Кодирование видео для YouTube. Часть 2. Основы – Кадровая частота

Видео представляет собой ряд статичных изображений (кадров), которые в скоростной последовательности выводятся на экран, тем самым создавая для нашего восприятия иллюзию движения. Количество таких кадров, сменяемых в единицу времени (секунда) и называется кадровой частотой. Наверняка вы при просмотре кино или видео на YouTube замечали, что скорость картинки в разных случаях получается разной, и чем она выше, тем изображение становится более четким и плавным. Об этом статеечке и пойдет речь.

Изначально, все эти вещи пришли к нам из кинематографа: более ста лет назад стандартом считалось немое кино с кадровой частотой 16 к/c. С распространением звукового кино уже в двадцатых годах прошлого века стандартом стали 24 к/с., так уже необходимо было думать еще и о звуке. 24 к/c. в кинематографе как в пленочном (аналоговом) так и в цифровом по сей день являются общемировым стандартом. Однако, с приходом цифровых технологий и интернета появились и новые стандарты кадровой частоты, используемые при создании видеороликов или телевещании.

• 25 кадров в секунду: ТВ-стандарт в ЕС и большинстве стран Азии.
• 30 кадров в секунду (29,97): стандарт, применяемый в США и Японии.
• 48 кадров в секунду: значение в два раза выше, чем в традиционных фильмах.
• 60 кадров в секунду: наиболее современный формат частоты кадров, используемый в телевидении и видеомонтаже с использованием технологий с поддержкой высокой четкости вроде 4К Ultra HD.

Для наглядности посмотрите на видео-пример с разницей между 24 и 60 кадрами в секунду:

Говоря о стандартах, стоит немного пройтись по таким вещам как PAL и NTSC, что повсеместно используются как основные, а также о частоте развертки сигнала видеосигнала. В любом популярном редакторе видео в готовых профилях рендеринга вы можете найти нечто подобное:

PAL (Phase Alternating Line – построчное изменение фазы) – система аналогового цветного телевещания, разработанная в германии и являющаяся самой распространенной в мире. Используется, главным образом, в европейском регионе, а также в Австралии, ряде африканских и южно-американских стран.

NTSC (National Television System Committee – Национальный комитет по телевизионным системам) – система аналогового цветного вещания, разработанная в США. Используется, главным образом, на североамериканском континенте и в Японии.

Разница между стандартами заключена в специфике технологий. Большинство моделей видеотехники могут принимать сигнал и воспроизводить изображение любого из стандартов без искажения. Однако стоит обратить внимание на частоту строчной развертки: для PAL 625 строк, для NTSC — 525. Соответственно, разрешение у европейской системы выше. А вот частота кадров — наоборот, 30 Гц у NTSC (30 кадров в секунду) против 25 Гц у PAL (25 кадров в секунду).
На глаз отличия между PAL и NTSC заметны по качеству цветопередачи. Технически более сложный NTSC допускает искажения цветности, тогда как PAL дает картинку, приближенную к естественной. NTSC чувствителен к фазовым искажениям сигнала и амплитудным колебаниям, потому и преобладание красного, например, или замена цвета для него — дело обычное. В PAL, появившемся позже, эти недостатки устранили, правда, получилось это сделать за счет четкости полученного изображения. К тому же приемник PAL более сложный по конфигурации, в нем присутствует линия задержки, соответственно, стоимость устройств выше.

К чему относятся буквы p, i, используемые в обозначении разрешения видео? А относятся они к типам развертки изображения; прогрессивной=progressive= =построчной=(p) и чересстрочной=interlacing=(i).

p – Построчная (прогрессивная) развертка – телевизионная развертка, где каждый новый кадр является полной картинкой, то есть, для хранения движущегося изображения все строки каждого кадра отображены последовательно. Преимущества в отсутствии мерцания и искажений на движущихся объектах, нет необходимости сглаживать картинку для устранения мерцания и эффекта "лесенки" объектов в кадре. Основной недостаток – необходимость вдвое больше полосы пропускания сигнала относительно чересстрочной развертки. Что касается размера, то видео в разрешении 1920х1080 будет состоять из кадров именно такого разрешения. Видео с таким типов развертки помечают буквой p, например, 1080p, 720p.

i – Чересстрочная развертка –телевизионная развертка, где каждый кадр разбивается на полукадры (поля), составленные из строк, выбранных через одну. В первом поле развертываются нечетные строки, во втором – четные. То есть, каждый кадр такого видео в разрешении 1920х1080 содержит 540 строк, а не 1080, и каждый следующий кадр на экране появляется не вся картинка, но лишь половина из четных строк в текущем кадре и из нечетных – в следующем. Каждый кадр такого видео имеет в два раза меньший информационный объем (вес), чем кадр видео в прогрессивной развертке. Видео с таким типом развертки помечают буквой i, например 1080i, 576i.

Вот парочка примеров для наглядности:



Слева направо: Прогрессивная развертка, чересстрочная развертка, чересстрочная развертка с применением сглаживания, и устранение чересстрочности с использованием интерполяции (или деинтерлейсинг – когда два чересстрочных полукадра объединяют в один построчный кадр для дальнейшего видеовывода на экран с прогрессивной разверткой).



Сверху кадры без сглаживания, снизу – со сглаживанием. Слева направо: Прогрессивная развертка — Чересстрочная — Деинтерлейсинг.

И в завершении – простейший пример для понимания механизма создания чересстрочного кадра в видео:

Теперь мы более-мене осознали, что такое кадровая частота, основные стандарты телевещания и развертка. В следующем материале мы с вами коснемся таких интересностей как разрешение экрана, соотношение сторон и всякие там HD-FullHD-UltraHD, то есть – цифровые форматы вещания. Успехов вам и до скорых встреч!