Чересстрочный и прогрессивный режимы в современных бытовых видеокамерах

С некоторых пор прогрессивный режим, уже подзабытый видеолюбителями, опять возвращается на рынок, теперь уже в "HD-инкарнации". Все бытовые HD-видеокамеры фирмы Canon снабжены этим режимом, Panasonic в HS9/SD9 (и более новых моделях) пошел по этой же дороге, обеспечив поддержку 25p, есть все основания полагать, что Sony и JVC не будут спокойно смотреть на это преимущество конкурентов и также добавят прогрессивный режим в свои будущие линейки видеокамер высокой четкости.

В связи с этим тема прогрессивного режима в современных бытовых видеокамерах становится как никогда раньше актуальной и данная статья как раз и призвана дать общее понятие о том "что это такое и с чем его едят". В ней мы рассмотрим общие принципы чересстрочного и прогрессивного сканирования матриц видеокамер, преимущества и недостатки обоих режимов, коснемся вопроса о представлении выходного видеосигнала для прогрессивного режима и совмещения прогрессивного режима HD-видеокамер и HD-телевизоров, а также рассмотрим состояние дел с прогрессивом в конкретных моделях HD-видеокамер 2008 года.

Чересстрочное и прогрессивное сканирование: общие принципы

Начнем с чересстрочного режима. Как известно, в чересстрочном режиме каждый кадр видео составлен из двух полукадров, сдвинутых по времени относительно друг друга на 1/50 секунды (по умолчанию мы говорим о стандарте PAL). При этом четные строки полного кадра взяты из одного полукадра, а нечетные - из другого (из за этого, при просмотре такого видео на телевизоре или мониторе с прогрессивным сканированием, мы видим "гребенку" на быстро движущихся объектах - для них оба полукадра в одном кадре оказываются "сдвинутыми" относительно друг друга). Очевидно, что полукадры следуют друг за другом с частотой 50 раз в секунду (такой режим часто называют режимом 50i, где 50 - частота следования полукадров, а i - interlaced - чересстрочный).

В рамках темы этой статьи нас интересует, как получаются эти самые два полукадра. Большинство думает, что для их получения сканируются только четные и нечетные строки матрицы - к примеру для первого полукадра сканируются только строки 1, 3, 5, 7, ... и т. д., а для второго (через 1/50 сек.) строки 2, 4, 6, 8, ... и т. д. Но на самом деле это не совсем так, а вернее - совсем не так. Для каждого полукадра сканируются все строки матрицы, что гораздо более правильно - используется вся накопленная информация. А вот дальше начинается самое интересное - для формирования именно полукадра, а не полного кадра, строки матрицы попарно складываются друг с другом - для первого полукадра это выглядит как 1+2, 3+4, 5+6, 7+8, ... и т. д., а для второго 2+3, 4+5, 6+7, 8+9 ... и т. д. Схематически это изображено на рис. 1 для четного и нечетного полукадров (полей) на матрице из 480 строк (NTSC). На матрицах HD-видеокамер все происходит аналогично, только число строк составляет 1080.

Рис. 1.

Преимущества такого подхода очевидны - для каждого полукадра используется вся информация с матрицы, сложение/усреднение сигналов с соседних строк повышает чувствительность, кроме того, благодаря этому устраняется "фликкер" (flicker - дрожание тонких горизонтальных линий на картинке). А вот основной недостаток такого подхода также очевиден - попарное сложение строк уменьшает вертикальное разрешение (на 25-30%). Кроме того, при просмотре на устройствах с прогрессивной разверткой (к примеру - монитор компьютера) на быстродвижущихся объектах наблюдается уже упомянутая выше "гребенка", для её устранения приходится прибегать к процедуре деинтерлейсинга (deinterlacing), что еще более "сажает" вертикальное разрешение.

Теперь о прогрессивном сканировании матрицы - тут все гораздо более очевидно. У нас нет разделения на полукадры, кадры следуют друг за другом с частотой 25 раз в секунду (поэтому такой режим часто называют 25p, где 25 - частота следования кадров, а p - progressive - прогрессивный), попарное сложение строк отсутствует. Преимущества этого режима - отсутствие "гребенки", более высокое вертикальное разрешение, а следовательно и общая четкость картинки, нежели в чересстрочном режиме. Ну а недостатки - более низкая чувствительность матрицы и  несколько "дерганая" передача движения по сравнению с чересстрочным режимом - при 50 полукадрах в секунду, движение передается гораздо более плавно.

Вот, собственно, и все детали, которые я хотел тут рассмотреть. Но, прежде чем переходить к практическим аспектам использования этих двух режимов, стоит остановиться на еще одном режиме, который можно назвать "псевдопрогрессивным".

Несколько слов о режиме FRAME

Надо отметить, что честное прогрессивное сканирование в бытовых видеокамерах встречается не часто. 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 реализует его по своему и детали этих реализаций 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 режим frame 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 заметное падение вертикального разрешения!

Прогрессивный режим: представление выходного сигнала

До сих пор мы говорили о том, что происходит на матрице видеокамеры, но не менее важно, в каком виде полученный с матрицы сигнал пишется на носитель видео и в каком виде он выводится с видеокамеры на устройство просмотра. И тут нас ожидает еще один сюрприз - полученный прогрессивный сигнал записывается на носитель в чересстрочной форме. В случае с режимом 25p, каждый прогрессивный кадр делится перед записью на два полукадра - из, соответственно, четных и нечетных строк полного кадра. Особенность такой записи состоит в том, что оба полукадра берутся из одного прогрессивного кадра, а это значит, что они не сдвинуты по времени друг относительно друга, и, соответственно, в таком видео будет отсутствовать "гребенка". Более того - никакого попарного сложения  строк тут тоже нет, так что сохраняется полное вертикальное разрешение. То есть мы не теряем преимуществ, свойственных прогрессивному режиму. А для чего, спросите вы, надо вообще прибегать к такому "чересстрочному представлению прогрессивного сигнала"? Ответ прост - для обеспечения совместимости со всеми устройствами и программами редактирования, имеющимися в наличии, при таком подходе у вас не будет "болеть голова" от вопроса: "А поддерживает ли мой видеоредактор работу с прогрессивным видео?"

Правда, одна проблема тут все же имеется и относится она как раз к видеокамерам и телевизорам высокого разрешения. Дело в том, что ЖК и плазменные панели, которые в основном и используются для просмотра такого видео, являются устройствами с прогрессивным сканированием, а значит используют процедуру деинтерлейсинга при работе с чересстрочным видеосигналом. Если же мы выводим на такой телевизор видео с видеокамеры, записанное в прогрессивном режиме, то, поскольку этот сигнал формально  имеет чересстрочную структуру,  телевизор и воспримет его как чересстрочный сигнал и начнет применять к нему процедуру деинтерлейсинга, которая на самом деле тут совсем не нужна и, более того, вредна! К счастью, большинство современных HDTV используют "smart deinterlacing" - прежде чем приступать к деинтерлейсингу процессор в таких телевизорах анализирует соседние полукадры на наличие движения (сдвига) и, если такого сдвига нет, деинтерлейсинга не происходит. В нашем случае "чересстрочного представления прогрессивного сигнала" такого сдвига не будет по определению, а значит не возникнет и проблемы.

До их пор мы говорили о видео стандарта PAL и, соответственно, режимах 50i и 25p. Но на наш рынок проникают и видеокамеры "заокеанского" стандарта NTSC, а в них, помимо режимов 60i и 30p (которые, с точки зрения представления выходного сигнала, аналогичны PAL-овским  50i и 25p, только частота следования полукадров/кадров у них другая), существует еще и режим 24p. Что представляет из себя этот режим и чем отличается от режима 30p? Очевидно, что основным значимым отличием является частота следования кадров - в режиме 24p она такая же, как и при просмотре кинопленки. Собственно, этот режим и был сделан для того, чтобы приблизить ощущения при просмотре такого видео к тем ощущениям, которые мы испытываем при просмотре "пленочного кино". Но тут возникает одна проблема, связанная именно с представлением выходного сигнала. Дело в том, что если мы, как обычно, возьмем и разобьем полный прогрессивный кадр на два полукадра, то мы получим не стандартное видео в формате 60i, а что-то очень нестандартное - формат 48i, что, конечно, никак не может удовлетворить требованиям совместимости.  А это значит, что нам надо придумать способ перевода прогрессивного режима 24p в чересстрочный режим 60i. Такая процедура называется по английски pulldown ("снижать", "понижать"). Очевидно, что в этом случае нам надо перевести четыре прогрессивных кадра в пять чересстрочных кадров (10 полукадров).

Рис. 2.

Делается это следующим образом (см. рис. 2, на котором изображен принцип работы наиболее распространенного 2:3 pulldown). В этом случае первые два чересстрочных кадра образуются обычным образом из первых двух прогрессивных кадров (делением на полукадры, взятые из одного прогрессивного кадра). А вот третий (четвертый) чересстрочные кадры образуются комбинацией четного полукадра второго (третьего) прогрессивного кадра и нечетного полукадра третьего (четвертого) прогрессивного кадров. Ну а пятый чересстрочный кадр образуется из четвертого прогрессивного кадра в обычном порядке. Таким образом мы получаем обычное 60i-видео, работа с которым поддерживается во всех видеоредакторах. Надо отметить, что приведенная выше схема не является единственно возможной, существуют и другие схемы перевода 24p в 60i.

Нетрудно увидеть, что в случае наличия движения в кадре, 40% полученных чересстрочных кадров (соответствующих кадрам 3 и 4 на приведенном выше рисунке) будут искажены, поскольку поля в каждом из них взяты из разных прогрессивных кадров. Впрочем, как мы уже упоминали выше, проблема pulldown существует только для видеокамер NTSC, снабженных режимом  24p, видеокамеры PAL, использующие в прогрессиве режим 25p, этой проблемы лишены.

Прогрессивный режим: реализация в современных видеокамерах

Итак, это все теория, а что мы имеем на практике (на середину 2008 года)? Как уже отмечалось в начале этой статьи, рост рынка бытовых HD-видеокамер сопровождается и возвращением на него прогрессивного режима. Пионером тут стала фирма Canon, представившая этот режим в своем "хите" - видеокамере Canon HV20 и продолжившая это начинание во всех своих последующих HD-видеокамерах. Что же представляет собой прогрессивный режим от Canon? Тесты показали, что в нем не происходит увеличения вертикального разрешения по сравнению с чересстрочным режимом (впрочем, заметного снижения разрешения тоже не происходит), при этом заметно увеличивается яркость картинки при почти полном отсутствии роста видеошумов - то есть чувствительность камеры в этом режиме увеличивается! В форумах по видеотехнике часто высказывается мнение, что в этом режиме используется попарное сложение строк (как при чересстрочном сканировании), но оба полукадра берутся из одного прогрессивного кадра. Это объясняет и отсутствие увеличения вертикального разрешения, и увеличение чувствительности  видеокамеры при переходе в прогрессивный режим. Смущает только одно - сама фирма Canon упорно говорит о честном прогрессивном сканировании матрицы в этом режиме... как тогда понять эти нетипичные для классического прогрессивного режима особенности?

Canon HV20	Panasonic HDC-HS9

Возможный ответ дают видеокамеры другого крупного производителя - Panasonic. Начиная с HD-моделей 2008 года (HDD-видеокамера Panasonic HDC-HS9, flash-видеокамера Panasonic HDC-SD9) в них также появился прогрессивный режим 25p (мы, как и в большинстве других случаев, рассматриваем видеокамеры PAL). При тестировании этих видеокамер обнаружилась интересная особенность - если мы снимаем видеосигнал непосредственно с матрицы видеокамеры (до основной электронной обработки и компрессии - в наших тестах есть возможность это делать), то при переходе в прогрессивный режим вертикальное разрешение заметно "подрастает" - явное указание на честное прогрессивное сканирование матрицы. А вот если мы проводим измерение разрешения после электронной обработки и компрессии, то никакого увеличения вертикального разрешения по сравнению с чересстрочным режимом уже не наблюдается! То есть эта самая обработка вполне может "съесть" то преимущество в вертикальном разрешении, которое обеспечивает прогрессивный режим. И вполне возможно, что тот же самый (в принципе) процесс происходит и у видеокамер Canon - преимущество в разрешении, обеспечиваемое честным прогрессивным сканированием матрицы, оказывается потерянным после электронной обработки и компрессии. Впрочем, все HD-видеокамеры Canon имеют великолепную четкость картинки и в чересстрочном режиме, так что я бы не рассматривал отсутствие увеличения этой четкости в прогрессивном режиме как какой-то недостаток.

JVC GZ-HD7

Ну а как обстоит дело с прогрессивом у двух других производителей видеокамер из состава "большой четверки" - JVC и Sony? Обе они до сих пор не анонсировали наличие прогрессивного режима в своих HD-видеокамерах. Но если в видеокамерах Sony этот режим действительно отсутствует "де факто" (пока?), то с видеокамерами JVC дело обстоит гораздо интереснее. Похоже (и тесты это подтверждают) в чересстрочном режиме этих видеокамер не используется попарное сложение строк, чем обеспечивается высокое вертикальное разрешение. Впрочем, полукадры все равно сдвинуты по времени друг относительно друга, так что пресловутая "гребенка" никуда не пропадает, но зато и движение в кадре оказывается плавным, а не дерганным, как в прогрессиве. Такая нетипичная реализация чересстрочного режима  становится возможной благодаря использованию в видеокамерах JVC технологии Pixel Shift - на каждой из матриц имеется всего 540 строк и появляется возможность комбинировать их в 1080 строк конечного видеосигнала не прибегая к попарному сложению/усреднению. Кроме того, в видеокамерах JVC линейки 2008 года имеется возможность вывода видео в прогрессивном режиме, причем аж 50p (для PAL)! Впрочем, это относится именно  к выводу видео через интерфейс HDMI, съемка же видео идет в чересстрочном режиме, об особенностях которого для видеокамер JVC мы уже говорили чуть выше.

Заключение

Что можно сказать в заключении? Пожалуй, вновь констатировать, что прогрессивный режим опять возвращается на рынок бытовых видеокамер, на этот раз - высокого разрешения. Прямо его наличие декларировали Canon и Panasonic, неявно прогрессивное сканирование матрицы используется и в видеокамерах JVC. Только Sony остается в стороне от этого процесса, впрочем - надолго ли? Вполне возможно, что мы увидим прогрессив уже в следующем поколении видеокамер этого производителя.