Обзоры видеокамер: определения, терминология, пояснения.

Необходимость написания этой статьи назрела давно - в наших обзорах мы порой используем специальную терминологию, которая для человека, впервые заинтересовавшегося видеокамерами и начавшего читать эти обзоры, может показаться "китайской грамотой". Не один раз встречаются в форумах отзывы типа "читал, интересно, но почти ничего не понял..." А вновь и вновь пояснять в каждом обзоре значение того или иного термина просто нет никакого желания. Сразу хочу сказать, что эта статья не является FAQ-ом по вопросам связанным с видеокамерами и видеосъемкой вообще. Цель данной статьи - прояснить терминологию, которая встречается в публикуемых нами обзорах.  

Данная статья касается терминологии, которая встречается в первой части развернутых обзоров - "Субъективных тестах" , статья, поясняющая тесты в программе Imatest уже была опубликована ранее.

 

Тестовая таблица EIA1956 и определение разрешения

 

Щелкните по картинке, чтобы увидеть изображение большего размера

 

Основным инструментом для определения разрешения видеокамер, используемым в наших обзорах, является тестовая таблица EIA1956, изображенная выше. Для определения собственно разрешающей способности используются вертикальные и горизонтальные штриховые миры, отходящие от центра таблицы, рядом с которыми нанесены цифры обозначающие разрешение. Методика тут такова - таблица снимается с расстояния примерно 1.5 метра, причем с помощью зума камеры необходимо сделать так, чтобы она точно вписывалась в кадр - белые реперные стрелки (по две на каждой стороне таблицы) должны упираться в края кадра. Это, пожалуй, самая сложная часть подготовки к данному тесту, и дело тут не только в опыте и сноровке (хотя и они играют немалую роль). Основная проблема заключается в том, что и экранчик видеокамеры и телевизор с чересстрочной разверткой не показывают полный кадр, происходит отсечка части поля зрения (так называемый cropping) как по вертикали, так и по горизонтали. Поэтому настройка должна проводится по устройству с прогрессивной разверткой. В наших тестах для этой цели используется монитор компьютера. Видеокамера подключается к компьютеру через интерфейс IEEE1394 и все настройки делаются по изображению таблицы на экране монитора. Еще один важный элемент данного теста - освещение, таблица должна быть хорошо освещена, желательно, чтобы это освещение было равномерным по полю таблицы.

Разрешение камеры определяется так - мы должны найти последнюю точку на соответствующей мире, где все четыре полосы еще различимы раздельно и посмотреть какому числу линий она соответствует (по цифрам сбоку от миры). Это и будет разрешением вашей камеры. При этом вертикальная мира служит для определения горизонтального разрешения, а горизонтальная мира - вертикального.  Цифры на таблице соответствуют так называемым ТВЛ - стандартной величине для измерения разрешения в видеотехнике. Подробнее об этом можно почитать в этой статье , в ней же рассматриваются и некоторые другие вопросы, связанные с определением разрешения.

В конце данного раздела - информация для тех, кто собирается самостоятельно измерить разрешение своей видеокамеры. На этой странице  вы сможете скачать файл с большим изображением EIA1956 в различных форматах, как растровых, так и векторных. Распечатав его на лазерном принтере (желательно на листе формата A3, но и A4 тоже подойдет) и прикрепив получившийся отпечаток к твердой основе, вы получите собственную тестовую таблицу, которую сможете использовать для измерений.

 

Чересстрочный и прогрессивный режимы работы видеокамеры.

Режим frame

 

В большинстве случаев съемка на бытовую видеокамеру проходит в чересстрочном режиме. В этом режиме полный DV кадр (720х576) составлен из двух полукадров (720х288), сдвинутых по времени на 1/50 секунды. При этом, при составлении полного кадра строки идут в чередующемся порядке (1-я строка первого полукадра -  1-я строка второго полукадра - 2-я строка первого полукадра - 2-я строка второго полукадра - и.т.д.). При просмотре на телевизоре с чересстрочной разверткой такая картинка будет выглядеть нормально, поскольку телевизор тоже выводит полукадры последовательно с интервалом в 1/50 сек. (мы говорим о стандарте PAL). Но вот для просмотра на устройствах с прогрессивной разверткой (например - монитор компьютера или LCD телевизор) такой метод получения и вывода изображения уже не подходит. В таком устройстве сразу выводится полный кадр, а значит видео, снятое в чересстрочном режиме будет демонстрировать хорошо известную "гребенку" на движущихся объектах. Возникает она потому, что, как вы помните, второй полукадр снят с запаздыванием в 1/50 сек. по отношению к первому полукадру, а выводятся они на экран при прогрессивной развертке одновременно! То есть на движущихся объектах возникает сдвиг полукадров относительно друг друга и, соответственно, "гребенка". Для иллюстрации можно привести  кадр видео, снятого в чересстрочном режиме и показанный на мониторе компьютера:

 

Щелкните по картинке, чтобы увидеть изображение оригинального размера

 

Обратите внимание на птиц в правой части кадра. За 1/50 секунды быстро летящая птица успевает сместится настолько, что смещение полукадров друг относительно друга создает двойной силуэт птицы - один из нечетных, а другой из четных строк кадра! 

Для просмотра видео на устройствах с прогрессивной разверткой больше подходит прогрессивный режим видеосъемки. В этом режиме сразу строится полный DV кадр (720х576) и поэтому никакой "гребенки" не может быть по определению. При этом частота следования кадров составляет 25 кадров в секунду (такой режим часто обозначается как 25p, p - прогрессив. Соответственно, чересстрочный режим обозначают 50i, i - interlace, чередование). Помимо отсутствия "гребенки" прогрессивный режим имеет еще одно преимущество - при прочих равных условиях вертикальное разрешение в этом режиме выше, нежели в чересстрочном режиме. Ну а недостатком этого режима является малая частота смены кадров из-за чего относительно быстрое движение в нем выглядит немного стробоскопично, движение в кадре идет небольшими рывками.

Надо отметить, что честный прогрессив в бытовых видеокамерах встречается крайне редко. Связано это со сложностью реализации и чересстрочного и прогрессивного сканирования на одной матрице, это стоит денег, производители же стремятся снизить цену своих продуктов. Поэтому чаще всего в качестве прогрессивного режима нам предлагается некий суррогат под общим названием "frame mode". Я не имею возможности описать принципы действия этого режима, каждый производитель организует его по своему и детали этой организации мне не известны. Но у всех этих режимов есть одно общее свойство - они "стартуют" от чересстрочного режима и, с помощью различных ухищрений, устраняют "гребенку" при просмотре на экране с прогрессивной разверткой. Простейшая реализация такого режима - съемка в чересстрочном режиме с выдержкой 1/25 сек. (владельцы видеокамер с ручной регулировкой выдержки могут легко это проверить). При такой выдержке оба полукадра должны браться из одного кадра (снятого с выдержкой 1/25 = 1/50 + 1/50), а значит соседние полукадры не сдвинуты по времени относительно друг друга и "гребенки" не будет! На самом деле этот режим в видеокамерах разных производителей реализован более сложно, позволяя не ограничиваться одним значением выдержки, но общий принцип тот же - модификация чересстрочного сканирования матрицы. И отсюда следует основное его свойство - в режиме frame не происходит увеличения вертикального разрешения по сравнению с чересстрочным режимом (один из существенных плюсов честного прогрессивного режима), более того - зачастую происходит даже падение вертикального разрешения!

В наших обзорах мы не знаем заранее - честный ли прогрессивный режим реализован в той или иной модели видеокамеры, или же одна из разновидностей режима "frame" (а производители обычно это скромно умалчивают). Поэтому нам остается лишь руководствоваться вышеозвученным правилом - если при переходе в прогрессивный режим у камеры возрастает вертикальное разрешение - значит, скорее всего, прогрессив на ней реализован честно. Если не возрастает (а то и падает) - значит под прогрессивом на ней понимается одна из разновидностей режима "frame".

 

Широкоэкранный режим:

леттербокс и анаморф, "правильный" и "неправильный" 16:9

 

В этом разделе я не буду объяснять, что такое широкоэкранный режим и зачем он нужен, думаю, что читатель этой статьи уже знает ответ на эти вопросы. А тут мы с вами кратко поговорим о принципах формирования широкоэкранного изображения в современных miniDV видеокамерах.

И начнем мы с основополагающего факта - формат DV жестко задает размер кадра итогового видео - 720x576. И он должен быть таким в любом режиме, будь то нормальный режим 4:3, будь то широкоэкранный режим 16:9. И если с первым все более-менее ясно, то со вторым возникает проблема - как привести кадр с пропорциями 16:9 к заданному размеру? Путей тут два. Первый, наиболее простой, заключается в том, чтобы взяв исходную картинку 16:9 "дорисовать" её до нужного размера кадра, добавив снизу и сверху пустые области (черные полоски).  Называется это леттербоксным преобразованием  широкоэкранной картинки. Его проблема заключается в нерациональном использовании кадра - ведь значительную часть кадра занимают области, не несущие никакой информации (черные полосы). Более того, при обработке в видеоредакторах эти области тоже рассматриваются как часть кадра, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Например, к ним также будут применяться выбранные вами эффекты - последствия этого могут быть весьма плачевны. Второй путь более сложен в реализации, но лишен присущих леттербоксному преобразованию недостатков. В нем широкоэкранная картинка сжимается по горизонтали до нужных пропорций. При этом, без дополнительной обработки, она выглядит растянутой по вертикали, с искаженными пропорциями предметов.  А широкоэкранный телевизор (или телевизор формата 4:3 с включенным широкоэкранным режимом) опять растягивает её по горизонтали - так что в итоге мы получаем нормальное широкоэкранное изображение, без всяких искажений картинки. Такое преобразование широкоэкранной картинки называется анаморфным преобразованием и оно, очевидно, лишено основных недостатков преобразования леттербоксного, поскольку в нем используется вся площадь кадра. Нижеприведенные иллюстрации наглядно показывают суть обоих преобразований:

 

Картинка в режиме 16:9
Картинка в режиме 4:3	Леттербоксное представление широкоэкранного режима	Анаморфное представление широкоэкранного режима

 

Ну а теперь настал черед поговорить о том, как режим 16:9 реализуется на уровне матрицы видеокамеры. Сразу хочу сказать, что единственный правильный способ реализации широкоэкранного режима на этом уровне - матрица с соотношением сторон 16:9. Но я не знаю ни одной бытовой камеры, которая бы имела подобную матрицу(матрицы). Так что нам придется рассмотреть способы формирования широкоэкранного изображения на матрице с соотношением сторон 4:3, то есть нам надо найти способы создания "подматрицы" с соотношением сторон 16:9 внутри матрицы с соотношением сторон 4:3. А их, по сути своей, только два - либо сузить используемую площадь матрицы по вертикали, либо расширить её по горизонтали. Тут надо учесть, что на матрицах современных видеокамер всегда есть излишек пикселей, который используется для фоторежима и/или электронной стабилизации изображения. Вот за счет этого излишка и можно реализовать второй способ. В первом способе мы получим сужение поля зрения по вертикали и уменьшение вертикального разрешения матрицы, во втором - расширение поля зрения по горизонтали при сохранении вертикального разрешения. Эти способы часто называют "неправильным" и "правильным". Наглядно они проиллюстрированы на нижеприведенных рисунках:

 

Реализация широкоэкранного режима на уровне матрицы

 

"Неправильная"

"Правильная"

 

На этих рисунках красной рамкой обозначена общая площадь матрицы, синей - площадь матрицы, используемая в режиме 4:3, зеленой -  площадь матрицы, используемая в режиме 16:9.

Надо отметить, что на этих рисунках изображены крайние варианты, на самом деле реализация широкоэкранного режима на большинстве современных видеокамер представляет нечто среднее между ними (то есть широкоэкранный режим образуется одновременно как за счет некоторого сужения используемой площади матрицы по вертикали, так и за счет некоторого расширения этой площади по горизонтали).

Хочу особо обратить ваше внимание на тот факт, что анаморф и леттербокс формально никак не связаны с "правильным" и "неправильным" использованием матрицы. То есть вполне возможен "правильный" леттербокс или "неправильный" анаморф.

Оценка использования матрицы в наших обзорах происходит путем сравнения величины поля зрения видеокамер (которое прямо пропорционально эффективной площади матрицы) в различных режимах. Для оценки поля зрения используется следующая таблица:

 

 

Именно по ней оценивается поле зрения видеокамер в различных режимах и строятся схемы использования матрицы в этих режимах, подобные вышеприведенным.

 

 Экспозиционные параметры - некоторые определения

 

Основными параметрами, характеризующими экспозицию, для видеокамер являются выдержка, диафрагма и усиление. 

Выдержка - это время экспонирования матрицы, время, в течении которого она находится под воздействием света и копит заряд (измеряется это время в секундах). Тут есть одна тонкость, которую многие видеолюбители не понимают или не принимают во внимание. Дело в том, что стандарт PAL подразумевает смену 50 полей в секунду (в чересстрочном режиме) и эта цифра не может быть изменена. Если выдержка составляет 1/50 секунды - проблем нет, в этом случае время экспонирования матрицы совпадает с частотой смены полей. А как быть, если вам необходимо сделать выдержку в 1/100 секунды? В этом случае экспозиция и будет длиться 1/100 секунды, но частота смены полей остается 50 Гц (50 полей в секунду, а отнюдь не 100) и мы получаем следующую картину - кадры с выдержкой 1/100 следующие друг за другом через 1/50 секунды. При выдержке 1/1000 сек. мы будем иметь кадры с выдержкой 1/1000 следующие друг за другом опять же через 1/50 секунды! Я думаю, что вы уже понимаете, к чему это приведет. Чем меньше будет выдержка - тем более скачкообразным будет выглядеть быстрое движение, оно потеряет плавность (хотя сама картинка будет оставаться четкой, из-за малой выдержки "смаза" изображения не будет). Ну а что будет, если нам нужна выдержка больше 1/50 секунды? Пример, как происходит формирование изображения в чересстрочном режиме на выдержке в 1/25 сек мы уже рассматривали выше. В качестве второго примера рассмотрим выдержку 1/3 сек. (типичную для камер Sony в режиме Super NightShot). Общее правило осталось неизменным - нам нужно обеспечить 50 полей в секунду. Но у нас выдержка больше в 16.7 раза! Что делать?! Решение просто - взять 16 полей (8 полных кадров) из одного кадра, без смещения во времени. Выдержка, правда, получается чуть меньше - 0.32 сек. (так оно и есть на самом деле, камера при показе экспопараметров округляет её до 1/3 сек.). А вот "гребенки", присущей чересстрочному режиму, не будет и тут. Её вообще не будет ни на одной выдержке, большей 1/50 сек. 

Но единственной выдержкой, синхронизованной по длительности с частотой смены полей является 1/50 сек. и автоматическая регулировка экспозиции на камерах старается удержать её как можно дольше, меняя сначала другие экспопараметры.

Диафрагма - это величина, обратная относительному отверстию объектива видеокамеры (относительное отверстие - отношение диаметра объектива к его фокусному расстоянию). То есть если вы видите значение диафрагмы f 1.8, то это означает, что диаметр объектива видеокамеры и его фокусное расстояние находятся в соотношении 1/1.8, фокусное расстояние в 1.8 раза длиннее диаметра объектива. При этом очевидно, что чем большее значение диафрагмы мы (или автомат камеры) выставляем - тем меньше будет, при неизменном фокусном расстоянии объектива, его эффективный диаметр и тем меньше света он пропустит через себя. Более того - освещенность матрицы зависит от величины диафрагмы квадратично - к примеру освещенности матрицы при диафрагмах f 4 и f 5.6 будет различаться в два раза (в два раза больше при f 4).

Усиление - электроника камеры способна усиливать величину сигнала с матрицы для получения более яркого изображения в условиях недостатка света. Измеряется усиление в децибелах (dB) и его можно определить по формуле:

,

где в скобках стоит отношение усиленного сигнала к первоначальному. То есть усиление в 6 dB означает увеличение электронным образом величины сигнала в 2 раза, а усиление в 18 dB - в 8 раз! Но надо помнить, что усиление сигнала не проходит бесследно - с его ростом растет и зашумленность картинки, уровень яркостных шумов. Так что применять его надо только тогда, когда разумный ресурс по другим экспопараметрам уже исчерпан.

 

Баланс белого

 

В повседневной своей практике мы как-то не задумываемся над тем, что спектральный состав освещающего нас света (соотношение в нем красной, синей и зеленой компонент) меняется в зависимости от типа источника света. То есть белый лист нам кажется белым всегда, независимо от того, освещен ли он лампочками нашей люстры или же светом голубого неба в солнечный день, хотя освещение в двух этих случаях весьма сильно отличается по спектральному составу. Обязаны мы этим нашему мозгу - он компенсирует избыток красного цвета в первом случае  и избыток синего - во втором. Очевидно, что в видеокамеру тоже должен быть встроен подобный механизм, иначе цветопередача нашего видео будет, мягко говоря, весьма далека от идеала. И такой механизм есть, называется он балансом белого.  

Немного теории. Спектральный состав света можно оценить по так называемой цветовой температуре - температуре абсолютно черного тела (которое ничего не отражает, только само испускает свет) при которой спектральный состав излучаемого им света соответствует спектральному составу нашего источника света. Измеряется цветовая температура в градусах Кельвина, масштаб шкалы Кельвина совпадает с масштабом шкалы Цельсия, но нулевая точка у них разная, у шкалы Кельвина ноль соответствует абсолютному нулю температуры, -273 С. В таблице ниже приведены цветовые температуры для некоторых наиболее распространенных источников света:

 

 

Итак, что такое установка баланса белого в видеокамере? Это процедура, в которой видеокамера подбирает поправочные коэффициенты к основным цветам (красный, зеленый, синий) таким образом, чтобы обеспечить естественную цветопередачу для данных световых условий (спектрального состава света). Делается это тремя основными способами - автоматическая установка баланса белого, предустановки (обычно - Indoor и Outdoor) и ручная установка баланса белого. Рассмотрим каждую из них по отдельности.

Автоматическая установка 

В этом случае происходит следующее. Электроника камеры оценивает цветовую температуру света (или по сигналу с матрицы камеры или с помощью отдельного датчика) и "заглядывает" в специальную таблицу, хранящуюся в памяти камеры, в которой для наиболее распространенных значении цветовой температуры хранятся искомые поправочные коэффициенты к основным цветам. То есть эти коэффициенты не вычисляются, в памяти видеокамеры храниться некий их набор и камера берет их оттуда. Плюс такого подхода состоит в простоте и быстроте - камера может настроить баланс белого очень быстро. Ну а минус тоже очевиден. Количество хранимых в таблице значений цветовой температуры (и поправочных коэффициентов) ограничено. Что будет, если цветовая температура источника света, измеренная камерой, не будет соответствовать ни одному табличному значению? В этом случае камера возьмет поправочные коэффициенты из ячейки с наиболее близким к измеренному значением цветовой температуры. То есть точного соответствия не будет, а это неизбежно приведет к ошибкам цветопередачи.

Предустановки Indoor (искусственное освещение) и Outdoor (естественное освещение)

В этом случае все очень просто - камера хранит всего один набор поправочных коэффициентов (для каждой предустановки) и считывает их, когда вы её (соответствующую предустановку) выбираете. В спецификациях камер обычно указывают, какой цветовой температуре источника света соответствует та или иная предустановка, например для видеокамер фирмы Sony предустановка Indoor соответствует 3200К, а предустановка Outdoor - 5500К.

Ручная установка баланса белого (в терминологии Sony - One-Push, установка баланса белого одним нажатием)  

Ну а это - наиболее совершенный, но и наиболее сложный из рассматриваемых способов установки баланса белого. В этом случае камера наводится на белый (а точнее нейтральный, серый, для которого соблюдается равенство между основными цветами - R=G=B) лист, который должен быть освещен именно тем же источником света, что и снимаемая сцена. При нажатии на соответствующую кнопку камера вычисляет поправочные коэффициенты к основным цветам так, чтобы сделать белый лист белым в данных световых условиях, для данного спектрального состава света (сравнивая его с эталонным белым, хранящимся в памяти видеокамеры). При этом считается, что если мы привели белое к белому, то мы автоматически привели красное к красному, зеленое к зеленому, синее к синему. Плюс такого способа установки очевиден - мы получаем точные значения поправочных коэффициентов именно для данной цветовой температуры. Ну а минус - необходимость наличия белого листа, нажатия на кнопку (собственно, только в этом и заключается участие оператора, так что терминология Sony - One-Push - более правильна) и определенного времени на вычисление поправочных коэффициентов.

 

 

Электронная и оптическая стабилизация изображения

 

Как известно, на современных бытовых камерах встречаются оба типа стабилизации изображения (компенсации дрожания камеры, и, соответственно, изображения, которое особенно заметно при съемке с рук на средних и больших значениях зума). При этом оптичесткие стабилизаторы являются особенностью камер высшего ценового диапазона (я говорю о бытовых камерах). В чем же разница между этими двумя типами стабилизации, каковы достоинства и недостатки каждого из этих типов?

Электронная стабилизация (её еще называют цифровой стабилизацией)

В этом способе часть пикселей на матрице камеры отводится на стабилизацию и не участвуют в формировании изображения (например из 800К пикселей на матрице камеры Sony DCR-HC15E только 400К участвуют в формировании картинки). "Лишние" пиксели служат своеобразным буфером - при дрожании камеры картинка "плавает" по матрице и электроника камеры фиксирует эти колебания, используя эти "буферные" пиксели и вносит необходимую коррекцию, компенсируя дрожание картинки. При этом важно, чтобы при своем дрожании картинка всегда находилась в пределах матрицы, не уходя за буферную зону, иначе электроника не сможет вычислить и применить необходимые поправки. Как мы видим, основной особенностью электронного стабилизатора является то, что стабилизация происходит с помощью самой матрицы и электроники обработки изображения. При этом включение стабилизации влияет на работу этой системы, в частности могут измениться экспопараметры - многие владельцы камер отмечают к примеру, что включение электронного стабилизатора часто приводит к уменьшению выдержки до 1/100 сек.

Оптическая стабилизация 

В этом способе матрица не участвует в стабилизации, стабилизация осуществляется на уровне оптической системы, с помощью системы линз и гироскопов (ну и управляющей электроники конечно, но она не связана с матрицей). То есть на матрицу изображение приходит уже после стабилизации и для формирования картинки можно использовать всю площадь матрицы. Таким образом при оптической стабилизации влияния стабилизатора на получение и обработку изображения минимально, что является несомненным плюсом этого способа.

Что касается плюсов и минусов каждого способа, то надо отметить, что плюсами электронной стабилизации является компактность (она практически не вносит габаритных узлов в конструкцию видеокамеры), отсутствие механики, а значит высокая надежность и отказоустойчивость, малый уровень энергопотребления, низкая (по сравнению с оптической стабилизацией) стоимость реализации. Ну а про минусы мы уже сказали - включение системы стабилизации неизбежно сказывается на процессе формирования и обработки изображения с матрицы. Это приводит к различного рода артефактам изображения, наиболее известным из которых является "залипание" картинки при панорамировании камеры - стабилизатор не сразу её "отпускает", отчего картинка движется рывками. Кроме этого неэффективно используется матрица - до половины пикселей на ней не участвуют в формировании изображения.

А вот с плюсами-минусами оптической стабилизации дело обстоит как раз наоборот. Основной плюс - неучастие матрицы в процессе стабилизации, не влияние работы системы стабилизации на получение и обработку картинки с матрицы. Все пиксели на матрице могут быть использованы для формирования изображения. А минусы - оптический стабилизатор является отдельным узлом конструкции видеокамеры, а значит увеличивает её в размерах и утяжеляет. Оптический стабилизатор содержит в себе механические части, а значит потребляет больше энергии и более подвержен поломкам. Ну и стоимость реализации оптического стабилизатора в видеокамере значительно выше, нежели электронного.

 

 

Разрешение видеокамер, таблица EIA1956,  Imatest и контрастно-частотная характеристика

Поводом для написания этой статьи стали два вопроса, связанные с методикой определения разрешения видеокамер:

1. В каких единицах проградуирована таблица EIA1956 - в линиях или ТВЛ?

2. Можно ли определять разрешение видеокамер по КЧХ, которую строит, к примеру, Imatest?

При этом, как оказалось, оба этих вопроса тесно связаны между собой. Но об этом позже, а пока...

 

И невозможное - возможно...

Итак, первый вопрос. Тут, пожалуй, стоит напомнить, о чем собственно идет речь. Стандартной единицей для измерения разрешения теле-видеоаппаратуры являются так называемые ТВЛ, при этом разрешение видеоаппаратуры в ТВЛ определяется как число черных и белых линий при котором мы еще можем увидеть эти линии раздельно, приведенное к малой стороне видеокадра. К примеру, для стандартного размера кадра DV - SD-MPEG2 (720x576) максимально возможное число линий на большой стороне кадра будет 720, а число ТВЛ - 720 х 3/4 = 540 (соотношение между большой и малой стороной кадра - 4:3, а для получения разрешения в ТВЛ мы должны привести все к малой стороне кадра, отсюда и множитель  3/4). Так? Казалось бы так, число 540 ТВЛ является теоретическим пределом горизонтального разрешения в этом случае. Логично также предположить, что таблица EIA1956 проградуирована в стандартных единицах, то бишь в ТВЛ. Все хорошо и логично... до тех пор, пока мы не увидим такую картинку:

 

Таблица EIA1956, заснятая на miniDV-камеру Canon MVX25i

(для просмотра полноразмерного изображения - кликните мышью на картинке)

 

Горизонтальное разрешение (определяемое глазом по этому стоп-кадру) заметно больше 540 ТВЛ... скорее оно ближе к 700... Как такое может быть? Может таблица проградуирована вовсе не в ТВЛ, а в обычных линиях, без приведения к малой стороне кадра, без множителя 3/4? Вот тогда все было бы объяснимо, предельное разрешение в этом случае было бы 720 линий, что вполне укладывается в наблюдаемую картину... Долгое время я так и думал, пока, с подачи Михаила (Transact), не измерил таблицу с линейкой. И оказалось, что числа на таблице соответствуют именно ТВЛ-ам, числу линий по малой, а не по большой стороне таблицы! Тут уж все запуталось окончательно! Мне очередной обзор писать, а я не знаю - как "величать" единицы разрешения... Пришлось крепко задуматься над объяснением этого феномена. И решение пришло - причем как и обычно, оно лежало на поверхности, так что удивляешься - "как это я раньше его не видел !?"

Итак, как же решить образовавшийся "паззл"?  Рассмотрим наш "предельный" случай - 540 ТВЛ - 720 линий по большой стороне таблицы. Предположим также (для простоты и наглядности - идеальный случай), что каждая черная или белая линия приходится точно на один пиксель, а оптика и видеотракт не вносит искажений в картинку, то есть каждый пиксель будет или строго черным, или строго белым. А теперь начнем дальше увеличивать число линий. Что произойдет? Каждый из пикселей перестанет  быть строго черным или белым - на черный пиксель начнут "налезать" белые линии, а на белый - черные. Но означает ли это, что мы перестанем различать линии раздельно? В том-то и дело, что нет! Это приведет к тому, что черный пиксель, при дальнейшем  увеличении числа линий, станет все более и более светлым, а белый - все более и более темным, то есть контраст между ними будет падать, но до определенного значения контраста мы все равно еще сможем видеть линии раздельно! Понимаете идею? То, что мы назвали "предельным разрешением" (540 ТВЛ) на самом деле означает (в обрисованном выше идеальном случае) 100% контраст между черным и белым. Но человеческий глаз способен различить эти линии и при меньших значениях контраста - примерно до 20-25%! Вот отсюда и берутся "невозможные" 700 ТВЛ!

Разумеется, жизнь далека от идеала - линии на таблице могут ложиться и между пикселями матрицы, а оптика и видеотракт камер неидеальны - поэтому в "предельном случае (540 ТВЛ)" мы будем иметь контраст заметно ниже 100%, но все равно еще  выше 20%!

 

КЧХ и Imatest

 

Итак, мы видим, что для корректного ответа на вопрос о разрешении видеокамер, нам просто необходимо ввести в рассмотрение еще одну переменную - величину контраста между черным и белым на полученном кадре при увеличении числа линий - то есть для того, чтобы полностью описать разрешение, нам нужно знать не число, а функцию - зависимость контраста между черной и белой линиями от числа линий в кадре. А эта функция нам известна - это так называемая контрастно-частотная характеристика (КЧХ) о которой мы говорим в каждом обзоре и которую нам строит программа Imatest . Более того, эта функция предоставляет нам гораздо больше информации, нежели просто информация о разрешении - фактически любая обработка видеосигнала в видеотракте (скажем - искусственное повышение резкости электроникой) оставит свой след в КЧХ.

Но сейчас мы ограничимся разговором о главной проблеме, рассматриваемой в данной статье, о разрешении, а точнее о том, как нам его определять по графику КЧХ, предоставляемого нам Иматестом. Для примера возьмем изображение таблицы EIA1956 и КЧХ (построенную Иматестом), полученные для одной из камер в абсолютно одинаковых условиях.

 

Таблица EIA1956

(для просмотра полноразмерного изображения - кликните мышью на картинке)

 

 

Соответствующая ей КЧХ, построенная программой Imatest

 

На графике КЧХ по оси ординат (оси y) отложено значение контраста (1 - 100%, 0.5 - 50%, 0.3 - 30%), а по оси абсцисс (оси x) отложена частота следования линий в так называемых "циклах на пиксель". За один цикл принимается пара "черная линия - белая линия". Таким образом "предельный случай в 540 ТВЛ", когда одна линия приходится на один пиксель, соответствует 0.5 циклам на пиксель. Ну а по-настоящему предельный случай, когда одна пара из черной и белой линии приходится на один пиксель (уровень контраста - 0%) соответствует 1 циклу на пиксель. Отсюда легко можно получить выражение для перевода числа "циклов на пиксель" в нужные нам ТВЛ.

 

ТВЛ = (CPP/0.5) * "Предельное разрешение в ТВЛ"

 

Здесь CPP - число "циклов на пиксель", "Предельное разрешение в ТВЛ" - разрешение, при котором одна линия приходится на один пиксель (вернее, число линий равно числу пикселей, 0.5 циклов/пиксель). К примеру для SD видео это будет 540 ТВЛ (720 * 3/4), для HDV - 1080 ТВЛ (1440 * 3/4). Для примера, вычислим разрешение нашей "тестовой" видеокамеры (miniDV) при уровне контраста в 30% (Иматест приводит это число на графике - MTF30 = 0.512 циклов/пиксель, так что нам не придется лазить по графику с линейкой):

0.512/0.5 * 540 = 553 ТВЛ

Ну а для получения предельного "визуального" разрешения надо снизить значения контраста до уровня 25% - тут уже придется брать в руки линейку - получим примерно 0.55 циклов на пиксель -  0.55/0.5 * 540 = 594 ТВЛ. И действительно, визуально на таблице еще различимы примерно 600 ТВЛ!

Следующий пример - КЧХ Canon MVX25i, о которой мы говорили в первой части статьи.

КЧХ, построенная Imatest для камеры Canon MVX25i

 

Для уровня контраста в 25% мы имеем примерно 0.6 циклов на пиксель, ну а соответствующее разрешение 0.6/0.5 * 540 =  648 ТВЛ, что также достаточно близко к визуально определяемому разрешению по EIA1956 (правда тут надо учитывать, что в отличии от первого случая, таблица и мира для Иматеста снимались в разных условиях - потому и различие больше).

Несколько более сложным вопросом является измерение вертикального разрешения. Imatest позволяет строить "вертикальную" КЧХ, но не совсем понятно, как в этом случае определять ТВЛ - как для формата DV, так и для формата HDV. В случае с DV нам надо помнить, что формат содержит немного анаморфированную картинку - 720/576 не равно 4/3 (это часто и не совсем правильно называют "неквадратным пикселем" DV). В этой ситуации кажется более правильным брать в качестве "предельного разрешения в ТВЛ" (см. формулу выше) по вертикали не 540 ТВЛ, как это было для горизонтального разрешения, а 576 ТВЛ или линий - поскольку речь идет уже о малой стороне кадра эти понятия не различаются между собой. Кстати, именно 576 линий-ТВЛ соответствуют в этом случае 0.5 циклам на пиксель. В случае с HDV мы имеем кадр формата 16:9, так что классическое определение ТВЛ теряет смысл - оно формулировалось для кадра с соотношением сторон 4:3. Так что в этом случае нам не остается ничего другого, как сохранить саму идеологию ТВЛ как числа линий именно по малой стороне кадра и "предельное разрешение в ТВЛ" по вертикали - 1080 линий-ТВЛ. И опять таки - именно это число является как раз тем, которое соответствует 0.5 циклам на пиксель, так что именно оно должно использоваться в формуле, написанной выше, для определении вертикального разрешения (как и горизонтального, кстати - в отличии от формата DV, где  числа, описывающие "предельное разрешение в ТВЛ" по вертикали и горизонтали, немного разные).

Правда надо заметить, что выше рассмотрен случай, когда КЧХ строится с помощью исходного, анаморфированного HDV (1440x1080), а разрешение по ней определяется для "трансформированной" таблицы EIA1956 (таблица, переделанная под формат 16:9 - именно такую мы используем в тестах на разрешение для этого формата). Если же строить КЧХ по деанаморфированному  кадру (1920х1080), то для получения "линий таблицы EIA1956" (в этом случае их уже не назовешь ТВЛ-ами) "предельное разрешение в ТВЛ" должно быть равно 1440 (1920 х 3/4), вместо 1080. Но такой способ построения КЧХ для HDV-видеокамер (по деанаморфированному кадру) не очень правилен идеологически - во-первых, исходный кадр тут подвергается обработке, что может повлиять (снизить) измеряемое значение разрешения, а во-вторых, соотношение сторон кадра в этом случае 16:9 (в отличии от исходных, анаморфированных, 4:3) - что сильно запутывает соотношение вертикального и горизонтального разрешений, они меряются по шкалам, имеющим разный масштаб. Поэтому гораздо более правильным является построение КЧХ по исходному, анаморфированному, кадру (повторюсь, что речь тут идет об HDV).

 

Заключение

 

Итак, ответы на оба вопроса, которые были заданы в начале этой статьи, нами получены. Но они, в свою очередь, ставят перед нами новый вопрос. Как нам измерять разрешение? Ведь с введением в число переменных контраста (а, как мы видели, это необходимо сделать!) мы уже не можем однозначно определить разрешение одним числом - однозначно его определяет только КЧХ. Значит - отказаться вообще от таблицы EIA1956 и приводить только результаты Иматеста? В принципе - это правильно, но тут есть одно "но" - это будет "нарушением традиции" и многие читатели наших обзоров это просто не поймут и не примут.  Так что перед нами (тестерами в наибольшей степени, но не только - в определенной степени и перед всеми читателями) встает большой вопрос - а надо ли сохранять в наших обзорах тесты на разрешение с использованием таблицы EIA1956, учитывая то, что они намного менее информативны, по сравнению с КЧХ, построенными Иматестом?

(информация с сайта http://www.videomax.ru)