Различия 1080i и 720p
В III в. н.э манихейцы (персидская религиозная секта) разделили мир на два состояния: духовное противопоставили материальному. С тех пор мы следуем модели дуализма манихейцев практически в каждом аспекте своего существования: любовь противопоставляем сексу, искусство коммерции, пишем "ЕЩЕ" - читаем "ИСЧО". Даже технические умы не свободны от этого. Мы с не меньшим увлечением играем в дуализм: Beta vs. VHS, аналоговые форматы противопоставляются цифровым, DVD сравнивается с DivХ.
Под влиянием плюрализма, свойственного цифровым телевизионным стандартам, включающим 18 различных телевизионных форматов, двойственность манихейцев принимает совершенно новые формы. Наиболее очевидная из них - это сравнение HDTV и SDTV или телевидения высокой четкости с телевидением стандартной четкости. Вы, скорее всего, уже поняли, что стандартное разрешение - это эвфемизм, и что высокое разрешение для широкоэкранных домашних кинотеатров последних моделей - именно то, что надо. Однако технические возможности позволяют говорить о двух различных подходах к созданию HDTV изображения, и на этой почве возникает новое технологическое разграничение: разрешение 1080i против 720p.
Комитет передовых телевизионных систем (ATSC), родивший 18-главое чудовище, заявляет, что оба разрешения отвечают требованиям, предъявляемым к телевидению высокой четкости (HDTV). Эту точку зрения разделяет и Ассоциация производителей бытовой электроники, влиятельная профессиональная группа, представляющая изготовителей аудио-видеопродукции для телевидения и других применений. Однако по разным причинам остальные участники полемики вокруг высокого разрешения (HD) занимают противоположные позиции.
Большинство производителей телевизионной продукции, имевших четкую позицию к моменту написания этой работы, выбрали воспроизведение HDTV с разрешением 1080i. Среди них CBS, NBC, HBO и Гарри Сомерфильд (Harry Somerfield), технический редактор этого журнала . Тем не менее, все остальные утверждают, что разрешение 1080i заметно хуже и, что изображение в формате 720p лучше выглядит, более соответствует новым технологиям отображения и, следовательно, предпочтительнее для будущего цифрового ТВ. По эту сторону разделительной полосы находятся ABC, Fox, компьютерная индустрия, а также телевизионный гуру Джо Кейн (Joe Kane) из Научного института визуализации изображения. В то же время отдельные специалисты заявляют, что при отображении на реально существующем оборудовании различия между форматами столь незначительны, что сама по себе полемика является деструктивным развлечением.
Мы же никогда не уклоняемся от дискуссий, поэтому давайте сравним разрешение 1080i с 720p. Кто же все-таки прав? Какая из двух картинок выглядит лучше? И имеет ли, вообще, полемика смысл? Взглянем на цифры.
Считая пиксели
Производить подсчеты, выводить формулы предпочитают защитники разрешения 1080i. Обратимся к строкам развертки: число 1080 больше, чем 720, не так ли? Поэтому в данном случае предпочтительнее оказывается метод подсчета "пикселей" (точек, составляющих изображение).
Совершим простейшие арифметические действия: умножим число текущих вертикальных пикселей в каждом формате на число горизонтальных пикселей. В формате 1080i: 1080*1920 = 2,073,600 точек. В формате 720p: 720*1280 = 921,600 точек. После подсчета пикселей выясняется, что в формате 1080i точек оказывается более чем в 2 раза больше по сравнению с форматом 720p и, следовательно, он более чем в 2 раза четче.
Смотрим на часы
Однако цифры - это еще не все. Существует отличие, опирающееся на значения символов "i" и "p". 1080i - это "чересстрочный" формат, а 720p - "прогрессивный". В каждом формате используется особый способ превращения ряда статичных изображений в движущуюся картинку. При чересстрочной развертке неподвижное изображение или "кадр" создается за счет сканирования двух наборов чередующихся строк или "полей" (полукадров). При прогрессивной развертке кадр создается за один прогон.
Если развертка изображения в обоих форматах осуществляются с одинаковой скоростью, т.е. в секунду происходит равное число прогонов, преимущество прогрессивной развертки становится очевидным, так как сканируется полное изображение (кадр), а не половина изображения (поле). В рамках этой развертки выводится меньше точек и строк, но развивается удвоенная скорость.
Итак, теперь встал вопрос хронометража. Как разъясняет компания ABC (Эй-Би-Си) на своем сайте в разделе FAQ (часто задаваемые вопросы и ответы на них): "Сравнивать число строк разрешения в изображениях с прогрессивной и чересстрочной разверткой не совсем корректно. В период времени, требуемый в формате 720p для вывода изображения в 720 строк, в формате 1080i выводится изображение только в 540 строк. И за то время, пока в формате 1080i выводится изображение в 1080 строк, в формате 720p заканчивается вывод 1440-й строки".
Как подчеркнул представитель фирмы Sony Фил Эбрем (Phil Abram), сравнение справедливо только в том случае, если хронометраж (скорость обновления изображений) остается постоянным. Действительно, этот факт может служить доказательством. По мнению Джо Кейна (Joe Kane), в то время как в телевидении стандартной четкости допускаются различные темпы обновления изображения, в первом поколении цифрового оборудования изображение обновляется посредством трассировки новых полей или кадров поперек экрана один раз в каждую шестидесятую (1/60) долю секунды. Любое изображение, передаваемое медленнее, будет вновь преобразовано оборудованием, для того чтобы помешать медленно движущимся кадрам вызвать видимое мерцание изображения.
Пространственное разрешение против временного
Истина состоит в том, что изображения в обоих форматах, 1080i и 720p, выглядят лучше в разных условиях. Формат 1080i предназначен для воссоздания мелких деталей в неподвижных кадрах и изображениях при незначительном движении или полном его отсутствии. Этот формат лучше всего подходит для "пространственного разрешения". Независимо от того, как долго приходится создавать картинку, она будет содержать больше строк, больше точек. Система отлично функционирует до тех пор, пока отсутствует движение. Помните, как два поля (полукадра) создают кадр? Если объекты перемещаются, траектория движения между чередующимися полями изменяется. Это вызывает "артефакты движения" (помехи изображения) или видимое искажение похожие ступенчатый рисунок на диагональном контуре.
Формат 720p имеет преимущества в воспроизведении движения. Он не вносит видимых искажений независимо от скорости движущихся объектов, поэтому обладает лучшим "временным разрешением". Однако при остановке часов неподвижные кадры не будут выглядеть четко, потому что в распоряжении формата 720p находится меньшее число точек и строк.
Противопоставляя в соответствии с дуализмом манихейцев статичные и движущиеся изображения, определим, какие из них воздействуют на характеристики картинки в большей степени? По Кейну (Kane) производительность формата 1080i постоянно варьируется между 540 и 1080 строками в зависимости от объема движения в изображении на каждый данный момент. "Основная идея телевидения состоит в получении движущихся изображений. Соответственно, когда есть движение, обычное разрешение, как правило, всегда оказывается значительно ниже 1080. Маловероятно, чтобы изображение достигло когда-либо разрешения 1080. Вычисления, берущие за основу средние значения параметров движения, подразумевают, что вертикальное разрешение достигает приблизительно 635 строк. Эти цифры не соответствуют средней величине, так как фактическое разрешение определяется количеством движения. При этом формат 720p постоянно располагает массивом в 720 строк. Я полагаю, что формат 720p в настоящее время - наилучшее направление развития отрасли".
Впрочем, не переживайте слишком за временное разрешение. Как подчеркивает Эд Милбоурн (Ed Milbourn), управляющий перспективным телевизионным планированием фирмы Thomson: "Кинофильмы имеют ужасное временное разрешение". Они снимаются со скоростью всего лишь 24 кадра в секунду, а это медленнее, чем в 1080i и 720p! Чтобы минимизировать дрожание изображения, киномеханики открывают обтюратор дважды за один кадр. Тем не менее, 35 мм фильм является стандартом для всех телевизионщиков, а характеристика "как в кино" самой высокой похвалой.
Согласно Милбоурну, книжное определение истинного телевидения высокой четкости включает: разрешение примерно в два раза превышающее разрешение современного аналогового стандарта NTSC, широкоэкранное изображение, цифровой звук. Этим требованиям отвечают оба формата и 1080i, и 720p.
Как насчет дисплея?
Легко говорить о теоретических границах технических решений. А что же существенного можно добавить о технических решениях в наших домашних кинотеатрах и телевизионных сетях? Здесь, все развивается также непредсказуемо как на скачках. Хотя с производственных позиций выигрышным кажется все-таки формат 1080i, во всяком случае, сейчас.
Вторя остальным сторонникам формата 720p, Кейн (Kane) утверждает, что прогрессивная развертка больше подходит для дисплеев, в конструкции которых используется технология DLP, плазменных дисплеев и устройств нового поколения. В действительности, говорит Кейн (Kane), телевизоры с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) "более эффективны при передаче прогрессивной развертки, так как яркость изображения увеличивается. Если для преобразования сигнала NTSC в прогрессивную развертку использовать удвоение строк, на большинстве дисплеев можно добиться 40-процентного увеличения светоотдачи без искажения сигнала. А это серьезное количество светового излучения. Вот почему я поддерживаю прогрессивную развертку".
Однако формат 720p непрактичен для доступных по средствам телевизионных устройств, базирующихся на ЭЛТ, утверждает представитель фирмы Sony Фил Эбрем (Phil Abram). "Противопоставление чересстрочной и прогрессивной развертки связано с горизонтальной частотой сканирования. То есть с тем, насколько быстро вы можете перемещать электронный пучок через экран кинескопа. Чересстрочная развертка, объясняет он, "дает вам разрыв", так как поле не включает каждую вторую строку, передавая только половину изображения. "Если вы начинаете работать на 60 полных кадров в секунду в формате 720p, электроника, аппаратные блоки, электронная пушка, экранирование и все остальное взлетают в цене".
Он говорит, что хорошим решением будет отображать разрешение или 1080i или 480p, преобразуя все остальные сигналы в один из этих форматов. "Указанные горизонтальные частоты сканирования лежат недалеко друг от друга. Вы можете сосредоточиться на них и создать эффективную по затратам установку". Некоторые изготовители, хотя далеко не все, заняты этим.
В период написания данной работы, фирма Toshiba представила 71- и 65-дюймовые мультиформатные проекторы (рирпроекция), которые работают в обоих форматах: соответствующем высокому разрешению - 1080i и в соответствующем стандартному разрешению - 480p. Последнее может использоваться в новых DVD плеерах со специальным профессиональным прогрессивным выходным сигналом (ColorStream Pro). Однако формат 720p будет преобразован в формат 1080i, и аналоговый сигнал NTSC в формат 480p. Подобным образом работает широкоэкранный 56-дюймовый проектор от фирмы Panasonic. Она также предлагает две модели для телевидения стандартной четкости (SDTV). Mitsubishi представила семь аппаратов, широкоэкранных и стандартных одновременно, воспроизводящих формат 1080i как формат 1080i и преобразующих аналоговый сигнал NTSC, формат 720p и формат 480p в собственный уникальный формат развертки 960i. "Третьим лишним" оказалась фирма Pioneer, 50-дюймовый газоплазменный аппарат которой отображает прогрессивную развертку 768 x 1280, незначительно превосходящую стандартный вертикальный резерв формата 720р. Все сигналы, включая формат 720p, преобразуются до вертикального разрешения 768 строк.
Когда вы будете читать эти строки, появится еще больше альтернативных вариантов. Хотя газоплазменные и жидкокристаллические дисплеи "прогрессивны от рождения", как говорит Эбрем (Abram), получение полного разрешения в формате 1080i или формате 720p есть "результат того, каким количеством пикселей располагает отдельно взятый дисплей. Следовательно, основная проблема в выходном сигнале и габаритах устройств. А они чрезвычайно дороги в любом формате". Нетрудно догадаться, почему плазменный аппарат фирмы Pioneer стоит $25,000. Но даже в подобных ситуациях, добавляет он, "я всегда удивляюсь тому, что делают инженеры, имеющие правильную мотивировку и цели".
Передача сигнала, производительность и взгляд в будущее
Формат 1080i неудобен для использования в качестве цифрового формата, так как при передаче сигнала в его рамках возникают значительные трудности, что отмечается на сайте компании ABC (Эй-Би-Си) в разделе FAQ (часто задаваемых вопросах и ответах на них). "Изображение в формате 1080 x 1920 (1080i) ... невозможно до размеров, подходящих для 6 МГц канала, без возникновения нежелательных артефактов (помех изображения). Поэтому было рекомендовано подвергнуть 1920 пикселей выборке до 1440, чтобы уменьшить помехи при компрессии. По этой причине производители шифраторов приняли решение не учитывать приблизительно 25% изображения во время эфирной трансляции. Такой компромисс не требуется при использовании формата 720p. Большая часть оригинальной информации об изображении сохраняется в трансляционной сети". Джон Мэлоун (John Malone) из кабельного гиганта TCI заявил даже, что он не будет добровольно передавать сигнал 1080i, названный им "искривлением спектра". При этом, добавил он, проблем с форматом 720p не было.
Однако независимо от их слабых и сильных сторон, ни формат 1080i, ни формат 720p не являются последним словом в цифровом телевидении. Как разъяснялось в предыдущем разделе, стандарт ATSC дает спецификацию формату 1080p, объединяющему высокое пространственное разрешение формата 1080i с высоким временным разрешением формата 720p. Он требует еще большей компрессии при передаче, чем формат 1080i (при допущении, что частота съемки останется прежней). На сегодня очень небольшое количество потребителей, располагающих домашними кинотеатрами предыдущих моделей, смогут позволить себе почти невозможно дорогой и высококачественный дисплей необходимый для этого формата. Также нереально его использование сейчас или в ближайшем будущем для трансляции или отображения телевизионной картинки на улице. Однако, как утверждает Кейн (Kane), этот формат идеален с точки зрения производительности и архивирования файлов. И дебютирует он в следующем году на съезде Национальной ассоциации телевещателей. Мы можем верить Кейну - его просили прийти с демоверсиями дисплеев.
РЕЗЮМЕ
Аргумент, что чересстрочная развертка 1080i (1080x1920, 30 кадров/сек.) дает изображение лучшего качества, чем прогрессивная развертка 720p (720x1280, 60 кадров/сек.), так как первая имеет в два раза больше элементов изображения (пикселей) на кадр, есть самый последний ошибочный довод. Предлагается он теми, кто годами продвигает систему NHK 1125/60 в качестве мирового стандарта производства. Все приводимые выше аргументы были отвергнуты как ложные, а этот данный аргумент - просто последняя попытка навязать устаревшую технологию американской индустрии телевещания. На самом деле, вертикальное разрешение, действительно достигаемое в формате 1080i, ниже, чем в формате 720p. В то же время горизонтальное разрешение значительно меньше 1920 пикселей, что было ясно продемонстрировано в ходе объективных испытаний, проведенных ATTC. Экспертные оценки, выставленные ATEL, показали, что воспринимаемое качество изображения двух систем сопоставимо.
2 миллиона против 1 миллиона
Как было сказано выше, чересстрочный сигнал из 1080 строк на кадр располагает лишь половиной от этого числа линий в качестве фактического вертикального разрешения. В тоже время прогрессивный сигнал из 720 строк на кадр имеет фактическое вертикальное разрешение близкое к 720 линиям. В упомянутых выше тестах ATTC реально измеренное вертикальное разрешение формата 720p было выше, чем у формата 1080i. Что касается горизонтального разрешения, то 1920 действительно значительно выше, чем 1280. Если бы такая цифра была достигнута, можно было бы ожидать, что воспринимаемая четкость изображения формата I окажется выше, чем у формата P. Однако все оказалось не так просто. Индивидуально воспринимаемая четкость, измеренная ATEL, была почти одинаковой. (Предмет исследования не был выбран специально для иллюстрации искажений при чересстрочной развертке.) Разумеется, изображение формата 1080I не распалось на 1920 пикселей по горизонтали. По всей вероятности, это было вызвано самой камерой или фильтрацией ее сигнала. Необходимо отметить, что при пропускной способности 30 МГц, использованной в тестах, разрешение ограничено примерно 1550 горизонтальными пикселями.
Дополнительные данные по настоящей публикации были выявлены в Японии и на последней выставке NAB. В Японии Ассоциация радиотехнических отраслей промышленности и торговой деятельности (the Association of Radio Industries and Businesses - ARIB) уже сменила 1080x1920 на 1080x1440, так как более высокое разрешение вызывает искажения кодировки (блокирование). Последнее, в зависимости от объекта передачи, можно ослабить или устранить за счет некоторого снижения горизонтального разрешения. Поступали также сообщения от NAB о блокирующих искажениях в материале, закодированном в формате 1080i, что происходит, несомненно, по той же причине. В прошлом декабре фирма Sony ходатайствовала перед ATSC о смене формата 1080x1920 на формат 1080x1440. С другой стороны, на NAB-е не поступало сообщений о помехах компрессии с форматом 720p.
Суммируя, можно сказать, что формальное разрешение 1080x1920 на практике не достигнуто. Разрешение формата 1080i не выше формата 720p, зато обладает всеми хорошо известными искажениями, соответствующими чересстрочной развертке. Качественного преимущества в использовании формата 1080i не существует, также как не существует веских причин отказа от использования прогрессивной развертки.
Заключение
В данной статье было показано, что утверждение о более высоком разрешении в формате 1080i относительно формата 720p является ошибочным. Разрешение, фактически достигаемое в чересстрочных системах, значительно ниже формального 1080x1920. Снижение вертикального разрешения связано с необходимостью уменьшения дрожания строк, которое будет присутствовать в противном случае. Снижение горизонтального разрешения есть отчасти результат трудностей работы с видеокамерой, а отчасти результат ограничений системы компрессии MPEG. Эти ограничения являются ее неотъемлемыми частями. Их невозможно устранить в рамках установленной трансляционной скорости передачи данных. Когда-то эти вопросы полностью не осознавались, но сейчас такие времена прошли. На настоящий момент существует множество фактов, которые доказывают, что никаких преимуществ в использовании чересстрочной развертки при трансляции сигналов цифрового телевидения нет, за исключением выгоды для изготовителей профессионального оборудования с чересстрочной разверткой. То обстоятельство, что некоторые защитники чересстрочной развертки по-прежнему пытаются продвинуть эту устаревшую технологию, показывает, что их точка зрения основывается не на реальных фактах. Она почти несомненно обязана своим существованием исключительно их отчаянным попыткам добиться, чтобы уже разработанное 1125-строчное профессиональное оборудование использовалась для трансляции сигнала HDTV (телевидения высокой четкости).
N.B. Цифры 720x1280 относятся к структуре видимого телевизионного кадра. Аналоговые системы, такие как NTSC, имеют большее целое число строк (525) в сравнении с 480 строками видимого кадра. Исходная система NHK имела 1125 полных строк, из которых 1035 формировали видимое изображение.
