Майкл Робин

Видеоразрешение: форматы 525/60, 625/50, ITU-R BT/601, ATSC

Острота зрения человека, составляет порядка одной угловой минуты, т. е. под меньшим углом детали изображения глаз не воспринимает. При определении числа строк, составляющих изображения, исходили из предположения, что оно будет рассматриваться с расстояния, приблизительно в шесть раз превышающего высоту телевизионного экрана. Учитывая, что слишком большое число строк потребует лишних расходов, а при слишком малом их числе будет видна структура растра, в Америке выбрали 525 строк, а в Европе – 625.

Вертикальное разрешение – это число чередующихся белых и черных горизонтальных строк по высоте изображения. В стандартах 525/60 и 625/50 используется чересстрочная развертка. Еще 1930-е годы при разработке первых телевизионных систем было установлено, что при чересстрочной развертке вертикальное разрешение эквивалентно 70% активных строк. Этот коэффициент, названный "коэффициентом Келла" и равный 0,7, учитывается во всех телевизионных системах. Так, например, если число активных телевизионных строк составляет 485, то вертикальное разрешение будет равно 0,7Ч485=339,5, или 339 строки по высоте изображения (LPH). Если в изображении присутствуют более мелкие детали, которые не могут быть отображены 339 строками, они будут смазаны. Вертикальное разрешение не зависит от ширины полосы передачи.

Горизонтальное разрешение. Число элементов изображения на единицу его длины по горизонтали и по вертикали должно быть одинаково. Поэтому число элементов изображения, которое система показывает по горизонтали, будет равно соотношению сторон кадра, умноженному на LPH. Для формата 525/60 это составит 339Ч4/3 = 452 элемента изображения (или 226 циклов) по активной длине строки. При времени передачи активной части строки 52,5 микросекунды продолжительность цикла будет равна T = 52,85/226 = 0,2338 микросекунд, а соответствующая частота -- F = 1/T = 1/0.2338 ≈ 4,28 МГц.

Такая ширина полосы пропускания необходима, что обеспечить равное разрешение по вертикали и по горизонтали разрешение. Горизонтальное разрешение для 4,28 МГц составит 339/4,28 = 79,2 строк/МГц.

При ширине полосы пропускания 4,2 МГ горизонтальное разрешение уменьшается и составит 4,2 МГц Ч 79,2 строк/МГц ≈ 333 строк. Сокращение полосы пропускания приводит к снижению горизонтального разрешения, так, если она составляет 2 МГц, что типично для VHS, горизонтальное разрешение сокращается до 160 строк при сохранении вертикального разрешения.

Таблица 1. Горизонтальная разрешающая способность телевизионных форматов

Для форматов кодирования с композитным сигналом NTSC и PAL типичная ширина полосы цветоразностных сигналов (B-Y и R-Y) соответствует результирующему горизонтальному разрешению порядка 48 строк.

Таблица 2. Структуры дискретизации 4:2:2 и горизонтальное разрешение

Одна из особенностей зрения человека -- инерционность, благодаря этому свойству мы после исчезновения изображения продолжаем его видеть еще в течение 0,1 секунды. Поэтому для создания иллюзии непрерывного движения достаточно воспроизводить десять неподвижных изображений в секунду, но обычно, чтобы избежать мерцания, используют большую скорость показа изображений. Учитывая требования по сохранению спектральных характеристик пропускания, определяющих ширину канала 6 МГц (в Америке) или 7-8 МГц (в Европе), первые разработчики телевизионных систем решили применить чересстрочную развертку, при которой изображение делится на два последовательных поля, передаваемых с частотой 60 Гц (в Америке) или 50 Гц (в Европе). В результате они добились вполне приемлемого компромисса -- мерцание больших однородных по цвету и яркости областей соответствовало частотой полей (60 или 50 Гц). Правда, если два смежных поля значительно различались яркости, мерцание в отдельных областях могло соответствовать частоте кадров (30 или 25 Гц), что создавало очень неприятный эффект. Но в 1930-х годах эта была допустимая жертва, обеспечивающая сокращение ширины полосы пропускания.

Стандарт ITU-R BT.601 был первой попыткой для перехода от двух несовместимых аналоговых телевизионных форматов к общей цифровой структуре. В результате дискретизации исходного аналогового компонентного сигнала образуются три цифровых компонентных сигнала. В наиболее популярной структуре дискретизации 4:2:2 для сигнала E'Y (аналоговая яркость) используется частота дискретизации 13,5 МГц, а для каждого из аналоговых сигналов E'CB (синий цветоразностный сигнал) и E'CR (красный цветоразностный сигнал) -- 6,75 МГц. На эти частоты дискретизации, чтобы исключить наложение спектров, накладываются ограничения Найквиста: максимальная аналоговая частота сигнала должна быть ниже 1/2 частоты дискретизации.

В варианте 525/60 частота дискретизации яркости 13,5MHz определяется как 858 Ч FH, где FH – частота горизонтальной развертки. В результате получается 858 точек отсчета на строку. А так как на активной цифровой строке умещается 720 точек отсчета (т. е. активных пикселей), в идеальном случае при частоте Найквиста 6,75 МГц 720 пикселей в активной строке обеспечивают 3/4 Ч 720 = 540 строк в кадре. В стандарте задается ширина полосы для фильтра восстановления и исключения наложения спектров, равная 5,75 МГц, поэтому аналоговое разрешение по горизонтали составляет порядка 455 строк.

При частоте дискретизации цветоразностного сигнала 6,75 МГц на активной цифровой строке умещается 360 точек отсчета CB и 360 точек CR. В идеальных условиях при частоте Найквиста 3,375 МГц 360 пикселей на активную строку обеспечивают 3/4 Ч 360 = 270 строк. С учетом заданной в стандарте ширины полосы для фильтра восстановления и исключения наложения спектров, равной 2,75 МГц, аналоговое разрешение по горизонтали составит 218 строк.

Приведенные выше цифры для аналогового разрешения предполагают использование идеальных фильтров с ограниченной полосой нижних частот, хотя в действительности таких фильтров не существует. В последнее время очень часто число отсчетов (число пикселей) на активной строке называют "горизонтальным разрешением", а число активных строк в кадре – "вертикальным разрешением". Такое неправильное использование терминов, безусловно, приводит к дополнительной путанице в этих достаточно сложных для понимания характеристиках.

Стандарт ATSC описывает принципы дискретизации 4:2:2 для форматов телевидения стандартного и высокого разрешения. Обозначение 4:2:2 соответствует 4Ч3,375 МГц = 13,5 МГц и 2Ч3,375 МГц = 6,75 МГц. Нормализованные частоты дискретизации для телевидения высокого разрешения составляют 74,25 МГц для сигнала Y и 37,125 МГц для сигналов CB и CR, поэтому данную структуру дискретизации можно было бы назвать "22:11:11", но такое ее обозначение не было принято. Существует два формата высокого разрешения: с чересстрочной разверткой и 1125 строками на кадр (1080 активных строк) и прогрессивной разверткой и 750 строками (720 активных строк). В ATSC понятия аналогового горизонтального и вертикального разрешений полностью игнорируются, и указываемые разрешения всегда означают число активных пикселей по горизонтали и число активных строк развертки.

В последнее время часто возникают споры об однозначности значения коэффициента Келла, характеризующего неопределенность вертикального разрешения. Но не так существенно, справедливо ли общепринятое значение 0,7 и применимо ли оно в равной степени к чересстрочной и к прогрессивной развертке. Важно, что при дискретизации в камере и выводе изображения на монитор вертикальная неопределенность возникает независимо от того, используется ли чересстрочная или прогрессивная развертка (при прогрессивной развертке она меньше). Поэтому, если сигнал исходит не от компьютера, вертикальное разрешение не может совпадать с числом активных строк.

Майкл Робин -- независимый консультант по телевещанию Canadian Broadcasting Corporation, один из авторов книги Digital Television Fundamentals, опубликованной издательством McGraw-Hill. С ним можно связаться по адресу: michael_robin@intertec.com