Základy digitálního videa 2.- Nedostatky DV formátu - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

3. prosince 2001, 00.00 | I digitální záznam videa trpí jistými neduhy. V dnešním pokračování seriálu o digitálním videu si popíšeme ty nejčastější, se kterými se v praxi můžete setkat.

Minule jsme si řekli, že DV formát využívá komprimační algoritmus DCT, který umožňuje datovou kompresi v poměru 5:1. Ačkoliv se jedná o vysoce kvalitní codec, s určitými obrazovými nešvary přece jen musíte počítat, neboť stejně jako v případě jiných ztrátových kompresí dochází v důsledku zmenšeného datového objemu ke vzniku nežádoucích obrazových "artefaktů". Pokud tedy chcete při natáčení DV kamerou dosáhnout co nejlepších výsledků, je dobré s těmito limity předem počítat a pokud možno se vyhnout snímání kritických situací, které mohou výskyt obrazových chyb zvýšit.

Mosquito noise
Tzv. šum moskytů se obvykle objevuje kolem jemných diagonálních detailů. Jedná se o chybu, která vzniká právě datovou kompresí a nejčastěji ji můžete pozorovat například v okolí ostrých hran titulků (obzvláště je-li použito menšího fontu na barevném pozadí se složitou texturou) nebo záběrech zachycujících hustý chumel miniaturních objektů (například větvoví s drobnými lístky). Během komprimace totiž dochází ke spojování barevných a jasových informací pro několik pixelů najednou (zatímco normálně jsou ukládány pro každý bod zvlášť), takže v oblastech s jemnými detaily nebo ostrým ohraničením dochází k "rozmáznutí" jednotlivých bodů do většího bloku, což pak ve výsledku působí jako obrazový šum v šířce zhruba osmi bodů. Pokud při střihu používáte náhled na televizní obrazovce zprostředkovaný kompozitním analogovým signálem, pak buďte velice opatrní, protože Mosquito noise může být zastřen jinými nedostatky, způsobenými právě nepříliš dokonalým kompozitním přenosem obrazu.

Takhle vypadá Mosquito noise v praxi - při zvětšení je obrazový šum na hranách textu dobře viditelný.

Quilting - prošívání
Tento obrazový artefakt nejčastěji vzniká na dlouhých diagonálních hranách s ostrým ohraničením a horizontálním sklonem v úhlu kolem 20°. Dochází k němu při komprimovacím procesu, kdy DCT přechází od jednoho bloku k druhému a nedokáže je plynule napojit, takže mezi jednotlivými bloky vznikají ostrá ohraničení. Nutno ovšem podotknout, že tento nedostatek je pozorovatelný jen ve vzácných případech a výrazněji se může projevit až ve chvíli, kdy záběr s takovouto diagonálou zpomalíte.

Detailní vyobrazení ukazuje, kterak se Quilting projevuje v praxi - šipky naznačují ohraničení jednotlivých bloků (v šíři 8 pixelů), tak jak je zpracoval DCT codec.

Motion blocking a prokládané snímkování
Ještě než se pustíme do popisu tohoto obrazového neduhu, je třeba zabrousit do oblasti televizní technologie a z ní vycházejících limitů, které se přenáší i do digitálního zpracování videozáznamu.
V případě počítačů jsou na monitoru během jedné obnovovací frekvence zobrazeny všechny horizontální řádky najednou (tzv. progressive scanning), zatímco televizní obrazovka vykresluje jednotlivé řádky jeden po druhém, od horního okraje obrazovky směrem ke spodnímu.

Uspořádání obrazových řádků pro počítačový monitor.

Tím ovšem rozdíly mezi počítačovým monitorem a televizní obrazovkou nekončí. Každý jistě ví, že systém PAL využívá pro záznam pohyblivých obrázků 25 snímků za vteřinu, ale mnohem méně lidí už tuší, že ve skutečnosti je každé okénko rozděleno na dva půlsnímky (někdy se též používá označení 'pole'). Videokamera tedy ve skutečnosti snímá padesát půlsnímků za vteřinu, přičemž každý z nich obsahuje polovinu horizontálních řádků celého okénka, jež pak vidíme na obrazovce. Tento systém se nazývá interlaced scanning, neboli prokládané řádkování.

Rozdělení horizontálních řádků u prokládaného řádkování, které používá televizní a video technologie.

I když tedy nakonec na televizní obrazovce vidíme jen 25 snímků za vteřinu, kamera původně nasnímala 50 půlsnímků, které jsou v lineárním pořadí uloženy na kazetě jeden za druhým a teprve při projekci se dvě pole složí do jednoho obrázku. Odtud také plyne disproporce mezi 50 Hz obnovovací frekvencí televizních přijímačů a počtem obrázků za vteřinu. Ve skutečnosti totiž televizor k zobrazení jednoho snímku videozáznamu potřebuje dvě obnovovací frekvence, neboť se skládá ze dvou půlsnímků. V praxi to probíhá tak, že nejdříve je vykresleno pole číslo 1 obsahující první polovinu řádků a v následující 1/50 vteřiny pak pole číslo 2 s řádky zbývajícími (přesně tak, jak jsou zobrazeny na obrázku). Díky nedokonalosti lidského oka a paměťovému efektu naší sítnice potom výsledek působí jako jeden obrázek.
S problematikou půlsnímků úzce souvisí řada problémů, které se projeví především při převodu videozáznamu do počítačových formátů, ale tím se budeme zabývat až později. V tuto chvíli je pro nás rozhodující vliv prokládaného řádkování na kompresní technologii.
Algoritmus DCT využívá tzv. adaptive interfield kompresi, což znamená, že pokud je mezi oběma půlsnímky malý rozdíl, komprimuje je dohromady, čímž samozřejmě ušetří slušný objem dat, který může využít pro lepší vykreslení detailů. V některých situacích, jako je například snímání rychle se pohybujícího objektu, jsou ovšem rozdíly mezi jednotlivými půlsnímky vcelku zásadní (třeba taková fotbalová meruna při detailním záběru urazí za 1/50 vteřiny, která uběhne mezi záznamem dvou půlsnímků, pořádný kus cesty), takže už není možné komprimovat okénko jako celek (viz obrázek). DCT codec proto musí zpracovat každý půlsnímek jednotlivě, důsledkem čehož mu zbývá menší datový objem pro vykreslení detailů. V dynamických záběrech pak dochází ke vzniku tzv. bloků (vznikajících vynuceným spojením některých pixelů dohromady kvůli nedostatku prostoru v omezeném konstantním datovém toku). Někdy bývá tento nedostatek také popisován jako "zhrubnutí" obrazu a dobře ho můžete pozorovat například ve statickém záběru, v němž se rychle pohybuje nějaký objekt. Při podrobnějším pohledu na takto koncipovaný záběr si určitě všimnete špatně vykreslených detailů na hranách objektu.
Alespoň částečné řešení tohoto problému představuje použití filtru motion blur, ale ten s sebou zase na druhé straně přináší snížení ostrosti, takže obraz pak působí rozmazaně. Posouzení toho, které řešení je lepší, samozřejmě záleží na konkrétní situaci a množství motion blokckingu v obraze.

Při snímání rychle se pohybujícího objektu je mezi oběma půlsnímky pozorovatelný zásadní rozdíl (vlevo). V pravé části pak můžete vidět dodatečně aplikovaný deinterlace (spojení obou polí do jednoho) provedený ve střihové aplikaci Final Cut. Pro lepší pochopení námi probírané problematiky si povšimněte celkové neostrosti záběru a špatně vykreslených hran objektu.

Dropout
Jedno z nejchoulostivějších míst digitálního videa obecně (nejen DV), představují dropouty neboli výpadky záznamu. V případě analogových formátů totiž obyčejně vypadl jeden řádek, což se v obraze projevilo rušivým bliknutím, ale u digitálních technologií se vzhledem k hustotě záznamu povětšinou rozpadne celé okénko. Jestliže pak přehrávač nedokáže poškozená data obnovit, objeví se na obrazovce jen 12 horizontálních pruhů oznamujících výpadek nebo obrázek "zamrzne" na posledním neporušeném okénku a do chvíle než jsou data opět čitelná, vidíme jen statický obrázek. Ačkoliv jsou důsledky dropoutů vskutku ničivé, setkáte se s nimi jen výjimečně a do značné míry se jim můžete ubránit pravidelným čištěním nahrávacích hlav v kameře a používáním kvalitních pásků.

Ukázka menšího výpadku v rozsahu několika pixelů.

A takhle to dopadne, když vypadne celé okénko.