизора выполнил "обязательную" программу.
"Произвольная" же программа состоит в том, чтобы движущееся изображение подогнать под любой дисплей и, что самое главное, приспособить картинку к наилучшему восприятию.
Электронно-лучевая трубка воспроизводит изображение в том же виде в каком его передают - методом чересстрочной развертки, и благодаря относительно малому времени послесвечения световых точек изображение получается стробоскопичным и, следовательно, представляет собой последовательность быстро сменяющихся моментальных картинок. Во время темной фазы (обратного хода лучей) мозг человека реконструирует предыдущие моменты движения и, следовательно, получает информацию о его непрерывности.
Матричные же дисплеи работают с целыми картинками, т. е. используют прогрессивный метод развертки. Поэтому они требуют преобразования сигнала конвертером прогрессивной развертки - деинтерлейсером (Deinterlacer).
При увеличении размера экрана и скорости смены изображения зритель замечает и возникающие при этом побочные эффекты преобразования полукадров в целые кадры. Другими словами, чем больше размер экрана, тем выше требования к устройствам телевизора, отвечающим за обработку видеоизображения [3].
Простой метод преобразования полукадров в целые кадры, т. е. удвоение числа строк, иллюстрирует рис. 1. При этом каждая строка одного полукадра воспроизводится дважды. Такой метод из-за половинного вертикального разрешения и мерцания строк приемлем только для неподвижных изображений и в телевизорах с размером экрана по диагонали не более 37 см.
Улучшенное горизонтальное разрешение получают применением кадровой интерполяции в телевизорах с размером экрана по диагонали до 55 см. Для больших размеров экранов необходимы более сложные и дорогостоящие методы преобразования.
При использовании деинтерлейсера с устройством сохранения изображения (запоминающим устройством - ЗУ) из двух следующих друг за другом полукадров (рис. 2, сверху) можно получить целое изображение (Frame Based Deinterlacing). При этом вертикальное разрешение достигает полного числа строк сигналов систем PAL (576) или NTSC (480). Такие сигналы уже можно подавать на большие экраны, однако в бы-стродвижущихся объектах при указанном методе появляется некоторая "потрепанность" ("бахрома"), так как в каждом полукадре они находятся на другом месте (рис. 2, снизу).
Суть метода под названием Motion Adaptive Deinterlacing состоит в том, что области с высокой интенсивностью движения (динамические изображения) обрабатываются методом строчной интерполяции. Способ приемлем уже для экранов с размером диагонали 72 см и более, хотя и возникают в некоторых местах ухудшения четкости изображения (рис. 3).
Рис. 3
Последний из описанных методов мог бы удовлетворить самых придирчивых потребителей и производителей телевизоров, если бы не одна проблема. Телевизионные программы и DVD-фильмы используют частоту полукадров 50 Гц (соответственно частоту кадров 25 Гц), в то время как ЖК и плазменные панели, произведенные в основном в странах с системой NTSC, - 60 Гц (30 Гц). Необходимое преобразование одной частоты в другую (60 в 50 Гц) называют фактором 1,2. Оно обеспечивается в телевизоре повторением каждого пятого полукадра. На рис. 4 сверху показаны картинки с частотой 50 Гц, снизу - преобразованные кадры с частотой 60 Гц, а посередине - как каждый пятый полукадр демонстрируется дважды. Потребитель, как правило, не замечает связанных с этим погрешностей, а видеоэксперты обнаруживают их лишь при быстрой смене изображения.
Рис. 4
Еще больше заметны погрешности такого преобразования при воспроизведении фильмов. Изначально запечатленные на пленке с частотой 24 кадра/с они демонстрируются с частотой 50 полукадров/с или их записывают на DVD и показывают на 60-герцовом телевизоре. При преобразовании развертки важно, прежде всего, чтобы соответствующие друг другу полукадры обеспечили "свое" целое изображение, а поскольку эта информация не закодирована ни в одном из сигналов (аналоговом, цифровом, DVD-проигрывателя), подаваемом через SCART, то в телевизоре необходимо иметь так называемый режим распознавания фильмов. В нем сравнивается содержимое двух полукадров, чтобы максимально быстро идентифицировать правильный режим, называемый Pull Down (2:2 для 50 Гц и 3:2 для 60 Гц). Для режима распознавания фильмов необходимы высокие скорость и точность, поскольку сюжеты в них сменяются в доли секунды, а сами они также быстро могут сменяться рекламными блоками.
Для перехода к частоте смены полукадров 60 Гц в матричных дисплеях телевизоров применяют переменное (двух- или трехразовое) повторение реконструированных целых кадров (режим Reverse 3:2 Pull Down), а в более продвинутых решениях - конвертацию 24-х или 25-ти полных кадров в 50 или 60 кадров созданием (синтезом) недостающих кадров, которые имеют правильно позиционированные объекты и поэтому создают непрерывный процесс движения. Только компенсация движения устраняет расплывчатость при показе фильмов на 60-герцовых матричных экранах (рис. 5).
Рис. 5
Этот метод особенно удачен при движении перед неподвижным фоном или при колебаниях камеры, или при удалении и приближении объектов. Такую технологию называют двигательно-скомпенейрованным сверхпреобразованием (Motion Compensated Upconversion). Она имеет особенности. Так, например, промежуточные картинки не передают в телевизионном сигнале и не записывают на DVD, но они должны быть воссозданы телевизором в режиме реального времени. Для этого в нем необходимо иметь ряд устройств сохранения полного изображения и исполнения алгоритма сравнения двух исходных картинок, прогнозирования дальнейшего изменения положения всех имеющихся на них объектов и создания одного или более промежуточных изображений с правильным положением движущихся объектов.
Жидкокристаллические и другие дисплеи, например, кремниевые LCoS (Luquid Cristal on Silicon) и световые DLP (Digital Light Processing), сохраняют постоянными значения цветности и яркости каждого пикселя во время демонстрации картинки. Сделано это для того, чтобы дать время глазу приспособиться и получить немерцающее изображение.
То, что представляется преимуществом в компьютерных монитоpax, на которых отображаются в основном неподвижные изображения, наносит огромный ущерб при воспроизведении движущихся изображений на телевизионных дисплеях. Глаз лучше приспосабливается к стробоскопичным изображениям, базирующимся на опорных точках движения, которые показываются очень быстро и с очень высокой четкостью, что и позволяет глазу лучше воспринимать непрерывное движение объектов. В случае ЖК дисплеев опорные точки остаются на экране намного дольше, чем необходимо для восприятия, что и приводит к возникновению нечеткости движущихся объектов на экране.
Современные ЖК дисплеи имеют быстродействие (его называют временем отклика пикселя), достигающее 10 мс, т. е. примерно половины длительности одной картинки. Это делает острой проблему упомянутых выше опорных точек. Для придания изображению субъективно большей четкости иногда сокращают время свечения экрана синхронизированным выключением фонового освещения (задней подсветки) на половину времени показа картинки. Такая коррекция может быть заложена в современные видеопроцессоры.
Похожий эффект достигается без какого-нибудь аппаратного вмешательства "гибкими" функциональными модулями (один из них на основе микросхемы FRC9429A рассмотрен ниже), которые программируют так, что они позволяют видеть каждый второй кадр изображения темным.
Оба рассмотренных способа позволяют ЖК дисплеям приблизиться по четкости изображения к электронно-лучевым трубкам. Однако яркость изображения при этом уменьшается наполовину, что нельзя назвать преимуществом, особенно больших ЖК дисплеев, которые конкурируют с более яркими плазменными панелями.
Для решения проблемы вместо затемненной второй картинки необходимо создать новое изображение, содержащее те же опорные точки, которые глаз ожидает именно в требуемые моменты. С указанной целью применяют устройство двигательно-скомпенсиро-ванной чересстрочности (Motion Compensated Deinterlacing) - деинтер-лейсер в микросхеме FRC9429A фирмы MICRONAS (рис. 6). В сочетании с микросхемой VGC5969B устройство работает не только с частотами 50 и 60 кадров/с, но и 75,90 и даже 120, что обеспечивает изображение с высоким разрешением и в телевизорах, и в мониторах. Микросхема VGC5969B работает совместно с ЗУ SDRAM (динамическое ОЗУ).
Рис. 6
Комбинация двух микросхем обеспечивает оптимальное представление общепринятых сигналов систем PAL, SECAM, NTSC на все больше внедряющихся аппаратах HDTV. Фирма MICRONAS объединила в одной зарегистрированной марке "truD" следующие отличительные знаки качества: Motion Compensated Deinterlacing, Smooth Diagonal Lines (устранение типичных для матричных экранов ступенек на диагональных линиях), Sharpness Enhancement (улучшение четкости сигналов), Contrast Enhancement (повышение динамической контрастности).
В связи с тем что качество изображения можно оценить лишь субъективно, а точнее, с ограниченной объективностью, важно понять, какие потери четкости деталей готов понести потребитель для до- стижения минимальных помех в изображении. Многочисленные возможности улучшения изображения, которые стали доступными с появлением новых поколений микросхем обработки видеосигналов, приводят к широкому спектру потребительских предпочтений, которые зависят от производителя телевизоров и региона сбыта.
Для российского потребителя важно, чтобы наряду с совместимостью с HDTV имелась возможность высококачественного приема обычного аналогового телевидения или SDTV на матричном экране с высоким разрешением. Именно поэтому для производителей матричных телевизоров очень важен правильный выбор микросхем улучшения изображения и обработки видеосигналов.
ЛИТЕРАТУРА
Автор: A.Пескин, г.Москва