Źródła obrazu: Skaczący obraz kinowy, brak ostrości w telewizji
Kamera kinowa Klasyczną formą ruchomego obrazu jest film kinowy. Już od prawie stu lat nagrywa się go w tempie 24 klatek na sekundę. Takie tempo przesuwu taśmy wybrano jako ówczesną formę kompresji danych, pozwalającą na oszczędzenie cennego wówczas nośnika. 24 klatki na sekundę (czyli 24 Hz) to jednak stanowczo za mało do komfortowego odbioru filmu – płynny ruch na ekranie uzyskuje się dopiero przy częstotliwości 50 Hz, kiedy to nasze oko przestaje dostrzegać przeskakiwanie kolejnych klatek. By mruganie telewizora nie było dostrzegalne, częstotliwość odświeżania powinna być jeszcze większa – obraz wygląda naprawdę dobrze dopiero przy 65–70 Hz. Dlatego właśnie, aby uzyskać wymaganą płynność, w kinie tę samą klatkę wyświetla się dwa, a nawet trzy razy, uzyskując częstotliwość odpowiednio 48 Hz lub 72 Hz.
Pierwotna kompresja pozwala, co prawda, oszczędzić taśmę i uniknąć efektu migotania, jednak brak płynności ruchu pozostaje, nawet jeśli film był kręcony w technice cyfrowej – mimo nadejścia nowej epoki Hollywood zdecydował się utrzymać standard 24 Hz, tłumacząc, że przy wyższej częstotliwości szybkie zbliżenia (i intensywny ruch kamery) oglądane na dużym kinowym ekranie, mogłyby wywołać u widzów mdłości. Specyfikacja kina cyfrowego DCI zakłada, co prawda, nagrywanie 48 klatek na sekundę, jednak w praktyce stosuje się ją jedynie w filmach trójwymiarowych. Przetworzenie tak zapisanego materiału na częstotliwość 60 Hz jest bowiem bardzo trudne, a na 72 Hz – niemożliwe.
KAMERA TELEWIZYJNA
Typowa kamera wideo, jaką zobaczymy zarówno w profesjonalnym studiu, jak i w rękach filmowca amatora, zapisuje sygnał z tzw. przeplotem, składający się z półobrazów. To również wczesna metoda zmniejszania ilości zapisywanych i przesyłanych danych. W porównaniu z metodą kinową umożliwia ona lepsze oddanie ruchu, jednak nie nadaje się do stosowania na dużym ekranie. Przeplot jest używany nawet w nowoczesnych sensorach cyfrowych, które za każdym razem są naświetlane w całości – ponieważ w studiu najczęściej wykorzystuje się sygnał złożony z półobrazów, nagranie jest od razu odpowiednio przetwarzane. Każdą sekundę filmu tworzy – w zależności od systemu obowiązującego w danym regionie świata (PAL lub NTSC) – 50 lub 60 klatek przedstawiających kolejne fazy ruchu. Ponieważ jednak następujące po sobie klatki zawierają jedynie co drugą linię obrazu, ostrość detali i krawędzi poruszających się obiektów spada o połowę. Przykładowo piłka futbolowa mająca na ekranie wysokość 40 linii zajmuje na każdej klatce sygnału z przeplotem wyświetlanej przez 0,02 sekundy jedynie 20 linii, jej krawędzie są więc mniej wyraźne, ale ruch wydaje się płynny.
Brak ostrości spowodowany przeplotem występuje niezależnie od obróbki obrazu przez procesor telewizora, i nawet najlepsze algorytmy nie radzą sobie z jego usuwaniem. Z tego powodu wszyscy producenci odbiorników rozwijają technikę skanowania progresywnego, umożliwiającą wyświetlanie wszystkich linii obrazu jednocześnie.
SKANOWANIE PROGRESYWNE
Aby uzyskać płynność ruchu przy zachowaniu ostrych konturów, niezbędne jest wykorzystanie kamery zapisującej pełne klatki z częstotliwością co najmniej 50 Hz. Niektóre stacje telewizyjne decydują się więc na nadawanie sygnału HDTV w systemie 720p/50, czyli przesyłanie w ciągu sekundy 50 kompletnych obrazów w rozdzielczości 1280×720 pikseli. Wykorzystywany również przez wielu nadawców system 1080i, podobnie jak inne standardy z przeplotem, powoduje zmniejszenie o połowę ostrości obiektów w ruchu.
Obecnie są już na rynku kamery wykorzystujące skanowanie progresywne, także aparaty cyfrowe nagrywają filmy składające się z pełnych klatek. Niestety, możliwości matryc i procesorów pozwalają zwykle na zapisanie jedynie 24 do 30 klatek na sekundę, a to zdecydowanie za mało, by ruch był płynny.
Odległym celem w przypadku technologii telewizyjnej jest tryb 1080p przy częstotliwości 50 lub 60 Hz. Nagrywanie w takim standardzie umożliwiają obecnie tylko nieliczne, drogie kamery. Nawet urządzenia studyjne nie są do niego przystosowane.
Nośniki obrazu: Sygnał telewizyjny, DVD, Blu-ray
Telewizja Film kinowy nagrany z częstotliwością 24 Hz jest najpierw przyspieszany o 4 proc. – do 25 klatek na sekundę, a następnie każdą klatkę dzieli się na dwa półobrazy. Sygnał w standardzie NTSC nadawany z USA z częstotliwością 60 Hz jest natomiast dostosowywany do 50 Hz poprzez wycięcie części klatek. Prowadzi to do wyraźnego przeskakiwania obrazu, gdyż brakuje co piątej klatki.
By z kolei przekształcić film kinowy (24 Hz) na telewizyjny standard 60 Hz, wyświetla się jedną klatkę dwukrotnie, a kolejną – trzykrotnie. Jest to przekształcenie tzw. 3:2 pulldown, również pogarszające płynność obrazu. Najgorzej wyglądają amerykańskie nagrania, które najpierw metodą 3:2 pulldown przekształcono, by uzyskać częstotliwość 60 Hz, a następnie przez usunięcie klatek dostosowano do 50 Hz.
DVD
Podczas przygotowania do zapisu na płytach DVD przeznaczone na rynek europejski filmy kinowe są, podobnie jak w telewizji, przyspieszane o 4 proc., a następnie dzielone na półobrazy. Dzięki temu zachowuje się oryginalny czas trwania i unika zniekształceń dźwięku, jak również nie traci się płynności w wyniku zastosowania techniki 3:2 pulldown.
Płyty Blu-ray
Blu-ray jest pierwszym nośnikiem wykorzystującym na całym świecie ten sam format zapisu: 24 klatki na sekundę, czyli taki sam jak stosowany w kinie. Za zachowanie płynności ruchu i uniknięcie efektu migotania obrazu odpowiedzialny jest w tym przypadku telewizor. Przez wyjście HDMI przesyłany jest sygnał 24p 1080i/p, o ile odbiornik TV obsługuje technologię 24p, w przeciwnym razie częstotliwość sygnału wynosi 50 lub 60 Hz.
Telewizory LCD: Problemy z ruchem
Wszyscy posiadacze telewizorów ciekłokrystalicznych wiedzą, jak wygląda ostry i jasny obraz. Największą wadą tego typu odbiorników – poza ograniczonym kątem patrzenia – jest rozmycie obiektów w ruchu. Powodem, dla którego ruchome obiekty są nieostre, jest tzw. efekt sample-hold, wynikający z ciągłego podświetlenia ekranu. Producenci opracowali już jednak całą gamę sposobów mających zapobiegać jego powstawaniu. Polegają one albo na zmiennym podświetlaniu panelu, albo na jego częstszym odświeżaniu.
Rzadko już wykorzystywane pojęcie czasu reakcji matrycy jest reliktem przeszłości. Używano go, gdy monitory LCD były zbyt powolne, by odświeżać obraz tak szybko, jak wymagałby tego sygnał. Do oglądania filmu wystarczy czas reakcji poniżej 15 milisekund – ten warunek spełniają wszystkie sprzedawane obecnie telewizory LCD.
Sposobem na ogromną poprawę jakości wyświetlania ruchu na ekranie ciekłokrystalicznym jest zastosowanie pulsującego podświetlenia. Z jednej strony pozwala ono na wyostrzenie krawędzi, które oko wykorzystuje do lokalizowania obiektów na ekranie, a z drugiej – skraca czas widoczności obrazu, zmniejszając stopień jego rozmycia.
Problem stanowi częstotliwość odświeżania. W przypadku standardu 50 Hz techniki pulsującego podświetlenia nie da się zastosować, gdyż migotanie byłoby zauważalne. Pierwszą próbę wykorzystania tej techniki podjął Philips – w telewizorze o częstotliwości odświeżania 75 Hz użyto świetlówek z gorącą katodą podobnych do zwykłych jarzeniówek. Z powodu zbyt wysokich kosztów zrezygnowano jednak ze stosowania tego rozwiązania. Obecnie wszyscy producenci wykorzystują w konstrukcji ekranów z pulsującym podświetleniem diody LED. Dodatkową zaletą owych komponentów jest to, że takie działanie lekko wydłuża ich żywotność w porównaniu do trybu ciągłego świecenia. By zapobiec migotaniu ekranu, stosuje się częstotliwość odświeżania 100 Hz, a w przypadku materiału w systemie NTSC – 120 Hz.
Nawet bez pulsującego podświetlenia częstotliwość 100 Hz znacznie skraca czas wyświetlania pojedynczej klatki. Oczywiście nie można – co często działo się w kineskopach 100-hercowych – wielokrotnie wyświetlać tego samego obrazu, bo wskutek tego ruchome przedmioty pozostałyby nieostre. Obecnie stosuje się 4 (opisane poniżej) metody umożliwiające właściwe przedstawianie ruchu.
WSTAWIANIE CZARNEJ KLATKI
Wstawianie pomiędzy dwie klatki filmu jednej całkowicie czarnej umożliwia zwiększenie ostrości ruchomych obiektów poprzez skrócenie o połowę czasu wyświetlania pojedynczego obrazu. Niestety, wiąże się to ze zmniejszeniem o połowę jasności ekranu, gdyż przez połowę czasu światło jest blokowane. Ponadto pojawia się migotanie charakterystyczne dla częstotliwości 50 Hz. Z tego powodu metoda wstawiania czarnej klatki nie jest stosowana w normalnych telewizorach LCD – wykorzystują ją jedynie projektory Sony VPL-VW80 i VPL-VW200.
WSTAWIANIE SZAREJ (BĄDŹ CIEMNEJ)
KLATKI
Ta metoda polega na dwukrotnym wyświetlaniu obrazu przedstawiającego tę samą fazę ruchu, przy czym zmianie ulega jego jasność – w ten sposób podkreśla się ostre krawędzie. Różnicę jasności uzyskuje się poprzez wygięcie krzywej gamma lub dodanie tonów szarych. Lekkie migotanie możliwe jest przy tym tylko w niektórych sytuacjach. Efekt wyostrzający jest słabszy niż w wypadku techniki wstawiania czarnej klatki.
WSTAWIANIE NIEOSTREJ
KLATKI
W tej technice jedynie co druga klatka jest wyświetlana w pełnej ostrości, przez co obraz sprawia wrażenie nieco wytartego. Nie występuje migotanie, nie ma strat jasności, ale lekko spada ostrość.
WYKRYWANIE I KOMPENSACJA RUCHU
Jest to metoda opierająca się na generowaniu nowych obrazów przedstawiających pośrednie fazy ruchu i wstawianiu ich między istniejące klatki. By uniknąć powstania błędów, niezbędne jest wykorzystanie wyspecjalizowanych algorytmów. Ich działanie przypomina kompresję MPEG, choć nie jest identyczne. MPEG szuka pasujących do siebie wzorów na całym obszarze obrazu, zaś podczas tworzenia klatek pośrednich brany jest pod uwagę jedynie obszar przed poruszającymi się obiektami i za nimi.
Większość telewizorów wykorzystujących tę metodę znajduje różnice między dwiema kolejnymi klatkami. To jednak nie wystarcza, jeśli różne obiekty na obrazie poruszają się względem siebie, a zwłaszcza gdy kamera podąża za obiektem. W takim przypadku dwa obrazy dostarczają zbyt mało informacji o obszarach wokół przemieszczającego się przedmiotu oraz przy krawędziach kadru. W takich miejscach powstają jasne obręcze zwane aureolami lub – z angielskiego – halo.
Efekt aureoli nie pojawi się, gdy porównane zostaną 3 kolejne klatki, co umożliwia na przykład chipset Panasonic PNX5100. Jego wadą jest opóźnienie wyświetlania materiału o 0,1 sekundy oraz wysoka cena, a także to, że – mimo technologicznego wyrafinowania – na obrazie wciąż czasem powstają artefakty.
Dzięki generowaniu dodatkowych obrazów możliwe jest też wygładzenie ruchu w filmach kinowych. Zamiast kilkukrotnego wyświetlania każdej z 24 klatek tworzących sekundę filmu, wprowadza się pomiędzy nie od 3 do 9 kroków pośrednich, osiągając w ten sposób częstotliwość odświeżania od 96 Hz do 240 Hz. Film jest dzięki temu tak płynny, jakby był nagrany w standardzie telewizyjnym. Jednak ortodoksyjnym kinomanom taka technika niekoniecznie przypadnie do gustu.
Każdą z powyższych metod można zastosować zarówno w telewizorze 100 Hz, jak i 200 Hz. Dobrym przykładem jest technologia Motionflow 200 Hz zastosowana dla trybu PAL przez firmę Sony w telewizorach Bravia Z4500. W systemie NTSC jest to 240 Hz, zaś 96 Hz podczas odtwarzania płyt Blu-ray 24p.
Teoretycznie, im częściej jest uaktualniana zawartość ekranu, tym mniej rzuca się w oczy efekt rozmycia. Przy częstotliwości odświeżania wynoszącej 100 Hz obiekt, który w ciągu 10 sekund przemieszcza się od jednej do drugiej krawędzi telewizora Full HD (por. ramka po lewej stronie), będzie zajmował dwa piksele. Jego ostrość będzie więc o połowę mniejsza niż przy częstotliwości 200 Hz, kiedy miałby jedynie 1 piksel szerokości.
Obecnie najlepsze efekty daje połączenie generowania klatek pośrednich i pulsującego podświetlenia, umożliwiające jeszcze większe skrócenie czasu wyświetlania jednego obrazu.
Telewizory plazmowe: problem fałszywych konturów
Obraz na ekranie plazmowym powstaje zupełnie inaczej niż na panelu ciekłokrystalicznym. Impuls elektryczny wywołuje świecenie każdej komórki z osobna. Zatem nic nie jest tu podświetlone cały czas, a włączanie i wyłączanie poszczególnych pól jest mniej lub bardziej bezpośrednio sterowane przez sygnał wizyjny. Każda pojedyncza komórka może być jedynie włączona lub wyłączona. Odcienie pośrednie uzyskuje się więc poprzez jej szybsze lub wolniejsze migotanie. O uzyskanej jasności decyduje długość odstępu między mrugnięciami.
Czas wyświetlania jednej klatki filmu zostaje więc podzielony na możliwie wiele odcinków, z których pierwszy zabiera połowę tego czasu, drugi jedną czwartą itd. Połowę jasności uzyskuje się, włączając komórkę na połowę czasu wyświetlania klatki, zaś dla uzyskania 70 proc. jasności niektóre obszary trzeba aktywować ponownie. W ten sposób obiekt jest wyświetlany dwukrotnie – raz jaśniej, raz ciemniej. Ponieważ oba błyski następują w tym samym miejscu, chociaż oko podąża za ruchem przedmiotu, powstają tzw. fałszywe kontury – przed lub za krawędzią obiektu przemieszcza się “cień”. Nie jest on bardzo wyraźny, ale jeśli raz go dostrzeżemy, będziemy go widzieć zawsze. Warto zauważyć, że takie zjawisko występuje nie tylko w telewizorach plazmowych, ale też w projektorach typu DLP.
Sposobem na znaczne ograniczenie (choć nie całkowite usunięcie) efektu fałszywych konturów jest generowanie dodatkowych klatek. Ponieważ ekrany telewizorów plazmowych są zbudowane z pulsujących komórek, nie są one wolne od zjawiska migotania. Z tego powodu coraz częściej stosuje się w nich częstotliwość odświeżania 100 Hz oraz rozwiązania poprawiające płynność filmów kinowych.
Za sprawą subiektywnej oceny ostrości obiektów w ruchu, plazmy zyskują przewagę nad większością telewizorów LCD. Tylko najbardziej zaawansowane panele ciekłokrystaliczne oferują zbliżoną jakość. Rozwiązania poprawiające ostrość ruchomych obiektów niemal zawsze radzą sobie również z płynnym wyświetlaniem filmów kinowych – czasem aż za dobrze. Zdarza się, że telewizor sztucznie wyostrza ujęcia, które celowo były nakręcone rozmyte… Powstaje pytanie: czy elektronika powinna w ten sposób ingerować w dzieło reżysera?
Oferując telewizory o częstotliwości odświeżania 200 Hz, Sony wywiera na konkurentów silną presję. Można się spodziewać, że w niedalekiej przyszłości pojawi się więcej modeli o podobnych, a może nawet wyższych parametrach – LG zaprezentowało niedawno plazmę, której ekran pulsuje 600 razy w ciągu sekundy.
Bardziej jednak niż wyścigu herców życzylibyśmy sobie nowego, bezstratnego algorytmu konwersji pomiędzy sygnałem 50 Hz (europejski PAL) a 60 Hz (amerykański NTSC). Odbywająca się już za rok olimpiada w Vancouver w Kanadzie będzie nagrywana z szybkością 60 klatek na sekundę – ruch zawodników po przekształceniu sygnału na 50 Hz będzie więc mniej lub bardziej skokowy. Osiągnięcie lepszego efektu umożliwia tylko bardzo drogi sprzęt, jakim dysponują jedynie niektóre stacje telewizyjne.
Ale niezależnie od tego, czy oglądamy obraz o częstotliwości 24, 50, 60, 100 czy 200 Hz – liczby niewiele mówią o jego jakości. Jeśli chodzi o odwzorowanie ruchu na ekranie, najlepszym przyrządem pomiarowym pozostaje ludzkie oko.
600 Hz na ekranie
Panasonic wprowadził do sprzedaży w Polsce trzy telewizory plazmowe serii G10 wykonane w rewolucyjnej technologii NeoPDP, pozwalającej na osiągnięcie rekordowej częstotliwości odświeżania obrazu wynoszącej 600 Hz. Inne parametry: kontrast 40 000:1 i czas reakcji na poziomie 0,001 ms, powinny zadowolić każdego wielbiciela filmów akcji i dynamicznych gier. Telewizory serii G10 sprzedawane będą w odmianach 42-, 46- i 50-calowej. Ceny, w zależności od rozmiaru ekranu, oscylują pomiędzy 6000 a 8500 zł.
Efekt sample-hold: obraz jest rozmazany
Poza problemami z płynnością, utrata ostrości ruchomych obiektów jest największym wyzwaniem dla producentów nowoczesnych telewizorów.
Pionowy pas o szerokości jednego piksela jest wyświetlany tak samo dokładnie zarówno na plazmie, jak i na ekranie ciekłokrystalicznym. Widać go wyraźnie, a jego kontury są ostre. Sytuacja zmienia się diametralnie, gdy pasek zaczyna poruszać się w poziomie: szczególnie na wyświetlaczu LCD staje się on rozmazany.
Weźmy na przykład telewizor Full HD. Jego ekran składa się z 1920 linii o szerokości jednego piksela. Przyjmijmy, że nasz pasek przesuwa się od lewej do prawej krawędzi wyświetlacza w ciągu 10 sekund (czyli niezbyt szybko). Oznacza to, że w ciągu sekundy zmienia on swoje położenie o 192 piksele. W tym czasie obraz jest odświeżany jedynie 50 razy. Na każdej kolejnej klatce pasek musi więc być przesunięty o całe 4 piksele, przy czym jego szerokość wynosząca 1 piksel nie ulega zmianie. Zmienia się za to jego obraz widziany przez obserwatora – śledzi on obiekt swoim okiem, pokonując w ciągu 0,02 sekundy 4 piksele. Szerokość obrazu pionowego paska na siatkówce jest więc czterokrotnie szersza od rzeczywistej, czyli jest on bardzo nieostry. Podobny efekt dałoby sfotografowanie pasa: jeżeli trzymalibyśmy aparat bez ruchu, na zdjęciu byłaby jedynie wąska kreska (pod warunkiem że czas naświetlania byłby krótszy niż 1/50 sekundy), jeśli jednak spróbowalibyśmy śledzić obiekt obiektywem, zdjęcie byłoby rozmazane.
Do ograniczenia lub usunięcia tego efektu (zwanego sample-hold) stosuje się różne techniki. To, w jakim stopniu jest on widoczny, zależy również od rodzaju ekranu. Urządzenia umieszczające między dwiema kolejnymi klatkami czarną planszę, takie jak np. projektory, wyświetlają ostrzejsze kontury, czyniąc rozmycie wywołane ruchem mniej widocznym.
Lepsza ostrość dzięki wyższej częstotliwości odświeżania
Dzięki skróceniu czasu wyświetlania pojedynczej klatki o połowę – z 0,02 s (50 Hz) do 0,01 s (100 Hz) – poruszające się obiekty wydają się nam znacznie mniej rozmyte. Ważne jest przy tym, by wygenerowany obraz pośredni przedstawiał nową fazę ruchu, naturalną dla śledzącej ruchomy obiekt gałki ocznej.
ROZMYTY OBRAZ Przy częstotliwości odświeżania 50 Hz każda klatka jest widoczna przez 0,02 sekundy. W tym czasie oko przesuwa się, ale obiekt pozostaje w tym samym miejscu. Z tego powodu jego obraz na siatkówce jest niewyraźny.
LEPSZY OBRAZ Przy 100 Hz każda klatka jest widoczna tylko przez 0,01 sekundy. Klatki pośrednie (2, 4, 6) nie pochodzą z przesłanego sygnału, ale muszą być wygenerowane elektronicznie. Obraz widziany przez obserwatora jest mniej rozmyty.