Соотношение сторон пикселя - Pixel aspect ratio

Соотношение сторон пикселя 1: 1
Соотношение сторон пикселя 2: 1

Соотношение сторон пикселя (часто сокращенно PAR ) - это математическое соотношение, которое описывает, как ширина пикселя в цифровом изображении сравнивается с высотой этого пикселя.

Большинство систем цифровой обработки изображений отображают изображение в виде сетки крошечных квадратных пикселей. Однако некоторые системы формирования изображения, особенно те, которые должны быть совместимы с телевизионными движущимися изображениями стандартной четкости , отображают изображение в виде сетки прямоугольных пикселей, в которой ширина и высота пикселей различаются. Соотношение сторон пикселей описывает эту разницу.

Использование соотношения сторон пикселей в основном касается изображений, относящихся к телевидению стандартной четкости, а также в некоторых других исключительных случаях. Большинство других систем обработки изображений, включая те, которые соответствуют стандартам и методам SMPTE , используют квадратные пиксели.

Вступление

Отношение ширины к высоте изображения известно как соотношение сторон , или, точнее, соотношение сторон дисплея (DAR) - соотношение сторон изображения в том виде, в каком оно отображается; для телевидения DAR традиционно был 4: 3 (он же полноэкранный), а 16: 9 (он же широкоэкранный) теперь стал стандартом для HDTV. В цифровых изображениях существует различие в соотношении сторон хранилища (SAR), которое представляет собой соотношение размеров пикселей . Если изображение отображается с квадратными пикселями, то эти соотношения совпадают; в противном случае используются неквадратные «прямоугольные» пиксели, и эти соотношения не совпадают. Соотношение сторон самих пикселей известно как соотношение сторон пикселя (PAR) - для квадратных пикселей это 1: 1 - и они связаны идентичностью:

SAR × PAR = DAR.

Перестановка (решение для PAR) дает:

PAR = DAR / SAR.

Например, изображение VGA 640 × 480 имеет SAR 640/480 = 4: 3, а при отображении на дисплее 4: 3 (DAR = 4: 3) имеет квадратные пиксели, следовательно, PAR составляет 1: 1. Напротив, изображение PAL 720 × 576 D-1 имеет SAR 720/576 = 5: 4, но отображается на дисплее 4: 3 (DAR = 4: 3).

В аналоговых изображениях, таких как пленка, нет ни понятия пикселя, ни понятия SAR или PAR, но при оцифровке аналоговых изображений результирующее цифровое изображение имеет пиксели, следовательно, SAR (и, соответственно, PAR, если отображается с тем же соотношением сторон, что и изображение). оригинал).

Неквадратные пиксели часто возникают в ранних стандартах цифрового телевидения, связанных с оцифровкой аналоговых телевизионных сигналов, чье вертикальное и "эффективное" горизонтальное разрешение различаются и поэтому лучше всего описываются неквадратными пикселями, а также в некоторых цифровых видеокамерах и компьютерных дисплеях. режимы , такие как адаптер цветной графики (CGA). Сегодня они возникают также при перекодировании между разрешениями с разными SAR.

Фактические дисплеи обычно не имеют неквадратных пикселей, хотя цифровые датчики могут; они скорее математическая абстракция, используемая при передискретизации изображений для преобразования между разрешениями.

Есть несколько факторов, усложняющих понимание PAR, особенно когда речь идет о оцифровке аналогового видео:

  • Во-первых, аналоговое видео не имеет пикселей, а имеет растровую развертку и, следовательно, имеет четко определенное вертикальное разрешение (строки растра), но не четко определенное горизонтальное разрешение, поскольку каждая строка является аналоговым сигналом. Однако с помощью стандартизированной частоты дискретизации эффективное разрешение по горизонтали можно определить с помощью теоремы о дискретизации , как это делается ниже.
  • Во-вторых, из-за переразвертки некоторые линии вверху и внизу растра не видны, как и некоторые возможные изображения слева и справа - см. « Оверскан»: проблемы с разрешением от аналогового к цифровому . Кроме того, разрешение может быть округлено (DV NTSC использует 480 строк вместо возможных 486).
  • В-третьих, аналоговые видеосигналы чередуются - каждое изображение (кадр) отправляется как два «поля», каждое с половиной строк. Таким образом, либо пиксели в два раза выше, чем они были бы без чересстрочной развертки, либо изображение деинтерлейсируется.

Задний план

Видео представлено в виде последовательной серии изображений, называемых видеокадрами. Исторически кадры видео создавались и записывались в аналоговой форме. Поскольку технология цифрового дисплея, технология цифрового вещания и сжатие цифрового видео развивались отдельно, это привело к различиям в кадрах видео, которые необходимо решать с помощью соотношения сторон пикселя. Цифровые видеокадры обычно определяются как сетка пикселей, используемая для представления каждого последовательного изображения. Горизонтальный компонент определяется пикселями (или образцами) и известен как видеострока. Вертикальная составляющая определяется количеством строк, как в 480 строках.

Стандарты и практика телевидения стандартной четкости были разработаны как технологии вещания и предназначались для наземного вещания и поэтому не были предназначены для представления цифрового видео. Такие стандарты определяют изображение как массив четко определенных горизонтальных « линий », четко определенной вертикальной « длительности линии » и четко определенного центра изображения. Однако не существует телевизионного стандарта стандартной четкости, который должным образом определяет края изображения или явно требует определенного количества элементов изображения на строку. Кроме того, аналоговые видеосистемы, такие как NTSC 480i и PAL 576i , вместо использования последовательно отображаемых кадров используют поля или чересстрочные полукадры, отображаемые в виде переплетения, чтобы уменьшить мерцание и удвоить скорость изображения для более плавного движения.

Аналого-цифровое преобразование

В результате того, что компьютеры стали достаточно мощными, чтобы служить инструментами для редактирования видео, были созданы цифро-аналоговые преобразователи видео и аналого-цифровые преобразователи, чтобы преодолеть эту несовместимость. Чтобы преобразовать аналоговые видеостроки в серию квадратных пикселей, в отрасли принята частота дискретизации по умолчанию, при которой значения яркости извлекаются в пиксели. Частота дискретизации яркости для изображений 480i составляла 12   3 11  МГц, а для изображений 576i - 14  3 4  МГц .

Термин « соотношение сторон пикселя» был впервые введен, когда ITU-R BT.601 (широко известный как « Рек. 601 ») определил, что телевизионные изображения стандартной четкости состоят из строк ровно из 720 неквадратных пикселей. МСЭ-R BT.601 не определяет точное соотношение сторон пикселя но дает достаточно информации , чтобы вычислить точное соотношение сторон пикселя , основанное на отраслевой практике: Стандартную частоту дискретизации сигнала яркости в точности 13   1 2  МГц. На основании этой информации:

  • Соотношение сторон пикселя для 480i будет 10:11 как:
  • Соотношение сторон пикселя для 576i будет 59:54 как:

SMPTE RP 187 также предприняла попытку стандартизировать значения соотношения сторон пикселей для 480i и 576i . Он обозначал 177: 160 для 480i или 1035: 1132 для 576i . Однако из-за значительных различий с практиками, действующими в отрасли, и вычислительной нагрузки, которую они накладывали на задействованное оборудование, SMPTE RP 187 просто проигнорировали. Информационное приложение A.4 SMPTE RP 187 также предлагает использовать 10:11 для 480i .

На момент написания этого документа ITU-R BT.601-6, который является последней редакцией ITU-R BT.601, по-прежнему подразумевает, что упомянутые выше пропорции пикселей верны.

Цифровая обработка видео

Как указано выше, в стандарте ITU-R BT.601 указано, что телевизионные изображения стандартной четкости состоят из строк из 720 неквадратных пикселей, дискретизированных с точно указанной частотой дискретизации. Простой математический расчет показывает, что ширины 704 пикселя будет достаточно, чтобы вместить стандартное изображение 4: 3 480i или 576i :

  • Изображение 4: 3, 480 строк, оцифрованное в формате Rec. 601-рекомендуемая частота дискретизации будет шириной 704 неквадратных пикселя.
  • Изображение 4: 3, 576 строк, оцифрованное с помощью Rec. 601-рекомендованная частота дискретизации будет шириной 702,915254 неквадратных пикселя.

К сожалению, не все стандартные телевизионные изображения имеют формат 4: 3: как упоминалось ранее, в аналоговом видео центр изображения четко определен, но края изображения не стандартизированы. В результате некоторые аналоговые устройства (в основном устройства PAL, но также некоторые устройства NTSC) создавали движущиеся изображения, которые были (немного) шире по горизонтали. Это также пропорционально относится к анаморфным широкоэкранным (16: 9) изображениям. Таким образом, для поддержания безопасного предела погрешности ITU-R BT.601 требовал выборки еще 16 неквадратных пикселей на строку (еще 8 на каждом краю), чтобы гарантировать сохранение всех видеоданных рядом с полями.

Это требование, однако, имело значение для движущихся изображений PAL. Соотношения пикселей PAL для стандартного (4: 3) и анаморфного широкого экрана (16: 9), соответственно 59:54 и 118: 81, были неудобными для цифровой обработки изображений, особенно для смешивания видеоклипов PAL и NTSC. Поэтому продукты для редактирования видео выбрали почти эквивалентные значения, соответственно 12:11 и 16:11, которые были более элегантными и могли создавать цифровые изображения PAL с шириной ровно 704 пикселя, как показано:

  • Для PAL 4: 3:
  • Для PAL 16: 9:

Несогласованность в определенных значениях соотношения сторон пикселей

В Интернете и в различных других опубликованных средствах массовой информации можно найти множество источников, которые вводят различные и очень несовместимые значения, такие как пропорции пикселей различных видеоизображений и видеосистем. (См. Раздел « Дополнительные источники ».)

Чтобы беспристрастно судить о точности и / или осуществимости этих источников, обратите внимание, что, поскольку цифровое кино было изобретено спустя годы после традиционного кино, все видеоизображения, предназначенные для телевидения стандартной четкости и совместимых носителей, цифровых или иных, должны иметь (и должны имеют) характеристики, совместимые с телевизорами стандартной четкости. Следовательно, соотношение сторон пикселя цифрового видео должно быть рассчитано на основе технических характеристик обычного традиционного оборудования, а не технических характеристик цифрового видео. В противном случае любое соотношение сторон пикселя, вычисленное из источника цифрового видео, можно использовать только в определенных случаях для источников видео того же типа и не может рассматриваться / использоваться в качестве общего соотношения сторон пикселя любой телевизионной системы стандартной четкости.

Кроме того, в отличие от цифрового видео с четко определенными краями изображения, традиционные видеосистемы никогда не стандартизировали четко определенные края изображения. Следовательно, соотношение сторон пикселей обычных стандартных телевизионных систем не может быть вычислено на основе краев изображений. Такое вычисленное значение соотношения сторон не было бы полностью неправильным, но его также нельзя рассматривать как общее соотношение сторон пикселя для какой-либо конкретной видеосистемы. Использование таких значений будет ограничено только определенными случаями.

Современные стандарты и практики

В современных системах цифровой обработки изображений и телевизорах высокой четкости , особенно в тех, которые соответствуют стандартам и практике SMPTE, для трансляции и отображения используются только квадратные пиксели. Однако некоторые форматы (например, HDV , DVCPRO HD ) используют неквадратные пиксели внутри для хранения изображений, как способ уменьшить объем данных, которые должны быть обработаны, тем самым ограничивая необходимые скорости передачи и сохраняя совместимость с существующими интерфейсами.

Проблемы неквадратных пикселей

Прямое отображение изображения с определенным соотношением сторон пикселя на устройстве с другим соотношением сторон пикселя заставляет изображение выглядеть неестественно растянутым или сжатым в горизонтальном или вертикальном направлении. Например, сгенерированный для компьютерного дисплея круг с квадратными пикселями выглядит как вертикальный эллипс на телевизоре NTSC стандартной четкости, в котором используются вертикальные прямоугольные пиксели. Эта проблема более очевидна на широкоэкранных телевизорах.

Соотношение сторон пикселей должно приниматься во внимание программными продуктами для редактирования видео, которые редактируют видеофайлы с неквадратными пикселями, особенно при смешивании видеоклипов с разными пропорциями пикселей. Это может иметь место при создании видеомонтажа с разных камер, использующих разные стандарты видео (относительно редкая ситуация). Программные продукты для спецэффектов также должны учитывать соотношение сторон пикселей, поскольку некоторые спецэффекты требуют расчета расстояний от определенной точки, чтобы они выглядели визуально корректно. Примером таких эффектов может быть радиальное размытие, размытие при движении или даже простое вращение изображения.

Использование соотношения сторон пикселя

Значение соотношения сторон пикселя используется в основном в программном обеспечении для цифрового видео, где движущиеся изображения должны быть преобразованы или восстановлены для использования видеосистем, отличных от оригинала. Программное обеспечение видеопроигрывателя может использовать соотношение сторон пикселей для правильной визуализации цифрового видео на экране. Программное обеспечение для редактирования видео использует соотношение сторон пикселей для правильного масштабирования и рендеринга видео в новом формате.

Поддержка соотношения сторон пикселей также требуется для отображения без искажений устаревших цифровых изображений компьютерных стандартов и видеоигр, существовавших в 80-х годах. В том поколении квадратные пиксели были слишком дороги в производстве, поэтому машины и видеокарты, такие как SNES, CGA, EGA, Hercules, C64, MSX, PC-88, X68000 и т. Д., Имели неквадратные пиксели.

Путаница с соотношением сторон дисплея

DVD Flick 1.3.0.7: Пример компьютерной программы, которая помечается соотношение сторон изображения , как соотношение сторон пикселя

Соотношение сторон пикселя часто путают с разными типами соотношений сторон изображения; соотношение ширины и высоты изображения. Из - за отсутствие прямоугольности пикселей в стандартной четкости ТВ, есть два типа таких пропорций: соотношение сторон хранения ( РС ) и соотношение сторон отображения (сокращенно ДАР , также известные как соотношение сторон изображения и соотношение сторон изображения ). Обратите внимание на повторное использование аббревиатуры PAR . В этой статье используются только термины "соотношение сторон пикселя" и "соотношение сторон экрана", чтобы избежать неоднозначности.

Соотношение сторон хранилища - это отношение ширины изображения к высоте в пикселях, которое можно легко вычислить из видеофайла. Соотношение сторон экрана - это отношение ширины изображения к высоте (в единицах длины, например сантиметры или дюймы) при отображении на экране, которое рассчитывается на основе комбинации соотношения сторон пикселя и соотношения сторон хранилища.

Однако пользователи, которые знают определение этих понятий, также могут запутаться. Плохо составленные пользовательские интерфейсы или плохо написанная документация могут легко вызвать такую ​​путаницу: некоторые приложения для редактирования видео часто просят пользователей указать «соотношение сторон» для своего видеофайла, предлагая ему или ей варианты «4: 3» и «16: 9». Иногда эти варианты могут быть «PAL 4: 3», «NTSC 4: 3», «PAL 16: 9» и «NTSC 16: 9». В таких ситуациях программа редактирования видео неявно запрашивает соотношение сторон пикселя видеофайла, запрашивая информацию о видеосистеме, из которой был создан видеофайл. Затем программа использует таблицу (аналогичную приведенной ниже) для определения правильного значения соотношения сторон пикселя.

Вообще говоря, чтобы избежать путаницы, можно предположить, что продукты для редактирования видео никогда не запрашивают соотношение сторон хранилища, поскольку они могут напрямую извлекать или вычислять его. Приложениям, не поддерживающим квадратные пиксели, также нужно только запросить либо соотношение сторон пикселя, либо соотношение сторон экрана, из которых они могут вычислить другое.

Соотношение сторон пикселей распространенных видеоформатов

Значения соотношения сторон пикселей для распространенных видеоформатов стандартной четкости перечислены ниже. Обратите внимание, что для видеоформатов PAL перечислены два разных типа значений соотношения сторон пикселя:

  1. Rec.601 , значение, соответствующее Rec.601, которое считается реальной пропорцией пикселя видео стандартного разрешения этого типа.
  2. Цифровой , который примерно эквивалентен Рек. 601 и больше подходит для использования в программном обеспечении для редактирования цифрового видео.

Обратите внимание, что источники различаются по PAR для общих форматов - например, 576 строк (PAL), отображаемых с соотношением 4: 3 (DAR), соответствуют либо PAR, равному 12:11 (если 704 × 576, SAR = 11: 9), либо PAR. из 16:15 (если 720 × 576, SAR = 5: 4). См. Ссылки на источники, дающие и то, и другое, а также SDTV: разрешение для таблицы хранения, отображения и соотношения сторон пикселей. Также обратите внимание, что в ЭЛТ-телевизорах есть не пиксели, а строки развертки.


Неквадратные пропорции распространенных видеоформатов
Видеосистема ДАР
Размеры изображения
( px × px )
SAR PAR PAR (десятичный) Ширина (пикс.) Тип
PAL 4∶3 704 × 576 72∶59 59∶54 1.0 925 769, 385 Рек. 601
11∶9 12∶11 1. 09 768, 384 цифровой
720 × 576 5∶4 16∶15 1.0 6
16∶9 704 × 576 72∶59 118∶81 1. 456790123 1026, 513 Рек. 601
11∶9 16∶11 1. 45 1024, 512 цифровой
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 г.
Примеры соотношений сторон с предопределенными индикаторами в семействе видеокодеков H.26x
Индекс Соотношение сторон
0 неопределенные
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 расширенный

Рекомендации

Основные источники

Дополнительные источники

Заметки

  1. ^ "Точка тактовой частоты" . pineight.com . Проверено 23 сентября 2018 .

Внешние ссылки