Преобразователи развертки: типы, принцип работы, применение

Традиционно все дисплеи на основе электронно-лучевых трубок использовали горизонтальную (строчную) и вертикальную (кадровую) развертку. Электронный луч прочерчивал слева направо строку за строкой, а затем возвращался в исходную точку – чтобы начать прорисовку нового кадра. Синхронный прием телепередач диктует жесткие стандарты в телевидении: частоты обновления кадров и переходов со строки на строку задаются на передающей стороне. Исторически сложилось так, что телевизионная развертка была привязана к частоте сети переменного тока: 60 Гц в Америке, Канаде, Японии и некоторых других странах и 50 Гц в остальной части Земного шара. Эти значения до сих пор определяют частоту смены полей, или полукадров, при чересстрочной развертке и все остальные временные параметры изображения. Собственно кадровая частота равна половине частоты смены полей, или соответственно 30 и 25 Гц. И хотя в современных пиксельных дисплеях используются несколько иные принципы, нежели в кинескопном телевизоре, строчная структура растра как таковая отсутствует и по большом счету актуальна только смена кадров, стандарты ТВ остались прежними. В самих дисплеях может осуществляться преобразование развертки из чересстрочной в построчную и удвоение строк, в результате чего могут появляться такие значения кадровой развертки, как 50, 100 Гц (PAL, SECAM) или 60, 120 Гц (NTSC). Но исходный сигнал аналогового телевещания, принимаемый из эфира, остается неизменным.

В компьютерном же мире, который не имеет жесткой привязки к телевещанию, все гораздо разнообразнее. Например, для обычного кинескопного монитора при экранном разрешении 1024 х 768 можно выбрать частоту обновления кадров из следующего списка: 43 Гц (чересстрочная развертка); 60, 72, 75, 85, 90, 100, 120 Гц (прогрессивная развертка). Если же задать иное разрешение, изменится и список. Нетрудно видеть, что далеко не все значения не только соответствуют ТВ-стандартам, но и являются кратными по отношению к ним, что затрудняет взаимодействие этих двух областей.

Между тем, не имея прямой связи, компьютерная область и телевидение тем не менее имеют множество точек соприкосновения. В наше время телепроизводство немыслимо без компьютера: реклама, спецэффекты, монтаж, титры, анимация, обработка сигнала и пр. – все это результаты глобальной компьютеризации телевидения. В процессе производства видеосигнал может иметь самые различные параметры разверток, но перед выходом в эфир он обязательно преобразуется в стандартную для этой цели форму. Но потребность данного преобразования возникает не только в телестудиях и не только непосредственно перед подачей сигнала на модулятор передатчика. Очень часто бывает необходимо просмотреть изображение с ноутбука на стандартном телевизоре, записать его на видеомагнитофон и т.д. Для этой цели используются устройства, называемые преобразователями развертки, или скан-конверторами.

Рис. 1. Вывод изображения с компьютера на телевизор или видеомагнитофон

Эти устройства бывают двух типов: встраиваемые и в виде отдельных компонентов. К первому относятся видеокарты, оснащенные готовым видео выходом, а также функциональные узлы современных телевизоров, имеющих компьютерные видео входы. Все профессиональные станции нелинейного монтажа на студиях на основе мощных компьютеров оснащены видеокартами, осуществляющими преобразование развертки на высоком качественном уровне и использующие внешнюю синхронизацию для вывода видеосигнала. Однако источники видеосюжетов достаточно разнообразны: это может быть и ноутбук, видеокамера, спутниковый ресивер, DVD-диск. Сами программы могут иметь стандартное разрешение или относиться к разряду ТВЧ. Либо возникает потребность (в последнее время все чаще) воспроизвести программу стандартного телевидения на дисплее высокого разрешения с минимальными потерями качества. В этих случаях пригождаются сканконверторы в виде отдельных устройств. Выручают они и при наличии в персональном компьютере видеокарты пользовательского, а не профессионального ранга, которая может иметь ТВ-выход, но не обеспечивать при этом требуемого качества (типичный пример из области презентаций). Многие модели скан-конверторов обладают значительной универсальностью по отношению к входным сигналам, а профессиональные имеют входы внешней синхронизации, что позволяет вписать любой прошедший через них сигнал в общую временную сетку телестудии, исключив подрывы изображения при переключении источников сигнала.

Как работает преобразователь развертки

Скан-конвертор – сложное цифровое устройство, построенное на основе скоростных DSP-процессоров и больших буферов памяти. Некратные преобразования развертки не под силу аналоговым устройствам, работающим в реальном времени, тем более если речь идет о профессиональном уровне качества преобразования. Скан-конвертор работает не в реальном времени: с заданной частотой строчной и кадровой разверток происходит только считывание готовой информации, а работа над сигналом производится гораздо быстрее: за время каждой строки или кадра процессор он успевает произвести огромное количество операций, что в аналоговом представлении принципиально невозможно.

Рассмотрим процессы, происходящие в скан-конверторе, например, при подаче на его вход компьютерного сигнала RGB с разрешением XGA (1024 х 768 пикселей), из которого нужно получить сигнал стан- дартного ТВ (SDTV) 480i (interlaced, или чересстрочная развертка – такую размерность имеют, в частности, программы, записанные на дисках DVD NTSC). Тот же результат на выходе можно получить и при иных входных сигналах стандарта VGA (до UXGA и выше) или DVI, HDMI и пр. Прибор просто подстраивается под развертку входного сигнала автоматически либо параметры по входу задаются вручную.

Первая стадия обработки – оцифровка в АЦП, необходимая для аналогового RGB и других аналоговых сигналов. Точность оцифровки очень важна, поэтому более продвинутые модели скан-конверторов предлагают глубину (разрядность) не стандартные 8 бит, а выше: 10, 12, иногда 14. Чем выше разрядность изначальной оцифровки, тем лучше: выше линейность, меньше уровень цифрового шума, к тому же обработка сигнала в DSP-процессорах производится с заведомо более высоким разрешением, чтобы не допустить большого набега ошибки при многочисленных математических операциях с данными. И если даже на цифровом выходе прибора нам понадобится всего 8- или 10-битный сигнал (что определяется спецификой монитора или компонентов тракта, следующих за скан-конвертором), лишние биты по окончанию отбрасываются или округляются (последнее предпочтительнее). Аналоговый же выходной тракт преобразователя вполне может иметь ЦАП столь же высокой разрядности, как и АЦП.

Естественно, цифровые входные сигналы (DVI, HDMI, SDI) оцифровки не требуют и подаются в обход АЦП в буфер памяти и далее на вход процессора.

Рис. 2 Схема преобразования развертки с понижением разрешения

В процессоре происходит пересчет пиксельной структуры сигнала: уменьшается количество пикселей по горизонтали и вертикали до нужного значения, определяемого новым разрешением и форматом кадра (последний часто при этом меняется, например с 16:9 до 4:3). Пиксели при пересчете просто «слипаются», скажем, 4 в 1, как если бы исходное и конечное разрешения отличались ровно в 4 раза. Информация о цвете новых пикселей вычисляется тоже не простым вычислением среднего арифметического, а с применением более сложных алгоритмов усреднения со сглаживанием (anti-aliasing), учитывающих многие параметры изображения в целом и конкретных его фрагментов. Делается это для того чтобы избежать потери качества изображения, которое при более низком разрешении должно выглядеть на дисплее меньших размеров так же, как исходное на – более крупном. Естественная потеря деталей при этом компенсируется меньшим экраном, субъективно же она не должна восприниматься. На экране не должна проступать пиксельная структура, что выражается в зернистости фактуры и зубчатости наклонных линий. Алгоритмы сглаживания и общей оптимизации изображения реализуются с помощью цифровых фильтров.

Рис. 3. Преобразование с понижением разрешения

Рис. 4. Фрагмент изображения после преобразования с понижением разрешения,
увеличенный и помещенный поверх исходного кадра

Естественно, в процессе преобразований должны остаться нетронутыми такие показатели, как яркость, контрастность, резкость, цветопередача. Чтобы обеспечить их сохранность, необходимо с максимальной аккуратностью перенести сигнал из цветового пространства RGB с равными весовыми соотношениями трех составляющих – красного, зеленого и синего – в цветовое пространство YPbPr, которое соответствует композитному видео. Здесь соотношение весов основных цветов иное и определяется формулой белого цвета (основанной на особенностях зрительного восприятия): E_Y = 0,3E_R + b,59E_G + 0,11E_B. Кроме этого, компонентный сигнал несет не абсолютные уровни R, G и B, а сигнал яркости Y и две цветоразностных компоненты Pr и Pb, получаемые из исходного RGB-сигнала путем матрицирования.

Чтобы обеспечить полную идентичность субъективно воспринимаемых яркости, контрастности, цветности и четкости, многие модели скан-конверторов предполагают средства их настройки, что может пригодиться и само по себе: повышенная гибкость и возможность повлиять на сигнал всегда ценны, тем более что в цифровых устройствах дополнительные регулировки не означают деградации сигнала из-за накапливающихся шумов и разного рода искажений.

После тщательной покадровой обработки и преобразований, связанных с переходом к компонентному сигналу, данные снова помещаются в память, откуда извлекаются в порядке, определяемом новыми частотами строчной и кадровой разверток. Причем порядок извлечения полей теперь соответствует чересстрочной развертке, которую требуется получить на выходе.

Далее, если сигнал будет сниматься с аналогового выхода YPbPr, следует цифро-аналоговое преобразование. Если нужен композитный сигнал, он синтезируется из компонентного в стандартных чипах кодеров. Если прибор оснащен разными выходами, с каждого из них сигнал может сниматься синхронно в соответствующем формате. При наличии входа для внешнего опорного генератора выходной сиг- нал будет синхронизирован со студией. Если этого не требуется, можно ограничиться внутренним опорным генератором.

В рассмотренном нами примере был получен ТВ-сигнал 480i, относящийся к стандарту NTSC. Если же говорить о преобразовании VGA (640 x 480) в PAL для стандартного ТВ, то вместо 480i будет иметь место размерность 576i, а разрешение станет 720 х 576. Иными словами, количество пикселей по горизонтали уменьшится, а по вертикали – возрастет. Там, где необходим прирост разрешения, задействуются не просто алгоритмы цифровой фильтрации, а интерполяции, в процессе которой синтезируется новая информация, которой не было в исходном изображении. То же самое осуществляется при подгонке изображения стандартного разрешения к собственной пиксельной структуре дисплея ТВЧ. Попутно чересстрочная развертка преобразуется в прогрессивную. При этом наряду со сглаживанием и прочими операциями задействуются сложные интерполяционные алгоритмы, предотвращающие «эффект расчески» на подвижных объектах (из-за временного рассогласования соседних полей при переходе к прогрессивной развертке), мерцание соседних строк, эффект «пересыпания пикселей» (наблюдающийся при медленном «наезде» камеры на неподвижный объект, при котором его фактура меняет свою зернистость).

Рис. 5. При укрупнении неподвижного изображения «эффект расчески»
незаметен даже на самой расческе. Но стоит привести ее в движение…

Рис.6. Укрупнение изображения без сглаживания (слева) и с ним (справа)

Поскольку, как уже говорилось, скан-конверторы осуществляют некратные преобразования, процесс связан с синтезом последовательности промежуточных полей, из которых затем одни отбрасываются, а другие используются в новом изображении. Принцип здесь тот же, что и при преобразовании из NTSC в PAL или SECAM, основные сложности которого проистекают из 20%-й разницы в кадровых развертках. Качественный алгоритм преобразования практически не приводит к дробности или неравномерности движения объектов, а также размывании их фактуры во время движений. Все эти операции, в принципе, идентичны тем, которые осуществляются в более универсальных приборах – масштабаторах, включая алгоритм особой обработки программ, изначально снятых на кинопленку (24 кадра / с), а затем с помощью сложных манипуляций с полями переведенных в телевизионный стандарт NTSC (30 кадров/с). Качественный прибор автоматически опознает следы преобразования «телекино» в программе и активирует специальный алгоритм стяжки 3:2, гарантирующий максимально равномерные движения за счет корректного воссоздания последовательности кадров и дальнейших преобразований к более высокому разрешению.

Скан-конверторы довольно универсальные приборы. Они позволяют задать нужный формат выходного ТВ-сигнала вне зависимости от того, какой именно компьютерный сигнал подается на вход. Кроме этого, в отличие от продвинутых видеокарт с ТВ-выходом, скан-конвертор обычно имеет функцию кадрирования: при желании можно вырезать из кадра нужный фрагмент и именно его подать на выход уже в полноэкранном режиме и в требуемом телевизионном формате с нужными экранными пропорциями (16:9, 14:9, 4:3, 2.35:1).

Рис. 7. Преобразование с кадрированием