Разрешение видеокамер, таблица EIA1956,
Imatest и контрастно-частотная характеристика
Поводом для написания этой статьи стали два вопроса, связанные с методикой определения разрешения видеокамер:
1. В каких единицах проградуирована таблица EIA1956 - в линиях или ТВЛ?
2. Можно ли определять разрешение видеокамер по КЧХ, которую строит, к примеру, Imatest?
При этом, как оказалось, оба этих вопроса тесно связаны между собой. Но об этом позже, а пока...
И невозможное - возможно...
Итак, первый вопрос. Тут, пожалуй, стоит напомнить, о чем собственно идет речь. Стандартной единицей для измерения разрешения теле-видеоаппаратуры являются так называемые ТВЛ, при этом разрешение видеоаппаратуры в ТВЛ определяется как число черных и белых линий при котором мы еще можем увидеть эти линии раздельно, приведенное к малой стороне видеокадра. К примеру, для стандартного размера кадра DV - SD-MPEG2 (720x576) максимально возможное число линий на большой стороне кадра будет 720, а число ТВЛ - 720 х 3/4 = 540 (соотношение между большой и малой стороной кадра - 4:3, а для получения разрешения в ТВЛ мы должны привести все к малой стороне кадра, отсюда и множитель 3/4). Так? Казалось бы так, число 540 ТВЛ является теоретическим пределом горизонтального разрешения в этом случае. Логично также предположить, что таблица EIA1956 проградуирована в стандартных единицах, то бишь в ТВЛ. Все хорошо и логично... до тех пор, пока мы не увидим такую картинку:
Таблица EIA1956, заснятая на miniDV-камеру Canon MVX25i
(для просмотра полноразмерного изображения - кликните мышью на картинке)
Горизонтальное разрешение (определяемое глазом по этому стоп-кадру) заметно больше 540 ТВЛ... скорее оно ближе к 700... Как такое может быть? Может таблица проградуирована вовсе не в ТВЛ, а в обычных линиях, без приведения к малой стороне кадра, без множителя 3/4? Вот тогда все было бы объяснимо, предельное разрешение в этом случае было бы 720 линий, что вполне укладывается в наблюдаемую картину... Долгое время я так и думал, пока, с подачи Михаила (Transact), не измерил таблицу с линейкой. И оказалось, что числа на таблице соответствуют именно ТВЛ-ам, числу линий по малой, а не по большой стороне таблицы! Тут уж все запуталось окончательно! Мне очередной обзор писать, а я не знаю - как "величать" единицы разрешения... Пришлось крепко задуматься над объяснением этого феномена. И решение пришло - причем как и обычно, оно лежало на поверхности, так что удивляешься - "как это я раньше его не видел !?"
Итак, как же решить образовавшийся "паззл"? Рассмотрим наш "предельный" случай - 540 ТВЛ - 720 линий по большой стороне таблицы. Предположим также (для простоты и наглядности - идеальный случай), что каждая черная или белая линия приходится точно на один пиксель, а оптика и видеотракт не вносит искажений в картинку, то есть каждый пиксель будет или строго черным, или строго белым. А теперь начнем дальше увеличивать число линий. Что произойдет? Каждый из пикселей перестанет быть строго черным или белым - на черный пиксель начнут "налезать" белые линии, а на белый - черные. Но означает ли это, что мы перестанем различать линии раздельно? В том-то и дело, что нет! Это приведет к тому, что черный пиксель, при дальнейшем увеличении числа линий, станет все более и более светлым, а белый - все более и более темным, то есть контраст между ними будет падать, но до определенного значения контраста мы все равно еще сможем видеть линии раздельно! Понимаете идею? То, что мы назвали "предельным разрешением" (540 ТВЛ) на самом деле означает (в обрисованном выше идеальном случае) 100% контраст между черным и белым. Но человеческий глаз способен различить эти линии и при меньших значениях контраста - примерно до 20-25%! Вот отсюда и берутся "невозможные" 700 ТВЛ!
Разумеется, жизнь далека от идеала - линии на таблице могут ложиться и между пикселями матрицы, а оптика и видеотракт камер неидеальны - поэтому в "предельном случае (540 ТВЛ)" мы будем иметь контраст заметно ниже 100%, но все равно еще выше 20%!
КЧХ и Imatest
Итак, мы видим, что для корректного ответа на вопрос о разрешении видеокамер, нам просто необходимо ввести в рассмотрение еще одну переменную - величину контраста между черным и белым на полученном кадре при увеличении числа линий - то есть для того, чтобы полностью описать разрешение, нам нужно знать не число, а функцию - зависимость контраста между черной и белой линиями от числа линий в кадре. А эта функция нам известна - это так называемая контрастно-частотная характеристика (КЧХ) о которой мы говорим в каждом обзоре и которую нам строит программа Imatest . Более того, эта функция предоставляет нам гораздо больше информации, нежели просто информация о разрешении - фактически любая обработка видеосигнала в видеотракте (скажем - искусственное повышение резкости электроникой) оставит свой след в КЧХ.
Но сейчас мы ограничимся разговором о главной проблеме, рассматриваемой в данной статье, о разрешении, а точнее о том, как нам его определять по графику КЧХ, предоставляемого нам Иматестом. Для примера возьмем изображение таблицы EIA1956 и КЧХ (построенную Иматестом), полученные для одной из камер в абсолютно одинаковых условиях.
Таблица EIA1956
(для просмотра полноразмерного изображения - кликните мышью на картинке)
Соответствующая ей КЧХ, построенная программой Imatest
На графике КЧХ по оси ординат (оси y) отложено значение контраста (1 - 100%, 0.5 - 50%, 0.3 - 30%), а по оси абсцисс (оси x) отложена частота следования линий в так называемых "циклах на пиксель". За один цикл принимается пара "черная линия - белая линия". Таким образом "предельный случай в 540 ТВЛ", когда одна линия приходится на один пиксель, соответствует 0.5 циклам на пиксель. Ну а по-настоящему предельный случай, когда одна пара из черной и белой линии приходится на один пиксель (уровень контраста - 0%) соответствует 1 циклу на пиксель. Отсюда легко можно получить выражение для перевода числа "циклов на пиксель" в нужные нам ТВЛ.
ТВЛ = (CPP/0.5) * "Предельное разрешение в ТВЛ"
Здесь CPP - число "циклов на пиксель", "Предельное разрешение в ТВЛ" - разрешение, при котором одна линия приходится на один пиксель (вернее, число линий равно числу пикселей, 0.5 циклов/пиксель). К примеру для SD видео это будет 540 ТВЛ (720 * 3/4), для HDV - 1080 ТВЛ (1440 * 3/4). Для примера, вычислим разрешение нашей "тестовой" видеокамеры (miniDV) при уровне контраста в 30% (Иматест приводит это число на графике - MTF30 = 0.512 циклов/пиксель, так что нам не придется лазить по графику с линейкой):
0.512/0.5 * 540 = 553 ТВЛ
Ну а для получения предельного "визуального" разрешения надо снизить значения контраста до уровня 25% - тут уже придется брать в руки линейку - получим примерно 0.55 циклов на пиксель - 0.55/0.5 * 540 = 594 ТВЛ. И действительно, визуально на таблице еще различимы примерно 600 ТВЛ!
Следующий пример - КЧХ Canon MVX25i, о которой мы говорили в первой части статьи.
КЧХ, построенная Imatest для камеры Canon MVX25i
Для уровня контраста в 25% мы имеем примерно 0.6 циклов на пиксель, ну а соответствующее разрешение 0.6/0.5 * 540 = 648 ТВЛ, что также достаточно близко к визуально определяемому разрешению по EIA1956 (правда тут надо учитывать, что в отличии от первого случая, таблица и мира для Иматеста снимались в разных условиях - потому и различие больше).
Несколько более сложным вопросом является измерение вертикального разрешения. Imatest позволяет строить "вертикальную" КЧХ, но не совсем понятно, как в этом случае определять ТВЛ - как для формата DV, так и для формата HDV. В случае с DV нам надо помнить, что формат содержит немного анаморфированную картинку - 720/576 не равно 4/3 (это часто и не совсем правильно называют "неквадратным пикселем" DV). В этой ситуации кажется более правильным брать в качестве "предельного разрешения в ТВЛ" (см. формулу выше) по вертикали не 540 ТВЛ, как это было для горизонтального разрешения, а 576 ТВЛ или линий - поскольку речь идет уже о малой стороне кадра эти понятия не различаются между собой. Кстати, именно 576 линий-ТВЛ соответствуют в этом случае 0.5 циклам на пиксель. В случае с HDV мы имеем кадр формата 16:9, так что классическое определение ТВЛ теряет смысл - оно формулировалось для кадра с соотношением сторон 4:3. Так что в этом случае нам не остается ничего другого, как сохранить саму идеологию ТВЛ как числа линий именно по малой стороне кадра и "предельное разрешение в ТВЛ" по вертикали - 1080 линий-ТВЛ. И опять таки - именно это число является как раз тем, которое соответствует 0.5 циклам на пиксель, так что именно оно должно использоваться в формуле, написанной выше, для определении вертикального разрешения (как и горизонтального, кстати - в отличии от формата DV, где числа, описывающие "предельное разрешение в ТВЛ" по вертикали и горизонтали, немного разные).
Правда надо заметить, что выше рассмотрен случай, когда КЧХ строится с помощью исходного, анаморфированного HDV (1440x1080), а разрешение по ней определяется для "трансформированной" таблицы EIA1956 (таблица, переделанная под формат 16:9 - именно такую мы используем в тестах на разрешение для этого формата). Если же строить КЧХ по деанаморфированному кадру (1920х1080), то для получения "линий таблицы EIA1956" (в этом случае их уже не назовешь ТВЛ-ами) "предельное разрешение в ТВЛ" должно быть равно 1440 (1920 х 3/4), вместо 1080. Но такой способ построения КЧХ для HDV-видеокамер (по деанаморфированному кадру) не очень правилен идеологически - во-первых, исходный кадр тут подвергается обработке, что может повлиять (снизить) измеряемое значение разрешения, а во-вторых, соотношение сторон кадра в этом случае 16:9 (в отличии от исходных, анаморфированных, 4:3) - что сильно запутывает соотношение вертикального и горизонтального разрешений, они меряются по шкалам, имеющим разный масштаб. Поэтому гораздо более правильным является построение КЧХ по исходному, анаморфированному, кадру (повторюсь, что речь тут идет об HDV).
Заключение
Итак, ответы на оба вопроса, которые были заданы в начале этой статьи, нами получены. Но они, в свою очередь, ставят перед нами новый вопрос. Как нам измерять разрешение? Ведь с введением в число переменных контраста (а, как мы видели, это необходимо сделать!) мы уже не можем однозначно определить разрешение одним числом - однозначно его определяет только КЧХ. Значит - отказаться вообще от таблицы EIA1956 и приводить только результаты Иматеста? В принципе - это правильно, но тут есть одно "но" - это будет "нарушением традиции" и многие читатели наших обзоров это просто не поймут и не примут. Так что перед нами (тестерами в наибольшей степени, но не только - в определенной степени и перед всеми читателями) встает большой вопрос - а надо ли сохранять в наших обзорах тесты на разрешение с использованием таблицы EIA1956, учитывая то, что они намного менее информативны, по сравнению с КЧХ, построенными Иматестом?
Алексей Попов (popoval@nm.ru) .