Чем определяется резкость

Адам Уилт

      Резкость зависит не только от разрешения. Ее определяет апертурная характеристика системы.
      Почему камкордер Sony TRV-900 (380 тыс. пикселей в матрице ПЗС) дает более резкие изображения, чем VX1000 (410 тыс. пикселей)? A потому, что резкость зависит не только от количества пикселей, или разрешения. В этой статье мы рассмотрим те факторы, которые определяют резкость изображения.

Апертурная характеристика для черно-белых изображений

      Контрастность, воспроизводимая некоторой системой формирования изображения на заданной пространственной частоте, определяется глубиной модуляции. Если изображение из черных и белых линий воспроизводится так, что уровень черного составляет 0%, а белого — 100%, то глубина модуляции равна 100%. При измерении с помощью синусоидального сигнала она называется функцией передачи модуляции (ФПМ), а при измерении с помощью прямоугольного сигнала — функцией передачи контрастности (ФПК).
      Развертывающая, или считывающая апертура — это точечное отверстие, которое по размеру равно, например, пятну электронного луча развертки в камерах на ЭЛТ или одному светочувствительному элементу в камерах на ПЗС и через которое считывается изображение. (Ее не следует путать с апертурой объектива — между ними нет ничего общего.) Если по сравнению с передаваемыми деталями апертура мала, то глубина модуляции будет большой. Когда вы снимаете картинку из широких черных и белых линий, захватывающих по многу элементов матрицы ПЗС, то большинство элементов попадает на сплошную внутреннюю часть белой или черной области, давая на выходе видеосигнал с уровнем 100% или 0% соответственно. По мере увеличения частоты и уменьшения размеров деталей линии становятся настолько узкими, что уже полностью не накрывают отдельных элементов; в этом случае каждый элемент “видит” смесь черных и белых линий и выходит уже не чисто черным или белым, а передает различные оттенки серого. Таким образом, при росте частоты глубина модуляции уменьшается и кривая апертурной характеристики опускается.
      Напомним, что высокая частота связана не только с мелкими деталями, но и с резкими переходами на изображении. Такие частоты есть везде, где очень близко друг к другу находятся светлые и темные места.

Строки телевизионной развертки

      Числом строк телевизионной развертки задается предельное разрешение системы по горизонтали. Однако эта характеристика имеет две особенности. Во-первых, “строка развертки” соответствует одной различимой детали. В нашем гипотетическом примере с чередующимися черными и белыми вертикальными линиями каждая черная и каждая белая линия — это строка развертки (в отличие от более привычного способа, используемого для пленки, объективов и звукозаписей, когда разрешение измеряют количеством пар линий, или периодов). Таким образом, если разрешение составляет 500 строк телевизионной развертки, это означает, что может быть передано 250 черных и 250 белых линий — всего 250 пар линий, но 500 строк.
      Во-вторых, разрешение всегда приводят к квадратному экрану, т. е. выражают количеством телевизионных строк по высоте кадра (твл/h). Такая приведенная характеристика позволяет сравнивать разрешение телевизионной системы по горизонтали (именно эту цифру обычно указывают при описании устройства) с разрешением по вертикали, которое определяется количеством строк в кадре и типом используемой развертки (чересстрочная или прогрессивная). К тому же она не зависит от формата кадра (4:3 или 16:9). Если разрешение камеры составляет 600 строк телевизионной развертки, то это значит, что поперек изображения на длине, равной высоте кадра, укладывается ровно 600 строк. Однако при съемке в формате 4:3 на самом деле на полной ширине кадра поместится 800 строк [(4 : 3) x 600]; если же используется формат 16:9, то это число увеличится до 1067.
      Вот почему для двухрежимных камер (4:3 и 16:9) указывают одно и то же разрешение: оно приведено к высоте кадра, хотя в режиме 16:9 количество пикселей в строке больше, чем в режиме 4:3. Иногда в спецификациях к камерам можно встретить утверждения типа: “700 твл в режиме 16:9, что эквивалентно 930 твл в режиме 4:3”. Этим разработчики хотели сказать примерно следующее: если взять все пиксели, которые может дать приемная матрица для режима 16:9, и перегруппировать их так, чтобы получился кадр формата 4:3, то у этого кадра будет разрешение 960 твл. Но первая формулировка звучит строже.
      А что за картинка получится, если попытаться полностью реализовать номинальную величину разрешения? Вспомним, что апертурная характеристика падает с увеличением частоты. В описании камер в качестве предельного разрешения одни фирмы-изготовители указывают величину, соответствующую точке, в которой апертурная характеристика составляет всего 5 % от максимальной; для других это точка, в которой кривая пересекает уровень шума, т. е. пропадают все детали. Таким образом, предельным является действительно максимально достижимое разрешение, но оно совсем не всегда практически приемлемо.

Количество пикселей

      Матрицу ПЗС можно характеризовать либо полным, либо эффективным количеством пикселей. В полное число входят и те пиксели на концах строк, на которые не попадает свет или которые используются для стабилизации цифрового изображения, а эффективное учитывает только те, что действительно участвуют в формировании изображения. При прочих равных условиях чем выше разрешение, тем лучше. Число пикселей в строке развертки определяет верхний предел разрешения; матрица, имеющая в строке развертки 700 пикселей по высоте кадра, обеспечивает разрешение не более 700 твл/h.
      Во многих камерах с тремя матрицами для улучшения этого показателя зеленую матрицу ПЗС сдвигают на половину пикселя по горизонтали относительно красной и синей матриц. Разрешение в этих случаях, как правило, улучшается, потому что естественные объекты изображения обычно содержат значительную долю как зеленого, так и синего и красного цветов. Однако если вы снимаете нечто чисто зеленое или, напротив, абсолютно не имеющее зеленой компоненты, то сдвинутая матрица не дает дополнительных отсчетов яркости, способных улучшить разрешение. Соответствующие места кадра будут выглядеть менее резкими по сравнению с остальным изображением (хотя обычно это различие можно заметить только при очень пристальном разглядывании). В камерах с одной матрицей такая же проблема возникает, когда предмет не содержит каких-то цветовых компонент, соответствующих цветам мозаичного фильтра на матрице.
      Не следует путать или сравнивать количество пикселей, которое обеспечивает камера, с величиной 720 отсчетов на строку, принятой в большинстве цифровых форматов SDTV-записи. Между ними нет однозначного соответствия (но это тема для отдельного разговора).

Наложение спектра

      Наложение спектра — явление, при котором высокочастотные детали изображения ошибочно передаются как низкочастотные; иногда этот эффект проявляется в виде дрожащей муаровой картинки в тех местах, где изображение содержит мелкие повторяющиеся детали, например, уходящую вдаль изгородь из сетки или штакетника. Это напоминает дрожание цвета на экране телевизора, если на персонаже надет пиджак из твида или рубашка с мелким рисунком, хотя в последнем случае мы имеем дело с взаимовлиянием цветов в композитном видеосигнале — ложным отображением яркостных деталей в цветовой информации.
      Данный эффект характерен для тех случаев, когда детали изображения в строках развертки оказываются мельче шага дискретизации (fs), который для матрицы ПЗС определяется количеством пикселей в строке. Вы можете возразить: “Как же так, ведь предел Найквиста равен половине частоты дискретизации!”. И будете правы: если камера имеет разрешение 700 пикселей по высоте кадра, то она передает не более 350 пар линий, или периодов, по высоте кадра. Но вспомним, что мы говорили не о парах линий, а о строках телевизионной развертки: такая камера в состоянии разрешить не более 700 строк до появления ложных частот. Апертурный предел разрешения соответствует частоте, позволяющей на ширине апертуры уложиться двум строкам развертки, а предельное разрешение, не дающее наложения спектра, равно половине этой частоты!
      Очевидно, что наложение спектра надо как-то предотвратить или хотя бы ослабить. Для этого используют оптический фильтр нижних частот (НЧ-фильтр) — несколько слоев стекла со слегка замутненной поверхностью, находящиеся поверх матрицы ПЗС и слегка размывающие мелкие детали. В идеале ФПМ такого фильтра должна составлять 100 % для всех частот ниже того предела, после которого возникает наложение спектра (предел Найквиста), а выше него — сводиться к нулю. К сожалению, это невозможно: характеристики фильтра могут изменяться очень резко, но не до бесконечности. Да и с практической точки зрения было бы нежелательно полностью отсекать характеристику в точке предела Найквиста, так как в этом случае мы потеряем слишком много мелких деталей. При проектировании фильтров приходится выбирать компромиссное решение между минимизацией наложения спектра за счет подавления высокочастотных деталей и передачей деталей ценой пропускания некоторого количества ложных частот. Неудивительно, что изготовители выбирают разные решения. Те из них, чьи матрицы имеют запас по разрешению, предпочитают подавление деталей, у кого же такого запаса нет, обычно идут на более сильное наложение спектра, пропуская некоторую долю высокочастотной информации.

Апертурная коррекция

      Апертурная коррекция, или “подчеркивание границ”, представляет собой электронный способ подчеркивания высоких частот, компенсирующего пониженную глубину модуляции. Многие камеры и мониторы для этого имеют регулировки, называемые настройкой резкости или детальности. Такая регулировка поднимает суммарную ФПМ системы в той области, где она снижается, восстанавливая контрастность и усиливая на изображении мелкие детали и границы. Если сделать ее слишком сильной, то контуры получатся жестко подчеркнутыми, как на графическом рисунке: в некоторых спортивных репортажах или ток-шоу можно наблюдать очень резкие кадры, по которым сразу видно, что они сняты не на кинопленку, а на видео.

Что же такое резкость?

      Итак, мы подошли к главному вопросу: что такое резкость? Она определяется площадью под кривой системной характеристики, т. е. не просто предельным разрешением, а тем, как это разрешение достигается и что при этом делает система. При апертурной коррекции эта кривая приподнимается, как показано на рисунке, и резкость изображения заметно повышается. В 1948 г. Отто Шаде ввел понятие “эквивалентного числа строк” (NE), определяемого как квадрат площади под кривой. Величину NE в спецификациях не указывают, но она является достаточно хорошей количественной характеристикой визуально воспринимаемой резкости изображения.
      Теперь понятно, почему изображения, полученные на камере TRV-900, кажутся более резкими, чем картинки с камеры VX100: хотя первая имеет меньшее количество пикселей, т. е. меньшее предельное разрешение, в ней сильнее подчеркиваются границы (причем намного). Ее характеристика не простирается так далеко, как у VX1000, но в области высоких частот она проходит выше, поэтому и площадь под кривой больше.
      И даже с камерой Canon GL1, имеющей всего 270 тыс. пикселей, можно добиться очень высокой резкости, выведя на максимум регулировку подчеркивания границ, — конечно, если вас устраивают резкие края изображения!