Файл: Величина видеосигнала, единицы IRE и цифровые значения.pdf
Добавлен: 06.07.2023
Просмотров: 98
Скачиваний: 1
Введение
Теоретические основы цветовоспроизведения были заложены задолго до появления компьютеров и лучше всего разработаны для классической автотипии (офсетной печати). Неудивительно, что многие методы измерения и термины по-прежнему используются в современных устройствах, хотя их принцип работы часто абсолютно иной. Примерно это и случилось с основным термином, используемым для описания тонопередачи.
Итак, растискивание — эффект приращения плотности печатного растра, возникающий вследствие физического увеличения площади печатных элементов (растекания, «раздавливания» красителя), а также оптического эффекта светорассеяния в материале.
К счастью, оба процесса неразделимы как визуально, так и при обычном аппаратном измерении. Далее мы не будем отдельно рассматривать физическое и оптическое растискивание, а станем говорить о них как о едином эффекте. Это не значит, что измерение только физического растискивания бесполезно, просто оно менее востребовано.
В «докомпьютерную» эпоху растискивание измерялось как разница между плотностью растра на печатной форме и фактической плотностью запечатывания. Если на форме растровое поле плотностью 50%, а в печати оно получилось 65%, то растискивание составляет 15%. Растискивание неодинаково на разных участках тонового диапазона. Наибольшее приращение плотности растра будет наблюдаться в средних тонах.
Природа растискивания такова, что оно зависит от размера и формы печатного элемента — точки растра. При разных линиатурах и даже формах растровой точки на одной и той же печатной машине будет разное растискивание! Аналогично при использовании гибридных растров можно получить неожиданную тонопередачу. Это означает, что теоретически в настройках цветоделения должны быть учтены и линиатура, и форма растровой точки. Возникает вопрос: «Каким образом? Ведь ни в одной графической программе таких установок нет?!» Очевидно, более точным заданием тоновой кривой. Но для начала вспомним, как измеряется тонопередача, и как она описывается в современных графических пакетах.
1. Величина видеосигнала, единицы IRE и цифровые значения
Кажется, что может быть очевиднее: черный - самый темный из возможных цветов; белый - самый светлый. Однако так их воспринимают не все аппаратные и программные средства для работы с видео. Очень часто в них допускаются значения темнее черного и светлее белого, что в ряде ситуаций обеспечивает большую надежность. Следовательно, в разных системах используются различные значения черного и белого.
Такие различия создают множество сложностей для видеомонтажеров и художников, которые в процессе производства пользуются разнообразными инструментальными средствами. В изображении без всякой видимой причины могут сместиться относительные значения яркости и контрастности. Проблема усугубляется отсутствием точной информации о том, как нужно обращаться с такими смещениями. Но если их игнорировать, в конечном счете можно получить блеклое изображение или недопустимые цвета.
Поэтому необходимо иметь представление о том, как в разных системах определяются значения черного и белого и как их следует преобразовывать друг в друга. Чтобы разобраться в этих вопросах, вначале понадобятся определенные умственные усилия, которые безусловно оправдаются в дальнейшем.
Иногда путают цифровые значения яркости, о которых идет речь в настоящей статье, с аналоговыми величинами яркости, которые выражаются в единицах IRE (Institute of Radio Engineers). Действительно, и те и другие являются способами представления черного и белого. Но они относятся к разным областям, и их нельзя применять одни вместо других.
Для аналоговых видеосигналов опорный электрический уровень, представляющий белое, обычно определяется как 100 IRE, причем сами электрические уровни практически одни и те же независимо от формата. Электрический уровень черного зависит от используемого видеоформата и даже от страны, в которой вы находитесь. В системах PAL и японской версии NTSC черное всегда определяется как 0 IRE. В Северной Америке для композитного видеосигнала NTSC используется электрический уровень 7,5 IRE, иногда называемый установочным. Для компонентного видеосигнала в Северной Америке черное может быть представлено значениями 0 или 7,5 IRE. Как показывает наш опыт, чаще встречается 7,5.
Модули аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования вашей видеоплаты или деки в состоянии определить, как нужно преобразовывать значения яркости между этими двумя представлениями. Например, если установлена настройка 0 IRE, а выходной поток данных после оцифровки удовлетворяет спецификации 601, то видеосигнал с уровнем 0 IRE преобразуется в значение 16, а видеосигнал с уровнем 100 IRE - в 235. Там, где сигнал превышает 100 IRE, получатся значения больше 235.
Если бы тот же поток данных оцифровывался с помощью аппаратуры, настроенной на 7,5 IRE, то значение 16 получилось бы для видеосигнала, равного 7,5 IRE, а значение 235 - для сигнала с уровнем 100 IRE. У большинства видеомонтажных систем имеется переключатель 0/7,5 IRE, но в некоторых из них (например, в Media100) это опорное значение фактически изменяется только на выходе, а на входе всегда поддерживается уровень 7,5 IRE для систем NTSC.
Некоторые ошибочно полагают, что диапазон яркостей от 16 до 235 означает, что использовалась настройка 7,5 IRE, но это не так. Например, значение 16 задает уровень черного в любой системе с настройкой 0 IRE, включая PAL и японский NTSC. Допустим, что видеозапись выполнена с настройкой 7,5 IRE, но потом оцифрована аппаратурой, в которой черным считается 0 IRE, а затем передана через кодек, в котором черный видеосигнал растягивается вниз до численного значения 0. Тогда в выходной записи, имеющей настройку 7,5 IRE, черное действительно примет значение около 16 - но лишь потому, что кто-то сделал ошибку.
Можно представить себе, сколько разных комбинаций может возникнуть, если не следить за соответствием между диапазонами яркости сигнала в цифровом и аналоговом представлениях по всей производственной цепочке. Поэтому важно проверять, какое определение яркости используется в каждом звене этой цепочки, и в нужных случаях выполнять соответствующие преобразования.
Если вы имеете дело с кодеком, в котором общепринятый внутренний диапазон значений 16-235 растягивается в диапазон 0-255 для программной обработки, нужно быть особенно осторожным при оцифровке ленты и проследить, чтобы в исходном материале не происходило регулярное превышение уровня 100 IRE, - иначе сигнал в таких местах будет позже просто обрезан кодеком. Для этого необходимо правильно настроить входной усилитель, который может быть как внешним, так и встроенным в саму монтажную систему.
Как определить, при каком опорном уровне была записана видеолента - 0 или 7,5 IRE? Последите за осциллографом в процессе ввода и за индикаторами уровня сигналов цвета. Отметьте, до какого минимального уровня опускается сигнал изображения. Если в вашей системе осциллографа нет, можно воспользоваться таким ненаучным методом: посмотрите на цветовые полоски в тестовой картинке, а именно на три узкие полоски PLUGE (Picture Line-Up Generator) в правом нижнем углу. Средняя из этих трех полосок отображает опорный черный цвет. Соседние полоски соответствуют уровням на 4 IRE ниже и выше опорного черного.
Теоретически вам нужно настроить монитор так, чтобы центральная опорная полоска и находящаяся рядом с ней более темная сливались друг с другом. Этим вы обеспечите соответствие черного в видеосигнале черному на экране монитора. На практике же многие мониторы, которые мне встречались, по умолчанию настроены на более высокую яркость. Поэтому если вы видите все три полоски, то вполне вероятно, что данная запись выполнялась при 7,5 IRE, а более темная полоска соответствует 3,5 IRE. Если же вы видите одну полоску двойной ширины и одну более светлую, то сигнал мог быть записан при 0 IRE, и тогда более темная полоска слилась со средней.
Такой подход не очень надежен (вдруг ваш монитор на самом деле откалиброван правильно), но если других идей нет, какой-то ключ к отгадке может дать и она. Чтобы гадать приходилось меньше, мы стали помечать все свои записи как сделанные при 0 или 7,5 IRE. Это полезная практика. Вам не только стоит самому ее придерживаться, но и поощрять к этому тех, с кем вы работаете.
2. Динамический диапазон камеры и чем он определяется
Динамический диапазон или фотографическая широта фотоматериала – это отношение между максимальным и минимальным значениями экспозиции, которые могут быть корректно запечатлены на снимке. Применительно к цифровой фотографии, динамический диапазон фактически эквивалентен отношению максимального и минимального возможных значений полезного электрического сигнала, генерируемого фотосенсором в ходе экспонирования.
Динамический диапазон измеряется в ступенях экспозиции (EV). Каждая ступень соответствует удвоению количества света. Так, например, если некая камера имеет динамический диапазон в 8 EV, то это означает, что максимальное возможное значение полезного сигнала её матрицы относится к минимальному как 28:1, а значит, камера способна запечатлеть в пределах одного кадра объекты, отличающиеся по яркости не более чем в 256 раз. Точнее, запечатлеть-то она может объекты с любой яркостью, однако объекты, чья яркость будет превышать максимальное допустимое значение выйдут на снимке ослепительно белыми, а объекты, чья яркость окажется ниже минимального значения, – угольно чёрными. Детали и фактура будут различимы лишь на тех объектах, яркость которых укладывается в динамический диапазон камеры.
Для описания отношения между яркостью самого светлого и самого тёмного из снимаемых объектов часто используется не вполне корректный термин «динамический диапазон сцены». Правильнее будет говорить о диапазоне яркости или об уровне контраста, поскольку динамический диапазон – это обычно характеристика измеряющего устройства (в данном случае, матрицы цифрового фотоаппарата).
К сожалению, диапазон яркости многих красивых сцен, с которыми мы сталкиваемся в реальной жизни, может ощутимо превышать динамический диапазон цифровой фотокамеры. В таких случаях фотограф бывает вынужден решать, какие объекты должны быть проработаны во всех деталях, а какие можно оставить за пределами динамического диапазона без ущерба для творческого замысла. Для того чтобы максимально эффективно использовать динамический диапазон вашей камеры, от вас порой может потребоваться не столько доскональное понимание принципа работы фотосенсора, сколько развитое художественное чутьё.
Факторы, ограничивающие динамический диапазон
Нижняя граница динамического диапазона задана уровнем собственного шума фотосенсора. Даже неосвещённая матрица генерирует фоновый электрический сигнал, называемый темновым шумом. Также помехи возникают при переносе заряда в аналого-цифровой преобразователь, да и сам АЦП вносит в оцифровываемый сигнал определённую погрешность – т.н. шум дискретизации.
Если сделать снимок в полной темноте или с крышкой на объективе, то камера запишет только этот бессмысленный шум. Если позволить минимальному количеству света попасть на сенсор, фотодиоды начнут накапливать электрический заряд. Величина заряда, а значит, и интенсивность полезного сигнала, будет пропорциональна числу пойманных фотонов. Чтобы на снимке проступили хоть сколько-нибудь осмысленные детали, необходимо, чтобы уровень полезного сигнала превысил уровень фонового шума.
Таким образом, нижнюю границу динамического диапазона или, иначе говоря, порог чувствительности сенсора формально можно определить как уровень выходного сигнала, при котором отношение сигнал/шум больше единицы.
Верхняя граница динамического диапазона определяется ёмкостью отдельного фотодиода. Если во время экспозиции какой-либо фотодиод накопит электрический заряд предельной для себя величины, то соответствующий перегруженному фотодиоду пиксель изображения получится абсолютно белым, и дальнейшее облучение уже никак не повлияет на его яркость. Это явление называют клиппингом. Чем выше перегрузочная способность фотодиода, тем больший сигнал способен он дать на выходе, прежде чем достигнет насыщения.
Для большей наглядности обратимся к характеристической кривой, которая представляет собой график зависимости выходного сигнала от экспозиции. На горизонтальной оси отложен двоичный логарифм облучения, получаемого сенсором, а на вертикальной – двоичный логарифм величины электрического сигнала, генерируемого сенсором в ответ на это облучение. Мой рисунок в значительной степени условен и преследует исключительно иллюстративные цели. Характеристическая кривая настоящего фотосенсора имеет несколько более сложную форму, да и уровень шума редко бывает столь высок.
Рисунок 1 - график зависимости выходного сигнала от экспозиции
На графике хорошо видны две критические переломные точки: в первой из них уровень полезного сигнала пересекает шумовой порог, а во второй – фотодиоды достигают насыщения. Значения экспозиции, лежащие между этими двумя точками, и составляют динамический диапазон. В данном абстрактном примере он равен, как несложно заметить, 5 EV, т.е. камера способна переварить пять удвоений экспозиции, что равнозначно 32-кратной (25=32) разнице в яркости.