Цифровая ретушь

Желание потребителя иметь у себя дома не только настоящий многоканальный звук, но и изображение «в натуральную величину» подстегивает фирмы-производители к выпуску моделей с диагоналями экрана все больших размеров. Именно в таких ТВ (29–40") в полный рост встают проблемы, связанные с ограничениями, которые присущи аналоговым системам цветности: заметная глазу растровая структура изображения (625 строк в PAL и 525 — в NTSC) и мерцание, обусловленное кадровой разверткой с частотой 50 Гц (в NTSC — 60 Гц). Появившееся в конце прошлого века телевидение высокой четкости (HDTV) с количеством строк более 1000, конечно же, могло бы решить эти проблемы, тем более что для этого формата были специально разработаны телевизоры с кинескопами высокого разрешения. Однако по экономическим и техническим причинам на сегодняшний день количество HDTV-трансляций в мире очень невелико. Существующий парк телевизоров, поддерживающих традиционные системы кодирования сигнала, огромен, поэтому резонно возникает вопрос, можно ли приблизить качество изображения в обычных системах телевещания к HDTV? Простой перевод изображения в картинку высокой четкости путем повышения частоты смены кадров и удвоения числа элементов приводит к появлению на экране различных артефактов, особенно на движущихся объектах. Решение было найдено с появлением несколько лет назад относительно недорогих, однокристальных цифровых видеопроцессоров. Они были способны в режиме реального времени осуществлять обработку сигнала по заложенным в них алгоритмам. Но будем последовательны и коротко напомним основные достоинства и недостатки существующих систем, используемых в телевизионном вещании (см. также материал «SECAM, PAL, NTSC» в июньском выпуске S&V за 2000 год).
   Впервые американский стандарт черно-белого телевидения был утвержден еще в 1941 году, а уже в 1953 национальным комитетом по телевизионным стандартам США была разработана первая система цветного телевизионного вещания NTSC. С тех пор минуло немало лет, телевизор давно перестал быть диковинкой, а мы все еще пользуемся стандартами вещания 50-летней давности.
   Современные системы с чересстрочной разверткой обладают рядом достоинств, таких как возможность передавать сигнал на достаточно большие расстояния (PAL, SECAM) и совместимость цветных и черно-белых телевизоров при относительно высоком качестве изображения. Однако у них имеются и существенные недостатки: заметность строчной структуры (особенно NTSC), эффект дрожания горизонтальных линий развертки и мерцание всего изображения. Именно с ними и призваны бороться существующие системы улучшения изображения.
   Первые образцы «улучшателей» появились в далекие 60-е годы. Тогда это была всего лишь обычная коррекция четкости, которая осуществлялась с помощью небольшого изменения частоты гетеродина. Результатом дальнейших разработок стали аналоговые системы, которые могли регулировать не только четкость, но и цветовой оттенок, и даже бороться с видеошумами. Затем на смену им пришли цифровые системы, которые работали гораздо корректнее, но по-прежнему не могли устранить один из самых неприятных недостатков — мерцание изображения. Поэтому в 1988 году появились бытовые телевизоры с частотой развертки 100 Гц. Принцип увеличения частоты в нем реализовывался простым дублированием полукадров. И хотя мерцание действительно исчезало, высокое качество изображения обеспечивалось только на статичных сюжетах. Качество воспроизведения движущихся объектов оставляло желать лучшего. Наконец в начале 90-х появились первые образцы систем, использующих цифровую обработку изображения с учетом его динамики. Так система Natural Motion содержит «детектор движения» — цифровой процессор, который анализирует последовательность полукадров и вычисляет для каждой точки ее вектор движения. Затем на основе полученных данных производится расчет положения соответствующих точек для дополнительного полукадра. Дополнительные полукадры выводятся в промежутках между основными, и, таким образом, движение воспроизводится гораздо естественнее, чем в ранних версиях «стогерцовок». Именно алгоритмы цифровой обработки изображения и стали прототипами современных систем улучшения качества изображения.
   Большинство современных «улучшателей» качества изображения содержит модули, которые выполняют следующие функции: преобразование чересстрочной развертки в прогрессивную (т.е. кадр целиком формируется за один проход луча), увеличение «битности» картинки (количества отображаемых цветов и градаций яркости) и увеличение частоты смены кадра (75 или, как правило, 100 Гц). Кроме того, обычно имеется алгоритм увеличения количества строк и числа обрабатываемых элементов в строке.

Алгоритмы и системы улучшения качества изображения различных фирм-производителей

JVC. Система D.I.S.T.

JVC HV-32D25 с технологией D.I.S.T.

(Digital Image Scaling Technology — технология цифрового масштабирования изображения)
   Повышение качества изображения по этой технологии происходит за счет увеличения количества строк до 1250 и увеличения частоты смены кадров до 75 Гц вместо обычных 100 Гц. По утверждению производителя, это очень гибкая система, которая может работать с различными источниками сигнала, в том числе с чересстрочной и прогрессивной разверткой, и может быть использована как в обычных телевизорах, так и в плазменных панелях. Систему D.I.S.T. можно подразделить на 2 основные и 3 вспомогательные составляющие.
   Ядром системы являются I-P-преобразователь (Interlaced — Progressive) и так называемый форматтер. Преобразователь выполняет интерполяцию с целью получить максимально возможное количество информации, которую содержат отсканированные строки. За один промежуток времени интерполяционный алгоритм использует информацию о точках, содержащуюся в двух полукадрах, которые поступают до и после текущего полукадра. Это позволяет придать естественность даже небольшому движению объектов. Кроме того, применяется дополнительная интерполяция, которая использует данные о точках из четырех линий (2 верхние и 2 нижние относительно текущей точки) в текущем полукадре. В результате получается картинка с высоким разрешением в 1250 строк. Далее, сигнал поступает в форматтер, где происходит прецизионная точечная интерполяция и увеличение частоты кадров. Первый этап обработки увеличивает число линий с 625 до 1250. На втором этапе происходит получение трех кадров с частотой обновления 75 Гц из двух кадров с частотой 50 Гц. Далее, используя информацию из двух полукадров (до и после текущего), генерируется новый полукадр. Этот метод, по утверждению производителя, наилучшим образом подходит для кинофильмов, а увеличение частоты смены кадра до 75 Гц позволяет избавиться от мерцания.
   Три вспомогательные составляющие — Super DigiPure, широкополосное устройство управления ЭЛТ (Wide-Range CRT Driver) и фирменная технология Fine Pitch CRT (кинескоп с уменьшенным размером пикселя) — осуществляют постобработку сигнала. Super DigiPure включает увеличение числа градаций яркости и дополнительное усиление высокочастотной составляющей, завал которой в исходном сигнале приводит к размытости контуров объектов. Кроме того, используется новый алгоритм компенсации движения. Устройство управления ЭЛТ оптимизирует качество прорисовки картинки и предназначено в основном для широкополосных источников, таких как DVD с прогрессивной разверткой. Ну и, наконец, для того, чтобы в полной мере реализовать все преимущества D.I.S.T., необходим высококачественный кинескоп: JVC использует технологию Fine Pitch CRT и теневую маску с шагом 0,59 мм. В 2002 году ассоциация аудиовидеожурналистов EISA отметила систему D.I.S.T. престижной наградой в номинации «Видеоинновация».

Panasonic. Система GIGA

Panasonic TX-32PB50F с алгоритмом GIGA

(Geometric Interline Generation Algorithm — алгоритм геометрической генерации дополнительных строк)
   По утверждению разработчиков, GIGA позволяет увеличить плотность изображения (т.е. плотность поступающей с телеэкрана информации) в 8 раз: 2-кратное увеличение плотности вертикальной развертки (система GIGA 100 Гц, отсутствие мерцания), 2-кратное увеличение разрешения по горизонтали (до 1832 точек, уменьшение помех) и 2-кратное увеличение уровня градации цвета (9-битная обработка сигнала вместо 8-битной, до 512 оттенков). При этом есть возможность выбора системы сканирования: 100 Гц для источников эфирных программ PAL/SECAM или Progressive Scan для DVD, LD и т.д. (правда, частота обновления в этом случае составляет только 50 Гц).
   Кроме того, в моделях серии Tau применяется система DDM (Dynamic Digital Motion). Она включает в себя алгоритм анализа и компенсации движения (Motion Estimation and Compensation), который улучшает качество воспроизведения движущихся объектов и борется с размыванием их контуров, зазубренными краями и дрожанием.

Philips. Система Pixel Plus

Реализация Pixel Plus — Philips 32PW9767/12

Фирма шла к своей системе улучшения изображения около 15 лет и за это время успела внедрить несколько инноваций в области обработки телевизионного сигнала, которые легли в основу Pixel Plus. Наиболее значительные вехи на этом пути: алгоритмы Digital Scan (цифровое сканирование — борется с дрожанием строк) и Digital Noise Reduction (цифровое понижение шумов), технология Digital Natural Motion (естественное движение), система Dynamic Contrast (динамический контраст).
   Pixel Plus — технология, призванная создавать телевизионное изображение с гораздо большим количеством деталей, чем в обычных телеприемниках. Помимо применения 100-герцовой развертки со всеми описанными выше «улучшателями», Pixel Plus оценивает входящий сигнал, измеряет яркость составляющих его точек, а затем производит интерполяцию для дополнительных точек, что позволяет генерировать изображение с увеличенным количеством деталей. Вертикальное разрешение для телевещания в стандарте PAL/SECAM увеличивается на треть (с 625 до 833 строк). Для стандарта NTSC с 525 строками вертикальное разрешение удваивается, при этом обеспечивается четкое и устойчивое изображение из 1050 строк с невидимой линейной структурой. Кроме того, Pixel Plus увеличивает и количество пикселей в строке. Горизонтальное разрешение улучшается в два раза, с 1024 (такая дискретизация применяется в цифровых ТВ при обработке изображения формата 16:9 в системе PAL) до 2048 пикселей на каждую строку. Глубина представления цвета увеличивается до 10 бит (1024 оттенка).

Sony. Система DRC

Sony KV-32FQ80 — полный вариант DRC

(Digital Reality Creation — цифровое воссоздание реальности)
   Целью разработки этой системы было приближение качества изображения к параметрам телевидения высокой четкости и повышение качества отображения как движущихся, так и неподвижных объектов. Телевизоры с функцией DRC последних поколений могут работать в двух режимах: DRC50 и DRC100. В первом случае процессор в реальном времени удваивает разрешение и по горизонтали, и по вертикали, при этом частота развертки остается равной 50 Гц. Таким образом, алгоритм DRC50 предлагает зрителю изображение с разрешением в 4 раза выше, чем при стандартной телетрансляции. При этом размер линий развертки уменьшается, что особенно заметно на больших экранах. Второй режим, DRC100, основываясь на технологии DRC50, использует метод удвоения полей, который устраняет мерцание изображения на экране при частоте развертки 100 Гц. При этом также происходит удвоение числа пикселей по горизонтали до 1440. В результате изображение становится более четким и детальным, а движение объектов — плавным и естественным, что снижает утомляемость зрения при длительном просмотре телепрограмм.

Toshiba. Система Hyper Pro 100

Технологию Hyper Pro 100 фирма Toshiba применила в модели 32ZD26P

Отличительные особенности этой системы включают: 2 режима цифрового сканирования (сканирование с удвоенной частотой DFS (Digital Frame Scan) и прогрессивное сканирование с удвоенной плотностью по вертикали Hyper Pro), систему стабилизации горизонтальных линий развертки и систему компенсации движения, коррекцию дефектов входного сигнала, 10-битную обработку (1024 оттенка), удвоение плотности изображения по горизонтали и возможность подключения источника сигнала с прогрессивной разверткой (NTSC).
   Рассмотрим режим цифрового сканирования 100 Гц DFS. Удвоение частоты позволяет избавиться от мерцания изображения. Для устранения размытости изображения применяются алгоритмы детектирования и коррекции движения. Для уменьшения эффекта дрожания горизонтальных линий развертки применяется метод чередования четного и нечетного полукадров: в памяти телевизора (32 МБ) сохраняются поступающие четный (A) и нечетный (B) полукадры, затем для получения удвоенной частоты (100 Гц) применяются методы прогнозирования движения и создаются еще два промежуточных полукадра A’ и B’, которые выводятся на экран при смене основных полукадров (A-A’ — B-B’). Полукадры A и B содержат информацию о перемещении объекта, поэтому исходный кадр разбивается на 13–16 тысяч частей, и на каждом участке исследуется характер перемещения. Все эти действия выполняет MMVP — Multipoint Motion Vector Processor. Далее, используя полученные данные, MMVP вычисляет промежуточные положения объекта в моменты A’ и B’ и выводит на экран в соответствующем вспомогательном полукадре.
   Режим цифрового прогрессивного сканирования Hyper Pro призван устранить недостатки чересстрочной системы цветности NTSC. Для устранения строчной структуры и повышения плотности изображения по вертикали применяют удвоение плотности сканирования. Как и в режиме цифрового сканирования 100 Гц DFS, здесь работает MMVP, только полные кадры формируются уже в режиме прогрессивной развертки. Изображение становится более стабильным и четким.
   Кроме того, система содержит блок цифровой обработки сигнала. Каждая строка разбивается на 1536 элементов (совместимость с HDTV), цветовая составляющая представляется 10 битами (вместо обычных 8 бит). Это позволяет уменьшить ошибки квантования аналогового сигнала и улучшить качество цветовых и яркостных переходов.

Samsung

Samsung WS-32Z9HFQ использует самые современные фирменные технологии улучшения изображения

Новые модели телевизоров 2002 года фирменной серии Plano содержат основные системы цифровой обработки видеосигнала: Digital ProPicture (обеспечивает отсутствие мерцания движущегося изображения) и Total DPS System, которая производит цифровую автоматическую регулировку усиления, позволяя уменьшить влияние изменений уровня входного сигнала на характеристики изображения. Кроме того, новые модели имеют развертку 100 Гц Natural Scan с интерполяцией движения, а также кинескопы HiFine Pitch с диагональю 29 дюймов, которые призваны обеспечивать повышенную яркость и четкость изображения.

Thomson

Thomson 32WD610S — система DVM 100 Гц

Модели телевизоров серии Scenium содержат систему DVM 100 Hz (Digital Video Mastering 100 Hz), которая не только удваивает частоту развертки, но и одновременно вдвое повышает количество строк по вертикали и точек по горизонтали. Кроме того, в них работает система точного вычисления и экстраполяции, которая позволяет улучшить качество изображения движущихся объектов и избавляет зрителя от надоедливого мерцания, что повышает комфорт при просмотре.

LG Система DRP

LG CT-29Q90IP использует технологию DRP

(Digital Reality Picture)
   DRP — удвоение количества строк до 1250 — работает только при частоте развертки 50 Гц. Впрочем, предусмотрен и привычный режим 100-герцовой развертки, но без увеличения количества строк.

Немецкие производители ТВ, фирмы Grundig, Metz и Loewe также стремятся быть на гребне прогресса, используя в своей технике, помимо базового набора цифровых «улучшателей», такие современные технологии, как обработка цветовой составляющей с повышенным разрешением и преобразование чересстрочной развертки изображения в прогрессивную.
   Резюмируя сказанное, отметим, что большинство используемых систем цифровой обработки во многом идентично друг другу, поскольку они используют похожие методы улучшения качества изображения. По большому счету, все алгоритмы увеличения битности цвета, частоты развертки, числа строк и прочее призваны лишь исправлять (!) огрехи аналоговых систем кодирования, приводящих к деградации качества телеизображения. В то же время в рекламных буклетах некоторых фирм можно встретить громкие слова о том, что такие системы способны преобразить качественные показатели эфирного аналогового сигнала чуть ли не до «высот» HDTV. Смеем утверждать, что подобные методы обработки не могут превратить зашумленный эфирный сигнал в изображение, качество которого соответствует уровню HDTV. Сами принципы организации сигнала телевидения высокой четкости совершенно другие, в нем изначально имеется в полном объеме вся необходимая информация, и поэтому никакие дополнительные меры по созданию избыточности не требуются. В то же время проведенные нами исследования (в том числе см. январский тест ТВ с диагональю 32 дюйма) показывают, что телевизоры, оснащенные описанными алгоритмами, в целом помогают ощутимо улучшить изображение при приеме эфирного сигнала. Дело в том, что все эти системы обрабатывают видеосигнал цифровыми методами. Специфика цифровой обработки состоит в том, что каждый ее этап приводит к потере некоторой (пусть и небольшой) части информации. Поэтому любые цифровые системы передачи и обработки данных исходно нуждаются в некоторой «информационной избыточности». Например, при записи музыкальных компакт-дисков используются цифровые данные с почти полуторакратной избыточностью. Подобный запас можно заложить в видеосигнал при оцифровке, используя описанные алгоритмы. Поясним на небольшом примере. Если аналоговый видеосигнал с 256 градациями цвета оцифровывать с разрешением 8 бит, то после обработки и преобразования обратно в «аналог» для демонстрации на кинескопном телевизоре из-за неизбежных потерь число градаций будет меньше, чем в исходном сигнале. Оцифровка, скажем, с 9-битным разрешением даст уже двукратную избыточность. Она-то и будет залогом столь желанного улучшения картинки при обратном преобразовании.
   Кардинально решить проблемы качества, по нашему мнению, должно появившееся на мировом горизонте телевидение высокой четкости (HDTV), а также цифровое вещание. Заметим, что HDTV в некоторых странах (США, Япония, Великобритания) уже существует как реальность. Телевидение высокой четкости транслируется по спутниковым каналам или по широкополосным сетям в виде закодированного цифрового сигнала. Для него рассмотренные выше системы улучшения изображения не нужны. При цифровом вещании основные цвета (R, G, B) не нуждаются в перекодировке, их можно передавать в чистом виде (цифровом, разумеется), без перевода в цветоразностные сигналы. После приема происходит цифровое декодирование первичных сигналов, которые, минуя системы преобразования, сразу попадают на пушки кинескопа. У такого изображения проблемы искажений, взаимовлияния RGB-каналов, двоений, биений и оконтуриваний объектов отходят на второй план. И не важно, спутниковый это прием или кабельный.
   Перспективы, как всегда, соблазнительны, но из-за того что своеобразный High End современного телевидения, HDTV, для России пока далек, применение описанных систем улучшения изображения на сегодняшний день — почти единственная разумная альтернатива.