Proporcje pikseli

Współczynnik proporcji pikseli 1:1
Współczynnik proporcji pikseli 2:1

Współczynnik proporcji pikseli (często w skrócie PAR ) to matematyczny współczynnik opisujący porównanie szerokości piksela w obrazie cyfrowym z wysokością tego piksela.

Większość cyfrowych systemów obrazowania wyświetla obraz jako siatkę małych, kwadratowych pikseli. Jednak niektóre systemy obrazowania, zwłaszcza te, które muszą być kompatybilne z telewizyjnymi o standardowej rozdzielczości , wyświetlają obraz jako siatkę prostokątnych pikseli, w których szerokość i wysokość piksela są różne. Współczynnik proporcji pikseli opisuje tę różnicę.

Używanie współczynnika proporcji pikseli dotyczy głównie obrazów związanych z telewizją o standardowej rozdzielczości i kilku innych wyjątkowych przypadków. Większość innych systemów obrazowania, w tym zgodnych ze SMPTE , wykorzystuje piksele kwadratowe.

PAR jest również znany jako współczynnik kształtu próbki i w skrócie SAR , chociaż można go pomylić ze współczynnikiem kształtu pamięci .

Wstęp

Stosunek szerokości do wysokości obrazu nazywany jest współczynnikiem proporcji , a dokładniej współczynnikiem proporcji wyświetlacza (DAR) – współczynnikiem proporcji wyświetlanego obrazu ; w przypadku telewizji DAR był tradycyjnie 4:3 (znany również jako pełny ekran), a 16:9 (znany również jako panoramiczny) jest obecnie standardem dla HDTV. W obrazach cyfrowych istnieje rozróżnienie ze współczynnikiem proporcji pamięci (SAR), który jest stosunkiem wymiarów w pikselach . Jeśli obraz jest wyświetlany z kwadratowymi pikselami, to te proporcje są zgodne; jeśli nie, to używane są niekwadratowe, „prostokątne” piksele, a te proporcje się nie zgadzają. Współczynnik proporcji samych pikseli jest znany jako współczynnik proporcji pikseli (PAR) — dla kwadratowych pikseli jest to 1:1 — i są one powiązane tożsamością:

SAR × PAR = DAR.

Przegrupowanie (rozwiązanie dla PAR) daje:

PAR = DAR/SAR.

Na przykład obraz VGA o rozdzielczości 640 × 480 ma współczynnik SAR równy 640/480 = 4:3, a wyświetlany na ekranie o proporcjach 4:3 (DAR = 4:3) ma kwadratowe piksele, stąd współczynnik PAR równy 1:1. Z kolei obraz 720 × 576 D-1 PAL ma SAR 720/576 = 5:4, ale jest wyświetlany na ekranie 4:3 (DAR = 4:3).

W obrazach analogowych, takich jak klisza, nie ma pojęcia piksela ani pojęcia SAR czy PAR, ale w przypadku obrazów analogowych wynikowy obraz cyfrowy ma piksele, stąd SAR (i odpowiednio PAR, jeśli jest wyświetlany w tym samym współczynniku proporcji co oryginalny).

Piksele niekwadratowe pojawiają się często we wczesnych standardach telewizji cyfrowej, związanych z cyfryzacją analogowych sygnałów telewizyjnych - których rozdzielczość pionowa i „efektywna” pozioma różnią się i dlatego najlepiej opisują je piksele niekwadratowe - a także w niektórych cyfrowych kamerach wideo i wyświetlaczach komputerowych tryby , takie jak Color Graphics Adapter (CGA). Dziś pojawiają się one również przy transkodowaniu pomiędzy rozdzielczościami o różnych SAR.

Rzeczywiste wyświetlacze generalnie nie mają pikseli innych niż kwadratowe, chociaż czujniki cyfrowe mogą; są raczej matematyczną abstrakcją używaną do ponownego próbkowania obrazów w celu konwersji między rozdzielczościami.

Istnieje kilka czynników komplikujących zrozumienie PAR, szczególnie w odniesieniu do digitalizacji analogowego wideo:

  • Po pierwsze, analogowe wideo nie ma pikseli, ale raczej skan rastrowy , a zatem ma dobrze zdefiniowaną rozdzielczość pionową (linie rastra), ale nie ma dobrze zdefiniowaną rozdzielczość poziomą , ponieważ każda linia jest sygnałem analogowym. Jednak za pomocą znormalizowanej częstotliwości próbkowania efektywną rozdzielczość poziomą można określić za pomocą twierdzenia o próbkowaniu , jak pokazano poniżej.
  • Po drugie, z powodu overscan , niektóre linie na górze i na dole rastra są niewidoczne, podobnie jak niektóre możliwe obrazy po lewej i prawej stronie — patrz Overscan: Problemy z rozdzielczością analogowo-cyfrową . Ponadto rozdzielczość może być zaokrąglona (DV NTSC używa 480 linii zamiast 486, które są możliwe).
  • Po trzecie, analogowe sygnały wideo są przeplatane – każdy obraz (klatka) przesyłany jest jako dwa „pola”, każde z połową linii. Zatem albo piksele są dwa razy wyższe, niż byłyby bez przeplotu, albo obraz jest usuwany z przeplotu.

Tło

Wideo jest przedstawiane jako sekwencyjna seria obrazów zwanych klatkami wideo. W przeszłości klatki wideo były tworzone i rejestrowane w formie analogowej. Ponieważ technologia wyświetlania cyfrowego, technologia transmisji cyfrowej i cyfrowa kompresja wideo ewoluowały oddzielnie, spowodowało to różnice w klatkach wideo, które należy rozwiązać za pomocą współczynnika proporcji pikseli. Cyfrowe klatki wideo są ogólnie definiowane jako siatka pikseli używana do prezentacji każdego sekwencyjnego obrazu. Komponent poziomy jest definiowany przez piksele (lub próbki) i jest nazywany linią wideo. Składowa pionowa jest określona liczbą linii, tak jak w 480 liniach.

telewizji standardowej rozdzielczości zostały opracowane jako technologie nadawcze i przeznaczone do nadawania naziemnego, a zatem nie zostały zaprojektowane do cyfrowej prezentacji wideo. Takie standardy definiują obraz jako tablicę dobrze zdefiniowanych poziomych „ Linii ”, dobrze zdefiniowanego pionowego „ Czasu trwania linii ” i dobrze zdefiniowanego środka obrazu. Jednak nie ma standardu telewizyjnego o standardowej rozdzielczości, który prawidłowo definiuje krawędzie obrazu lub wyraźnie wymaga określonej liczby elementów obrazu w linii. Ponadto analogowe systemy wideo, takie jak NTSC 480i i PAL 576i , zamiast stosowania klatek wyświetlanych progresywnie, wykorzystują pola lub półklatki z przeplotem wyświetlane w przeplatający się sposób, aby zredukować migotanie i podwoić szybkość obrazu w celu uzyskania płynniejszego ruchu.

Konwersja analogowo-cyfrowa

W wyniku tego, że komputery stały się wystarczająco wydajne, aby służyć jako narzędzia do edycji wideo , stworzono przetworniki cyfrowo-analogowe wideo i przetworniki analogowo-cyfrowe, aby przezwyciężyć tę niezgodność. Aby przekonwertować analogowe linie wideo na serię kwadratowych pikseli, branża przyjęła domyślną częstotliwość próbkowania, przy której wartości luminancji były wyodrębniane na piksele. Częstotliwość próbkowania lumy dla 480i wynosiła dla 12 + 3⁄ 11 MHz , a zdjęć 576i 14 + 3 4 MHz .

Termin współczynnik proporcji pikseli został po raz pierwszy ukuty, gdy ITU-R BT.601 (powszechnie znany jako „ Rec. 601 ”) określił, że obrazy telewizyjne o standardowej rozdzielczości składają się z linii o dokładnie 720 niekwadratowych pikselach. ITU-R BT.601 nie zdefiniował dokładnego współczynnika kształtu piksela, ale dostarczył wystarczających informacji do obliczenia dokładnego współczynnika kształtu piksela w oparciu o praktyki branżowe: Standardowa częstotliwość próbkowania lumy wynosząca dokładnie 13 + 1 2 MHz . Na podstawie tych informacji:

  • Współczynnik proporcji pikseli dla 480i wynosiłby 10:11 jako:
  • Współczynnik proporcji pikseli dla 576i wynosiłby 59:54 jako:

SMPTE RP 187 dalej próbował ujednolicić wartości współczynnika proporcji pikseli dla 480i i 576i . Oznaczało 177:160 dla 480i lub 1035:1132 dla 576i . Jednak ze względu na znaczną różnicę w praktykach obowiązujących w branży i obciążenie obliczeniowe, jakie nakładały na zaangażowany sprzęt, SMPTE RP 187 po prostu zignorowano. Załącznik informacyjny SMPTE RP 187 A.4 dodatkowo sugerował użycie 10:11 dla 480i .

W chwili pisania tego tekstu ITU-R BT.601-6, który jest najnowszą edycją ITU-R BT.601, nadal sugeruje, że wspomniane powyżej współczynniki proporcji pikseli są prawidłowe.

Cyfrowe przetwarzanie wideo

Jak stwierdzono powyżej, dokument ITU-R BT.601 określał, że obrazy telewizyjne o standardowej rozdzielczości składają się z linii składających się z 720 pikseli niekwadratowych, próbkowanych z dokładnie określoną częstotliwością próbkowania. Proste obliczenie matematyczne pokazuje, że szerokość 704 pikseli wystarczyłaby do zmieszczenia 480i lub 576i :

  • Obraz 4:3 z 480 liniami, zdigitalizowany za pomocą Rec. Zalecana częstotliwość próbkowania 601 miałaby szerokość 704 pikseli niekwadratowych.
  • 576-liniowy obraz 4:3 zdigitalizowany za pomocą Rec. Zalecana częstotliwość próbkowania 601 miałaby szerokość 702,915254 pikseli niekwadratowych.

Niestety, nie wszystkie standardowe obrazy telewizyjne mają dokładnie 4:3: Jak wspomniano wcześniej, w wideo analogowym środek obrazu jest dobrze zdefiniowany, ale krawędzie obrazu nie są ustandaryzowane. W rezultacie niektóre urządzenia analogowe (głównie urządzenia PAL, ale także niektóre urządzenia NTSC) generowały filmy, które były (nieco) szersze w poziomie. Dotyczy to również proporcjonalnie anamorficznych obrazów szerokoekranowych (16:9). Dlatego też, aby zachować bezpieczny margines błędu, ITU-R BT.601 wymagał próbkowania o 16 więcej pikseli niekwadratowych na linię (o 8 więcej na każdej krawędzi), aby zapewnić zapisywanie wszystkich danych wideo w pobliżu marginesów.

Wymóg ten miał jednak wpływ na filmy PAL. Współczynniki proporcji pikseli PAL dla standardowego (4:3) i anamorficznego szerokiego ekranu (16:9), odpowiednio 59:54 i 118:81, były niewygodne do cyfrowego przetwarzania obrazu, zwłaszcza do miksowania klipów wideo PAL i NTSC. Dlatego produkty do edycji wideo wybrały prawie równoważne wartości, odpowiednio 12:11 i 16:11, które były bardziej eleganckie i mogły tworzyć obrazy cyfrowe PAL o szerokości dokładnie 704 pikseli, jak pokazano na ilustracji:

  • Dla PAL 4: 3:
  • Dla PAL 16: 9:

Niespójność w zdefiniowanych wartościach współczynnika proporcji pikseli

W Internecie i innych publikowanych mediach często można znaleźć liczne źródła, które wprowadzają różne i wysoce niekompatybilne wartości, takie jak współczynniki proporcji pikseli różnych obrazów wideo i systemów wideo. (Zobacz Źródła dodatkowe ).

Aby neutralnie ocenić dokładność i/lub wykonalność tych źródeł, należy pamiętać, że ponieważ cyfrowy film został wynaleziony wiele lat po tradycyjnym filmie, wszystkie filmy wideo przeznaczone dla telewizji standardowej i kompatybilnych mediów, cyfrowych lub innych, mają (i muszą mają) specyfikacje zgodne z telewizją standardowej rozdzielczości. Dlatego współczynnik proporcji pikseli cyfrowego wideo musi być obliczany na podstawie specyfikacji typowego tradycyjnego sprzętu, a nie specyfikacji cyfrowego wideo. W przeciwnym razie jakikolwiek współczynnik proporcji pikseli obliczony na podstawie cyfrowego źródła wideo jest użyteczny tylko w niektórych przypadkach dla tego samego rodzaju źródeł wideo i nie może być uważany/używany jako ogólny współczynnik proporcji pikseli jakiegokolwiek systemu telewizyjnego o standardowej rozdzielczości.

Ponadto, w przeciwieństwie do cyfrowego wideo, które ma dobrze zdefiniowane krawędzie obrazu, tradycyjne systemy wideo nigdy nie ustandaryzowały dobrze zdefiniowanych krawędzi obrazu. Dlatego współczynnik proporcji pikseli w popularnych standardowych systemach telewizyjnych nie może być obliczany na podstawie krawędzi obrazu. Taka obliczona wartość współczynnika proporcji nie byłaby całkowicie błędna, ale nie może być również traktowana jako ogólny współczynnik proporcji pikseli jakiegokolwiek konkretnego systemu wideo. Użycie takich wartości byłoby ograniczone tylko do niektórych przypadków.

Nowoczesne standardy i praktyki

W nowoczesnych cyfrowych systemach obrazowania i telewizorach wysokiej rozdzielczości , zwłaszcza tych, które są zgodne ze standardami i praktykami SMPTE, do transmisji i wyświetlania używane są tylko piksele kwadratowe. Jednak niektóre formaty (np. HDV , DVCPRO HD ) wykorzystują wewnętrznie piksele inne niż kwadratowe do przechowywania obrazów, aby zmniejszyć ilość danych, które muszą zostać przetworzone, ograniczając w ten sposób niezbędne szybkości przesyłania i zachowując zgodność z istniejącymi interfejsami.

Problemy z pikselami niekwadratowymi

Bezpośrednie odwzorowanie obrazu o określonym współczynniku proporcji pikseli na urządzeniu o innym współczynniku proporcji pikseli powoduje, że obraz wygląda na nienaturalnie rozciągnięty lub zgnieciony w kierunku poziomym lub pionowym. Na przykład okrąg wygenerowany na ekranie komputera z kwadratowymi pikselami wygląda jak pionowa elipsa na ekranie telewizora NTSC o standardowej rozdzielczości, który wykorzystuje pionowo prostokątne piksele. Ten problem jest bardziej widoczny w przypadku telewizorów szerokoekranowych.

Współczynnik proporcji pikseli musi być brany pod uwagę przez oprogramowanie do edycji wideo, które edytuje pliki wideo z pikselami niekwadratowymi, zwłaszcza podczas miksowania klipów wideo o różnych współczynnikach proporcji pikseli. Miałoby to miejsce w przypadku tworzenia montażu wideo z różnych kamer wykorzystujących różne standardy wideo (sytuacja stosunkowo rzadka). Oprogramowanie do efektów specjalnych musi również uwzględniać współczynnik proporcji pikseli, ponieważ niektóre efekty specjalne wymagają obliczenia odległości od określonego punktu, aby wyglądały poprawnie wizualnie. Przykładem takich efektów może być rozmycie promieniste, rozmycie w ruchu, a nawet prosty obrót obrazu.

Wykorzystanie proporcji pikseli

Wartość współczynnika proporcji pikseli jest używana głównie w cyfrowym oprogramowaniu wideo, gdzie filmy muszą być konwertowane lub rekondycjonowane, aby można było używać systemów wideo innych niż oryginalne. Oprogramowanie odtwarzacza wideo może wykorzystywać proporcje pikseli do prawidłowego renderowania cyfrowego wideo na ekranie. Oprogramowanie do edycji wideo wykorzystuje współczynnik proporcji pikseli do prawidłowego skalowania i renderowania wideo do nowego formatu.

Obsługa współczynnika proporcji pikseli jest również wymagana do wyświetlania bez zniekształceń starszych obrazów cyfrowych ze standardów komputerowych i gier wideo, które istniały w latach 80-tych. W tej generacji kwadratowe piksele były zbyt drogie w produkcji, więc maszyny i karty graficzne, takie jak SNES , CGA , EGA , Hercules , C64 , MSX , PC-88 , X68000 itp. Miały niekwadratowe piksele.

Zamieszanie ze współczynnikiem proporcji wyświetlacza

DVD Flick 1.3.0.7: Przykład programu komputerowego, który błędnie oznaczył współczynnik proporcji obrazu jako współczynnik proporcji pikseli

Współczynnik proporcji pikseli jest często mylony z różnymi typami współczynników proporcji obrazu; stosunek szerokości i wysokości obrazu. Ze względu na niekwadratowość pikseli w telewizorze o standardowej rozdzielczości istnieją dwa rodzaje takich współczynników proporcji: współczynnik proporcji pamięci ( SAR ) i współczynnik proporcji wyświetlacza (w skrócie DAR , znany również jako współczynnik proporcji obrazu i współczynnik proporcji obrazu ). Również współczynnik proporcji pikseli ( PAR ) jest również znany jako współczynnik proporcji próbki (w skrócie SAR ) w niektórych standardach przemysłowych (takich jak H.264 ) i wyjście programów (takich jak ffmpeg ). Zwróć uwagę na ponowne użycie skrótów PAR i SAR . W tym artykule używa się tylko terminów współczynnik proporcji pikseli, współczynnik proporcji wyświetlacza i współczynnik proporcji pamięci masowej, aby uniknąć niejasności.

Współczynnik proporcji pamięci to stosunek szerokości do wysokości obrazu w pikselach, który można łatwo obliczyć na podstawie pliku wideo. Współczynnik proporcji wyświetlacza to stosunek szerokości do wysokości obrazu (w jednostce długości, takiej jak centymetry lub cale) podczas wyświetlania na ekranie i jest obliczany na podstawie współczynnika proporcji pikseli i współczynnika proporcji pamięci.

Jednak użytkownicy, którzy znają definicję tych pojęć, również mogą być zdezorientowani. Źle wykonane interfejsy użytkownika lub źle napisana dokumentacja mogą łatwo spowodować takie zamieszanie: niektóre aplikacje do edycji wideo często proszą użytkowników o określenie „współczynnika proporcji” dla ich pliku wideo, przedstawiając mu do wyboru „4: 3” i „16:9”. Czasami te opcje mogą być następujące: „PAL 4:3”, „NTSC 4:3”, „PAL 16:9” i „NTSC 16:9”. W takich sytuacjach program do edycji wideo domyślnie pyta o proporcje pikseli pliku wideo, prosząc o informacje o systemie wideo, z którego pochodzi plik wideo. Następnie program używa tabeli (podobnej do poniższej) w celu określenia prawidłowej wartości współczynnika proporcji piksela.

Ogólnie rzecz biorąc, aby uniknąć nieporozumień, można założyć, że produkty do edycji wideo nigdy nie pytają o współczynnik kształtu pamięci, ponieważ mogą go bezpośrednio pobrać lub obliczyć. Aplikacje, które nie rozpoznają pikseli kwadratowych, muszą również poprosić tylko o współczynnik proporcji pikseli lub współczynnik proporcji wyświetlacza, z których mogą obliczyć drugi.

Współczynniki proporcji pikseli popularnych formatów wideo

Poniżej wymieniono wartości współczynnika proporcji pikseli dla popularnych formatów wideo w standardowej rozdzielczości. Zwróć uwagę, że w przypadku formatów wideo PAL wymienione są dwa różne typy wartości współczynnika proporcji pikseli:

  1. Rec.601 , wartość zgodna z Rec.601, która jest uważana za rzeczywisty współczynnik proporcji pikseli wideo w standardowej rozdzielczości tego typu.
  2. Cyfrowy , który jest mniej więcej odpowiednikiem Rec.601 i jest bardziej odpowiedni do użycia w oprogramowaniu do cyfrowej edycji wideo.

Zwróć uwagę, że źródła różnią się pod względem PAR dla popularnych formatów - na przykład 576 linii (PAL) wyświetlanych w formacie 4:3 (DAR) odpowiada PAR 12:11 (jeśli 704 × 576, SAR = 11:9) lub PAR 16:15 (jeśli 720×576, SAR = 5:4). Zobacz odniesienia do źródeł podających oba i SDTV: Rozdzielczość , aby zapoznać się z tabelą proporcji pamięci, wyświetlania i pikseli. Należy również pamiętać, że telewizory CRT nie mają pikseli, ale linie skanowania.


Niekwadratowe proporcje popularnych formatów wideo
System wideo DAR

Wymiary obrazu ( px × px )
SAR PAR PAR (dziesiętny) Szerokość (piks.) Typ
KUMPEL 4∶3 704 × 576 72∶59 59∶54 1,0 925 769, 385 Rekord 601
11∶9 12∶11 1. 09 768, 384 cyfrowy
720 × 576 5∶4 16∶15 1,0 6
16∶9 704 × 576 72∶59 118∶81 1. 456790123 1026, 513 Rekord 601
11∶9 16∶11 1. 45 1024, 512 cyfrowy
720 × 576 5∶4 64∶45 1.4 2
NTSC 4∶3 704 × 480 22∶15 10∶11 0. 90 640, 320
16∶9 40∶33 1. 21 853, 427
HDV / HDCAM 16∶9 1440 × 1080 4∶3 4∶3 1. 3 1920
Przykładowe współczynniki proporcji z predefiniowanymi wskaźnikami w rodzinie kodeków wideo H.26x
Indeks Współczynnik proporcji
0 nieokreślony
1 1∶1
2 12∶11
3 10∶11
4 16∶11
5 40∶33
6 24∶11
7 20∶11
8 32∶11
9 80∶33
10 18∶11
11 15∶11
12 64∶33
13 160∶99
14 4∶3
15 3∶2
16 2∶1
255 rozszerzony

Główne źródła


  • Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny - Sektor Radiokomunikacyjny (ITU-R) (styczeń 2007). „Zalecenie BT.601-6: Parametry kodowania studyjnego telewizji cyfrowej dla standardowych współczynników proporcji 4: 3 i szerokoekranowych 16: 9” . Księgarnia internetowa ITU . Źródło 1 października 2008 . Od daty pobrania bezpłatne członkostwo w ITU Online Bookstore umożliwiłoby bezpłatne pobranie do trzech Rekomendacji ITU-R.
  • Stowarzyszenie Elektroniki Użytkowej (marzec 2008). „Standard CEA CEA-861-E: profil DTV dla nieskompresowanych szybkich interfejsów cyfrowych” . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 7 listopada 2011 r . Źródło 1 września 2009 .
    • Ten standard, który jest podstawą dla HDMI , określa 16:15 (1,0666) jako współczynnik proporcji pikseli 4:3 576i/p oraz 8:9 (0,888) jako współczynnik proporcji pikseli 4:3 480i/p.
  • Pirazzi, Chris. „Kwadratowe i niekwadratowe piksele” . Źródło 1 października 2008 .
  • Pirazzi, Chris. „Przewodnik programisty po systemach wideo” . Źródło 1 października 2008 .
  •   Poynton, Charles (2002). Cyfrowe wideo i HDTV: algorytmy i interfejsy . San Francisco: Wydawcy Morgan Kaufmann. ISBN 1-55860-792-7 .
  • Europejska Unia Nadawców (1999). „Rekomendacja techniczna EBU R92-1999: Aktywny obszar obrazu i centrowanie obrazu w analogowych i cyfrowych systemach telewizyjnych 625/50” (PDF) . Źródło 12 czerwca 2011 r .

Źródła uzupełniające

Notatki

  1. ^ „Częstotliwości zegara punktowego” . pineight.com . Źródło 2018-09-23 .
  2. ^ „Zaawansowane kodowanie wideo dla ogólnych usług audiowizualnych” . P. 25 (7) . Źródło 2022-06-10 .
  3. ^ „ffprobe pokazuje PAR jako SAR” . ffmpeg.org . Źródło 2022-06-10 .

Linki zewnętrzne