Analogni video i digitalizacija – priča o rezoluciji

Jedno od najčešćih pitanja koja dobijam o video obradi na računarima je upravo o rezoluciji koju treba izabrati da bi se dobila dobra digitalizovana slika. Pri tome se za VHS materijal najčešće spominje rezolucija 352×288 – da, da, kako da ne 😉 Ako uzmete ovo kao polaznu rezoluciju, ne očekujte sjajne rezultate 🙂

Rezolucija ne postoji. Tačke (pixels) ne postoje. Ovo je analogni svet 🙂 – rezolucije i tačke su potrebni za digitalnu obradu i čuvanje materijala. Kako se onda uopšte dolazi do digitalne slike našeg analognog sveta?

Da bi dobili jasnu sliku ;), moram da počnem od početka 🙂 tj. kako se prikazuje slika na TV -u, i kako vaša kartica treba da radi digitalizaciju takvog signala (po ITU-R BT.601-5 standardu).

Kako se prikazuje slika na TV-u?

Televizijska slika je sastavljena od horizontalnih linija (Scan Lines) koje elektronski mlaz ispisuje na ekranu velikom brzinom; pri tome, cela slika se deli u dve poluslike, na parne i neparne linije, pa se ispisuje polje po polje (razlozi za ovo su duboko u prošlosti, kada su prvi televizori napravljeni).

Broj horizontalnih linija varira od standarda do standarda – za naš standard, PAL, to je 625 linija. Nisu sve linije vidljive; neke se koriste za dodatne informacije (sinhronizaciju itd) dok je za vidljiv deo po BT.601-5 odvojeno tačno 576 linija – ovo je upravo vertikalna rezolucija TV signala: 576; na ovo ćemo se vratiti malo kasnije.

“Horizontala” priča je totalno drugačija; dok su horizontalne linije potpuno određena stvar (pa time i vertikalna rezolucija), kod vertikalnih imamo čistu analognu priču; količina detalja koje vidimo zavisiće isključivo od opsega signala (Bandwidth) upotrebljenog za prikaz slike. Kvalitet tog prikaza možemo definisati kao najveći broj uspravnih crno/belih linija koje se još uvek razlikuju na ekranu (tj. ne vidimo ih kao stopljenu sivu). Nazovimo ovo “Horizontalnom analognom rezolucijom” – primetite da smo još uvek u analognim vodama! Ova rezolucija još uvek nema veze sa rezolucijom digitalizovanog materijala.

Digitalizacija videa

Neke od najčeščih rezolucija koje se pominju kao digitalni pandan PAL video materijalu su 768×576, 720×576 i 704×576. Koja je od ovih vrednosti prava? Pa, ni jedna ili sve 🙂 – čitajte dalje …

Kako se uopšte digitalizuje (capture, grab) video materijal u PAL standardu?

PAL slika se sastoji od 625 linija, i 50 poluslika ili 25 punih slika -> za iscrtavanje jedne slike je potrebno 40 ms, a za iscrtavanje jedne linije je potrebno 64 μs.

Ako vaša kartica za digitalizaciju sledi ITU-R BT.601-5, uzorkovanje video signala pri digitalizaciji treba da ima učestalost od 13,5 MHz; ovo praktično znači da će jedna linija (koja se ispisuje za 64 μs) biti uzorkovana:

13.500.000 * 0.000064 s = 864 puta u sekundi.

Znači li ovo da je digitalna PAL rezolucija 864 x 576? Ne – kao što kod horizontalnih linija imamo višak linija, i ovde se ne koristi ceo raspon za vidljivi (koristan) deo; samo deo linije koji mlaz iscrta za 52 μs se računa u vidljivi deo linije. Odavde i iz gornje jednačine, proizilazi da je

digitalni ekvivalent PAL video signalu: 702 x 576

što očigledno nije ni jedna od rezolucija na koje smo navikli 🙂 No, sada se po ITU dodaje po 9 tačaka sa svake strane i dobijamo
digitalnu rezoluciju za PAL: 720 x 576

Primetite da po gornjem, vidljivi deo slike može da zauzima samo 702 tačaka a NE svih 720; ako vaša kartica daje sliku preko cele širine od 720 tačaka, onda ona ne radi digitalizaciju po ITU standardu.

Šta je sa 704×576 rezolucijom? Ona je usvojena za potrebe MPEG-1/MPEG-2 kompresije video signala i ima lepu osobinu da su širina i visina deljive sa 16; kod ovih kompresija je najmanja jedinica za kompresiju makro-blok 16×16 pa eto finog poklapanja 🙂

Šta sa svim ostalim rezolucijama koje se dobijaju kao rezultat digitalizacije? Da li su one pogrešne? Kako ih konvertovati u neku drugu i pri tome očuvati svu informaciju? Vreme je da se upoznamo sa PAR i DAR izrazima.

4:3 i drugi lepi brojevi; DAR i PAR

Kao što svi znamo, odnos širine i visine kod PAL televizije je 4:3 tj. DAR = 4:3 (DAR – Display Aspect Ratio) . No, ovih 4:3 se realizuje preko 702×576 digitalne rezolucije, a to baš i nije odnos 4:3 🙂

Tu dolazimo do pojma odnosa širine i visine tačke – PAR (PAR – Pixel Aspect Ratio). Na PC monitoru postoji samo jedan PAR, 1:1 – svaka tačka je iste i visine i širine. To objašnjava rezolucije koje se najčešće koriste: 640*480, 800*600, 1024*768 – uz PAR 1:1 sve ove rezolucije imaju DAR 4:3.

Kod TV-a imamo 576 linija, 720 tačaka po horizontali od kojih je 702 vidljivo; ovde je PAR: 576/702*4/3 = 128/117

Da li druga česta rezolucija 768×576 ima PAR 1:1? Ne – ovo je tzv. “industrijski standard” gde se kao učestalost uzorkovanja koristi 14.75 MHz umesto od preporučenih 13.5 MHz. U ovom slučaju, odnos između preporučene i ove rezolucije je:

13.5 / 14.75 = 54/59

pa je odavde PAR za 768×576: 128/117 * 54/59 = 768/767

Da rezimiram:

Rezolucija	Vidljiv deo	Uzorkovanje	PAR	Komentar
720×576	702×576	13.5 Mhz	128/117	Standardna rezolucija za PAL; vidljivo je 702×576 tačaka
704×576	702×576	13.5 Mhz	128/117	Digitalizovan samo vidljiv deo slike
768×576	767×576	14.75 Mhz	768/767	“Industrijski standard”

Konverzija među rezolucijama

Da bi pravilno izvršili konverziju digitalnog video materijala iz jedne rezolucije u drugu, potrebno je da znate:

1. Polaznu rezoluciju i polazni PAR
2. Željenu rezoluciju i željeni PAR
3. Odrediti pravilno koeficijente konverzije

Korak tri izgleda ovako:

3.1 Izračunajte vertikalni_koeficijent_konverzije = stvarna_aktivna_ciljna_visina / stvarna_aktivna_polazna_visina
3.2 Izračunajte horizontalni_koeficijent_konverzije = (polazni_PAR) / (ciljni_PAR) * (vertikalni_koeficijent_konverzije)
3.3 Izračunajte ciljnu širinu: ciljna_širina = horizontalni_koeficijent_konverzije * polazna_širina
3.4 Izračunajte ciljnu visinu: ciljna_visina = vertikalni_koeficijent_konverzije * polazna_visina
3.5 Obradite sliku (resize) tako da su joj nove dimenzije upravo one iz 3.3 i 3.4
3.6 Ako to nije željena rezolucija, odsecite ivice i/ili dodajte crne ivice sa strane tako da dobijete traženu rezoluciju.

Kako primer govori više od algoritma 😉 evo jednog uobičajenog:

Konvertovati 720×576 IBU digitalizovani snimak u 640×480 za prikaz na monitoru računara

P3.1 vertikalni_koeficijent_konverzije = 480 / 576 = 5/6
P3.2 horizontalni_koeficijent_konverzije = (128/117) / (1/1) * (5/6) = 640/702
P3.3 ciljna_širina = 640/702 * 720 = 656,41 ~ 656
P3.4 ciljna_visina = 5/6 * 576 = 480
P3.5 Resize sa 720×576 -> 656×480
P3.6 Da bi postigli traženu rezoluciju, uradićemo odsecanje po 8 tačaka sa leve i desne strane

Eto 🙂 nadam se da je sada sve malo jasnije kada su rezolucije, PAR-ovi, DAR-ovi u pitanju 🙂 Ako nisu, pitajte.

Linkovi:

• VHS – Video Home System ili Vertical Helical Scan
• Quick Guide to Digital Video Resolution and Aspect Ratio Conversions
• ITU publikacije; sada dozvoljavaju 3 besplatna downloada – toplo preporučujem ITU-R BT.601-5 i BT.470-6
• Digitalizacija i PAR/DAR za početnike, PDF
• TV i video rezolucije