На пути к HD-изображению

Необходимость совершенствования алгоритмов обработки видеосигналов обусловлена несколькими причинами. Во-первых, это появление источников с высокой четкостью. Первым наглядно показал несовершенство аналогового телевидения DVD, но уже во многих странах идет вещание в стандарте HDTV. Во-вторых, в новых устройствах отображения с высоким разрешением используется цифровой способ формирования изображения. И наконец, это просто повышение требований зрителя к качеству изображения. Решить все только за счет увеличения разрешения (числа пикселей) невозможно, поскольку остаются проблемы передачи цвета, особенно плавность цветовых переходов и качественное отображение движущихся изображений. Поэтому все производители подходят к совершенствованию моделей комплексно, и повышение разрешения является только одной из составляющих процесса улучшения изображения. И реально все ведущие производители плазменных и ЖК-телевизоров практически ежегодно выпускают на рынок новые модели с какими-либо усовершенствованиями.

ЖК-телевизор Sharp LC-37GA3E имеет разрешение 1366х768, но в январе уже появится модель с диагональю 45 дюймов и разрешением 1920х1080

Рис. 1. Структура новой плазменной панели Panasonic. Синяя ячейка сделана шире из-за особенностей человеческого восприятия

Рис. 2. Алгоритм формирования «магнитного квадрата» (Toshiba). Цифрами показан порядок включения пикселей

Новый плазменный телевизор Panasonic TH-50PV30E серии VIERA на фирменной подставке

Телевизор Samsung LW-46G15W, единственный (на момент публикации) на российском рынке, имеет физическое разрешение 1920х1080

Рис. 3. Алгоритм повышения разрешения в системе Pixel Plus 2

Новейший плазменный телевизор Pioneer PDP-615EX имеет физическое разрешение 1366х768 и поддерживает режимы развертки 720p и 1080i

В ЖК-телевизорах Toshiba предыдущего поколения степень интеграции была такова, что использовались две платы с электроникой. В новых моделях серии Stasia достаточно одной, на которой размещенны две БИС. Один чип обеспечивает прием и декодирование цифрового телевидения, а второй — весь комплекс обработки видеосигнала, включая цифровое подавление шумов и выработку сигнала высококачественного изображения. Улучшение включает три фирменные разработки: алгоритм формирования квадратов (Magic Square), прогрессивную развертку с реальной скоростью и масштабирование изображения до 6,22 млн. пикселей (Oversampling Scalier). Управляет окончательной обработкой изображения микропроцессор, контролируя в нем более 4000 параметров. Выбор этих параметров основан на многолетнем опыте фирмы по производству телевизоров.
   Прогрессивная система обнаруживает движущиеся участки изображения и отображает их максимально детально с высоким разрешением. Полученное изображение формируется на экране за один цикл развертки (прогрессивная) в отличие от чересстрочной развертки, при которой изображение формируется за два цикла. Основная проблема — точно выделить движущуюся (переменную) часть изображения и правильно ее представить. Опасны для результирующего качества картинки ошибки определения неподвижного изображения как движущегося, и наоборот. Это обычно приводит к помутнению изображения из-за размывания контуров. Toshiba использует разные алгоритмы для определения подвижного и статического изображений и характеризует свою систему, как одну из лучших на сегодня. Ее эффективность наиболее ярко проявляется на отображении таких видов спорта, как футбол или баскетбол с частыми быстрыми и резкими движениями игроков. Алгоритм также хорошо работает для видовых программ с горизонтальным перемещением панорам.
   Масштабирование с увеличением числа пикселей до 6,22 млн. требуется для правильного отображения телевизионного изображения HDTV на экране с физически меньшим, чем для него требуется, разрешением. Как известно, стандартным разрешением для HDTV является 1920х1080 (при чересстрочной развертке). А у ЖК-панели Toshiba, например, с диагональю 32" оно равно 1366х768. Для наилучшего отображения HD-изображения в такой ситуации система масштабирования осуществляет ряд пересчетов. Сначала сигнал 1080i преобразуется в 1080p, а затем этот сигнал уже пересчитывается до до 6,22 млн. пикселей (2880х2160). Это изображение с максимальным разрешением преобразуется для нашего примера в сигнал с 2731х1536 и, наконец, понижается вдвое для каждого направления до физического разрешения панели 1366х768. Ранее в случае HD-сигнала пересчет (масштабирование) изображения осуществлялся без преобразования до изображения. И поэтому результат часто оказывался неудовлетворительным. На изображении с мелкими деталями появлялся муар: на складках одежды, на лепестках цветков или структуре шерсти. Применяемый пересчет с повышением разрешения до 6,22 млн. пикселей устраняет эту проблему, поскольку это число значительно больше, чем число пикселей самой панели. Наиболее полно преимущества масштабирования проявляются на изображении отдельных волосков или травинок дерна на площадке для гольфа.
   Главной новинкой платформы ЖК-телевизоров Toshiba является алгоритм «магического квадрата». Для гладкой передачи серой шкалы требуется 1024 градации, обеспечиваемые 10-битным преобразованием. Однако в ЖК-панелях используется только 8-битное преобразование, которое обеспечивает всего 256 градаций серого. Для увеличения градаций в панелях Toshiba используется принцип временной модуляции засветки пикселей. Идея основана на способности человеческого глаза интегрально оценивать последовательность коротких вспышек света. Если сначала глаз видит четыре вспышки одного или группы пикселей, затем две и, наконец, одну, то он воспринимает их не раздельно, а как изменение яркости источника. Уменьшение числа импульсов вдвое приводит к кажущемуся двукратному уменьшению яркости. Увеличение градаций серой шкалы с помощью подобного алгоритма происходит благодаря увеличению или уменьшению времени свечения пикселей. Так называемый «магический квадрат» образует группа из 16 пикселей (квадрат 4 на 4), в котором в каждый момент времени (с интервалом 1/60 с для NTSC) зажигается одно и то же число разных пикселей по горизонтали, вертикали и диагонали (см. рис. 1). Благодаря временной модуляции свечения каждого пикселя в этом квадрате алгоритм позволяет учетверить число градаций, подняв их число с восьмибитных 256 до десятибитных 1024. При этом надо еще учесть, что увеличение до 1024 градаций происходит для каждого из первичных цветов (красного, синего и зеленого), что дает в итоге более 1,07 млн. цветов и оттенков. Это обеспечивает плавные цветовые переходы, полностью устраняя видимые границы на больших однотонных полях изображения.
   В плазменных телевизорах серии VIERA Panasonic использует систему динамического улучшения изображения PEAKS (Picture Enhancement Accelerator with Kinetic System), которая включает новые драйвер и процессор и усовершенствованную панель. Схема драйвера выполняет обработку для получения наивысшего качества изображения применительно к возможностям используемой плазменной панели. Благодаря увеличению вычислительной мощности процессора в полтора раза одновременно усовершенствованы используемые фирменные алгоритмы обработки для гамма-коррекции (Nеw Advanced Real Gamma), создания отчетливого цвета (Vivid Color Creation), управления каждой точкой пикселя (Sub Pixel Controller), шумоподавления подвижного изображения (Motion Pattern Noise Reduction) и коррекции черного (Real Back Drive).
   Традиционно в моделях Panasonic для каждого основного цвета обеспечивалось по 1536 градаций яркости. Человеческий глаз воспринимает незначительные изменения яркости более остро для темного изображения. Принимая этот факт во внимание, в PEAKS-драйвер заложена возможность увеличения общего числа воспроизводимых градаций до 2048, гарантируя высокую четкость передачи темных сцен. Это позволяет фирме заявить, что при использовании этого технического решения достигается контрастность 3000:1. В плазменных панелях цвет и яркость изображения регулируются путем управляемого электрического разряда для каждого пикселя. Процесс управления требует предварительного разряда (поджига), который уменьшает контрастность. Система коррекции черного в плазменных телевизорах Panasonic поддерживает этот разряд очень слабым, осуществляя его в течение 1/60 секунды, что позволяет избежать дополнительной засветки.
   Обычно передача цвета изображения регулируется изменением оттенка и насыщенности. Но при этом невозможно регулировать яркость, не влияя на другие цвета. Например, если зритель хочет сделать цвет зеленой травы более живым, то это неизбежно повлияет на все изображение, цвета на котором приобретут неестественный лубочно-карамельный вид. В новых телевизорах для создания отчетливого цвета интегрированная в PEAKS система цветокоррекции имеет возможность независимой регулировки и по третьему параметру — яркости. Теперь некоторые цвета можно индивидуально регулировать по трем параметрам, получая, например, более естественными и живыми голубое небо или зеленый лес. Единичный пиксель образуют три элемента первичных цветов (красный, синий и зеленый), и ранее управление для всех элементов пикселя осуществлялось совместно. Еще одно усовершенствование плазменных панелей Panasonic заключается в индивидуальном управлении каждым элементом панели. Это не новое решение: подобный способ давно применяется в дисплеях мобильных телефонов, но в телевизорах использован впервые. Отметим, что при таком управлении удается сохранить идеальный баланс белого при любых яркостях: цветного окрашивания нет ни на самых темных, ни на самых ярких участках изображения. Побочным следствием такого управления является увеличение на треть горизонтального разрешения. Для борьбы с таким искажением подвижного изображения, как ложный контур, Panasonic использует специальный подавитель шумов. Технология этой функции разработана после длительного изучения физиологии восприятия человеком подвижного изображения. Как уже рассказывалось на страницах нашего журнала, изображение на плазменной панели отображается в течение 1/60 секунды, но формируется из 10–12 последовательных субполей, длительность которых менее 1/600 секунды. Когда одно из этих субполей человек отслеживает в движении, сетчатка глаза может воспринимать его как размазывание и появление ложных контуров, то есть контурный шум. Алгоритм обработки позволяет устранить эту шумовую составляющую изображения, корректируя его, и в то же время не влияет на его другие части.
   Специалисты Panasonic усовершенствовали и плазменную панель, введя горизонтальные разделительные ребра (см. рис. 1). Этим жестко фиксируется размер ячейки и одновременно увеличив площадь, покрытую люминофором: теперь в каждой ячейке светятся не три, а пять плоскостей. Панель приобрела вафельную структуру, подобную используемой в своих панелях фирмой Pioneer, но у Panasonic выше коэффициент использования площади панели, так как горизонтальные ребра тонкие. Разрешение новой плазменной HD-панели Panasonic с диагональю 50" составляет 1366х768. Заметим, что дополнительно для увеличения контрастности в условиях яркого освещения на плазменную панель телевизоров серии VIERA устанавливается специальный светофильтр, эффективно поглощающий отражения внешнего света.
   Для ЖК-панелей серьезным ограничением при воспроизведении подвижных изображений является ее быстродействие. Для последних моделей ЖК-телевизоров LX1 серии VIERA, которая имеет разрешение 1280х768, специалисты Panasonic, благодаря использованию собственной технологии Overdrive, заявляют достижение быстродействия 16 мкс. Изображение остается четким даже при быстрой смене сюжета. В системе Overdrive используется метод «ускорения» для отдельных участков со средней яркостью (например, областей телесного цвета), где быстродействие традиционных ЖК-панелей снижается. Благодаря этому исключается размазывание границ быстродвижущегося фрагмента.
   Представленная JVC несколько лет назад для кинескопных телевизоров обработка D.I.S.T. 1250i получила универсальное продолжение: теперь она оптимизирована фирмой для использования в плазменных и ЖК-телевизорах. Интерполяция пикселей при преобразовании сигнала 625p в сигнал 1250i уничтожает горизонтальные зазубрины (поскольку число строк удваивается) и увеличение частоты вертикальной (кадровой ) развертки до 75 Гц уменьшает заметность мерцания экрана. Технология D.I.S.T. выполняет обработку сигнала для ЖК/плазменных панелей так же, как и для телевизоров с ЭЛТ (см. «Цифровая ретушь», S&V, февраль, 2003). Однако, поскольку изображение в ЖК/плазменных телевизорах создается не с помощью линий развертки, технология D.I.S.T. повышает информативность изображения в соответствии с количеством пикселей ЖК/плазменной панели. После того как сигнал проходит первые три стадии — преобразование, форматирование и усиление, он проходит обработку с использованием новой технологии управления цветом, что делает его более естественным. Здесь система позволяет управлять цветом по пяти основных и дополнительно — для телесных цветов. Повышение детальности на темных и ярких сценах производится дополнительным управлением гамма-коррекцией.
   Одна из удачных систем улучшения изображения, созданная специалистами Philips, предлагается в этом году в новой версии — Pixel Plus 2. Улучшение идет сразу по нескольким параметрам: увеличение четкости и разрешения дополнительно усиливаются системой цифровой коррекции движения (Digital Natural Motion), динамически контролируется контрастность, улучшается цветопередача и подавляется шум. Четкость повышается за счет интерполяции яркостного перехода сигнала (вычисления недостающих отсчетов), формирования нового перехода с большей крутизной, а в Pixel Plus 2 еще и подстройкой этого перехода по крутизне и амплитуде (см. рис. 3). При этом возможности дисплея с Pixel Plus 2 по разрешению вплотную приближаются к требованиям HDTV. Чтобы улучшить качество эфирных аналоговых программ используется цифровой гребенчатый фильтр, оптимально разделяющий яркостные и цветовые составляющие для телевизионного сигнала PAL и NTSC. Система цифровой коррекции движения позволяет избавиться от размытых контуров движущихся изображений при показе кинофильмов. За счет динамической коррекции достигается повышение контрастности на 30%. При этом процессе производится анализ до 160000 фрагментов изображения на каждом кадре. Основной алгоритм улучшения цвета работает подобно улучшению четкости (повышается крутизна перехода), но, кроме этого, имеется еще четыре специальные обработки: для правильной передачи зеленых и синих сюжетов, повышения четкости на красном и отдельно — улучшение для телесного цвета. Для подавления шумов использованы две последовательные цифровые обработки: стандартная 2D (по двум параметрам) и дополнительная 3D (по трем параметрам). Наиболее существенно цифровое шумоподавление проявляется на крупных планах человеческого лица: при правильном алгоритме на нем отсутствуют ярко выраженные цветовые границы и пиксельность, воспринимаемая как размазанная грязь. Результат работы системы Pixel Plus 2 показан на референсном примере в начале статьи: слева изображение без PP 2, а справа — при ее использовании.
   В последних моделях плазменных панелей Pioneer использование системы Advanced Super CLEAR Drive обеспечивает до 1920 градаций серой шкалы для каждого из RGB-цветов, что дает на экране более 7 млн. оттенков. Благодаря такому количеству градаций обеспечивается хорошее воспроизведение оттенков на темных сценах. Кроме того, система динамической подсветки (Dynamic Bright-up Processing) оперативно управляет яркостью, постоянно оценивая среднюю и распределенную яркость экрана. Это проявляется яркостным выделением фрагментов зон на общем фоне средней яркости, занимающем большую часть экрана. Показательно, что такое решение позволяет еще и экономить на потреблении.
   Как мы видим, все ведущие производители, пытаясь улучшить качество изображения современных устройств отображения, в которых оно формируется цифровым способом с помощью многопиксельной матрицы, идут похожим путем.
   Все сложности, связанные с необходимостью пересчета цифрового видеопотока перед подачей его на цифровой дисплей, обусловлены несоответствием физического разрешения сегодняшних панелей (наиболее распространенное значение —1280х768) и требований формата HDTV. Но завтра и эта проблема будет решена, поскольку уже появились первые модели телевизоров с требуемым для HDTV разрешением — 1920х1080.

Запись HDTV
   Пока видеодиски с высокой четкостью, HD-DVD, находятся в стадии освоения опытного производства, Sony уже объявила о выпуске на американский рынок новых видеорекордеров, предназначенных для записи HD-телевидения — DHG-HDD250 и DHG-HDD500. В них запись ведется на встроенный накопитель на жестком диске емкостью 250 и 500 ГБ соответственно. В зависимости от модели длительность записи для режима с максимальным разрешением составляет 30 и 60 часов, а для стандартного качества (современное аналоговое телевидение) она увеличивается почти в семь раз. Выходной видеосигнал может быть цифровым — HDMI или компонентным аналоговым.
   Готовность к HDTV
   Среди присутствующих на российском рынке телевизоров формата 16:9 с большими диагоналями уже достаточно много снабжено рекламным слоганом — HDTV ready, то есть «готовый к HDTV». К сожалению, многие такие телевизоры даже не имеют требуемых режимов развертки, 1080i или 720p. Разрешение режима 720p составляет 1280x720 пикселей, а разрешение 1080i — 1920x1080. Так что, приобретая телевизор с оглядкой на будущее, необходимо выяснить все его возможности. Кроме того, большинство из них не имеет и встроенного HD-тюнера, и покупать такой ТВ «на вырост» бесполезно. Но начиная с моделей конца этого года, телевизоры с диагональю 36" и выше должны иметь встроенный тюнер для приема HDTV.