Proporcje pikseli - Pixel aspect ratio

Współczynnik proporcji pikseli 1: 1

Współczynnik proporcji pikseli 2: 1

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

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

Korzystanie ze współczynnika proporcji pikseli dotyczy głównie obrazów związanych z telewizją o standardowej rozdzielczości oraz w innych wyjątkowych przypadkach. Większość innych systemów obrazowania, w tym te, które są zgodne ze standardami i praktykami SMPTE , wykorzystuje kwadratowe piksele.

Wprowadzenie

Stosunek szerokości do wysokości obrazu jest znany jako współczynnik proporcji , a dokładniej współczynnik proporcji wyświetlania (DAR) - współczynnik proporcji wyświetlanego obrazu ; W przypadku telewizji DAR miał tradycyjnie format 4: 3 (czyli pełny ekran), przy czym 16: 9 (czyli panoramiczny) jest obecnie standardem dla HDTV. W przypadku obrazów cyfrowych rozróżnia się współczynnik kształtu (SAR), czyli stosunek wymiarów pikseli . 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 kształtu samych pikseli jest znany jako współczynnik kształtu piksela (PAR) - dla pikseli kwadratowych jest to 1: 1 - i są one powiązane tożsamością:

SAR × PAR = DAR.

Przegrupowanie (rozwiązanie dla PAR) daje:

PAR = DAR / SAR.

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

W obrazach analogowych, takich jak film, nie ma pojęcia piksela, ani pojęcia SAR lub PAR, ale w digitalizacji obrazów analogowych wynikowy obraz cyfrowy ma piksele, stąd SAR (i odpowiednio PAR, jeśli jest wyświetlany w tym samym współczynniku kształtu co oryginał).

Piksele niekwadratowe pojawiają się często we wczesnych standardach telewizji cyfrowej, związanych z digitalizacją analogowych sygnałów telewizyjnych - których pionowe i „efektywne” poziome rozdzielczości różnią się i dlatego najlepiej opisują je piksele niekwadratowe - a także w niektórych cyfrowych kamerach wideo i monitorach tryby , takie jak Color Graphics Adapter (CGA). Dziś pojawiają się również przy transkodowaniu między rozdzielczościami z różnymi SAR.

Rzeczywiste wyświetlacze zazwyczaj nie mają pikseli niekwadratowych, 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 jeśli chodzi o digitalizację analogowego wideo:

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

tło

Wideo jest przedstawiane jako sekwencyjna seria obrazów nazywanych klatkami wideo. Historycznie rzecz biorąc, klatki wideo były tworzone i nagrywane w formie analogowej. Ponieważ technologia wyświetlania cyfrowego, technologia transmisji cyfrowej i kompresja cyfrowego wideo ewoluowały osobno, spowodowało to różnice w klatkach wideo, które należy rozwiązać za pomocą współczynnika proporcji pikseli. Cyfrowe klatki wideo są ogólnie definiowane jako siatka pikseli używanych do przedstawiania każdego sekwencyjnego obrazu. Składowa pozioma jest definiowana przez piksele (lub próbki) i nazywana jest linią wideo. Składowa pionowa jest definiowana przez liczbę linii, tak jak w 480 liniach.

Standardy i praktyki dotyczące telewizji standardowej zostały opracowane jako technologie nadawcze i przeznaczone do nadawania naziemnego, w związku z czym nie zostały zaprojektowane do cyfrowej prezentacji wideo. Takie standardy definiują obraz jako zestaw dobrze zdefiniowanych poziomych „ linii ”, dobrze zdefiniowanych pionowych „ długości linii ” i dobrze zdefiniowanego środka obrazu. Nie ma jednak standardu telewizji o standardowej rozdzielczości, który odpowiednio definiuje krawędzie obrazu lub wyraźnie wymaga określonej liczby elementów obrazu w linii. Co więcej, analogowe systemy wideo, takie jak NTSC 480i i PAL 576i , zamiast wykorzystywać progresywnie wyświetlane klatki, wykorzystują pola lub półklatki z przeplotem wyświetlane w sposób przeplatany, aby zmniejszyć migotanie i podwoić szybkość obrazu w celu uzyskania płynniejszego ruchu.

Konwersja analogowo-cyfrowa

W wyniku tego, że komputery stały się wystarczająco mocne, aby służyć jako narzędzia do edycji wideo , stworzono konwertery cyfrowo-analogowe wideo i konwertery 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 do pikseli. Częstotliwość próbkowania lumy dla obrazów 480i wynosiła 12​   ³ ⁄ ₁₁  MHz, a dla obrazów 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 definiują dokładnie proporcje pikseli, ale nie zapewniają wystarczająco dużo informacji, aby obliczyć dokładne proporcje pikseli w oparciu o praktykach branżowych: standardowa częstotliwość próbkowania Luma precyzyjnie 13   ¹ ⁄ ₂  MHz. Na podstawie tych informacji:

• Współczynnik proporcji pikseli dla 480i wyniósłby 10:11 jako:

  ${\ displaystyle 12 {\ tfrac {3} {11}} \ div 13 {\ tfrac {1} {2}} = {\ tfrac {10} {11}}}$

• Współczynnik proporcji pikseli dla 576i wyniósłby 59:54 jako:

  ${\ displaystyle 14 {\ tfrac {3} {4}} \ div 13 {\ tfrac {1} {2}} = {\ tfrac {59} {54}}}$

W SMPTE RP 187 podjęto dalszą próbę ujednolicenia wartości współczynnika proporcji pikseli dla 480i i 576i . Oznaczało to 177: 160 dla 480i lub 1035: 1132 dla 576i . Jednak ze względu na znaczną różnicę w praktykach stosowanych w branży i obciążeniu obliczeniowym, które nakładali na dany sprzęt, SMPTE RP 187 został po prostu zignorowany. Załącznik A.4 dotyczący SMPTE RP 187 sugerował ponadto użycie 10:11 dla 480i .

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

Cyfrowe przetwarzanie wideo

Jak stwierdzono powyżej, w ITU-R BT.601 określono, że obraz telewizyjny o standardowej rozdzielczości składa się z linii 720 niekwadratowych pikseli, próbkowanych z precyzyjnie określoną częstotliwością próbkowania. Proste obliczenia matematyczne pokazują, że szerokość 704 pikseli wystarczyłaby do umieszczenia standardowego obrazu 480i lub 576i 4: 3:

• Obraz 4: 3 480 linii, zdigitalizowany za pomocą Rec. Częstotliwość próbkowania zalecana przez 601 będzie wynosić 704 niekwadratowe piksele.

  ${\ Displaystyle {\ Frac {x} {480}} \ times {\ Frac {10} {11}} = {\ Frac {4} {3}} \ Rightarrow x = {\ Frac {480 \ times 11 \ times 4} {10 \ times 3}} = 704}$

• Obraz 4: 3 576-liniowy, zdigitalizowany za pomocą Rec. 601 zalecana częstotliwość próbkowania będzie wynosić 702,915254 niekwadratowych pikseli.

  ${\ Displaystyle {\ Frac {x} {576}} \ times {\ Frac {59} {54}} = {\ Frac {4} {3}} \ Rightarrow x = {\ Frac {576 \ times 54 \ times 4} {59 \ times 3}} \ około 702,915254}$

Niestety, nie wszystkie standardowe obrazy telewizyjne mają dokładnie 4: 3: Jak wspomniano wcześniej, w analogowym wideo 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 do anamorficznych obrazów panoramicznych (16: 9). Dlatego, aby zachować bezpieczny margines błędu, ITU-R BT.601 wymagał próbkowania 16 więcej niekwadratowych pikseli na linię (o 8 więcej na każdej krawędzi), aby zapewnić zapisanie wszystkich danych wideo w pobliżu marginesów.

Wymóg ten miał jednak konsekwencje dla filmów PAL. Proporcje pikseli PAL dla standardowego (4: 3) i anamorficznego szerokiego ekranu (16: 9), odpowiednio 59:54 i 118: 81, były niewygodne w przypadku cyfrowego przetwarzania obrazu, szczególnie w przypadku 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 cyfrowe obrazy PAL o szerokości dokładnie 704 pikseli, jak pokazano na ilustracji:

• W przypadku PAL 4: 3:

  ${\ Displaystyle {\ Frac {4} {3}} \ div {\ Frac {704} {576}} = \ kolor {niebieski} {\ Frac {12} {11}}}$

• W przypadku PAL 16: 9:

  ${\ Displaystyle {\ Frac {16} {9}} \ div {\ Frac {704} {576}} = \ kolor {niebieski} {\ Frac {16} {11}}}$

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 proporcje pikseli różnych obrazów wideo i systemów wideo. (Zobacz sekcję Dodatkowe źródła ).

Aby neutralnie ocenić dokładność i / lub wykonalność tych źródeł, należy pamiętać, że ponieważ cyfrowy film został wynaleziony wiele lat po tradycyjnym filmie, wszystkie obrazy wideo przeznaczone dla telewizji standardowej rozdzielczości i kompatybilnych mediów, cyfrowych lub innych, mają (i muszą mają) specyfikacje zgodne z telewizorami o standardowej rozdzielczości. Dlatego proporcje pikseli cyfrowego wideo muszą być obliczane na podstawie specyfikacji zwykłego tradycyjnego sprzętu, a nie specyfikacji cyfrowego wideo. W przeciwnym razie każdy współczynnik proporcji pikseli obliczony na podstawie cyfrowego źródła wideo może być używany tylko w niektórych przypadkach dla tego samego rodzaju źródeł wideo i nie może być traktowany / stosowany jako ogólny współczynnik proporcji pikseli w żadnym systemie telewizyjnym o standardowej rozdzielczości.

Ponadto, w przeciwieństwie do cyfrowego wideo, które ma dobrze zdefiniowane krawędzie obrazu, tradycyjne systemy wideo nigdy nie ustandaryzowały dobrze zdefiniowanej krawędzi obrazu. Dlatego proporcji pikseli w popularnych standardowych systemach telewizyjnych nie można obliczyć na podstawie krawędzi obrazu. Taka obliczona wartość współczynnika proporcji nie byłaby całkowicie błędna, ale nie można jej również uznać za ogólny współczynnik proporcji pikseli w jakimkolwiek konkretnym systemie wideo. Stosowanie takich wartości byłoby ograniczone tylko do określonych przypadków.

Nowoczesne standardy i praktyki

W nowoczesnych systemach obrazowania cyfrowego i telewizorach o wysokiej rozdzielczości , zwłaszcza tych, które są zgodne ze standardami i praktykami SMPTE, do transmisji i wyświetlania używane są tylko kwadratowe piksele. Jednak niektóre formaty (np. HDV , DVCPRO HD ) wykorzystują wewnętrznie niekwadratowe piksele do przechowywania obrazu, jako sposób na zmniejszenie ilości danych, które muszą być przetwarzane, ograniczając w ten sposób niezbędne szybkości przesyłania i zachowując zgodność z istniejącymi interfejsami.

Problemy z niekwadratowymi pikselami

Bezpośrednie mapowanie obrazu z określonym współczynnikiem proporcji pikseli na urządzeniu, którego współczynnik proporcji jest inny, powoduje, że obraz wygląda nienaturalnie rozciągnięty lub zgnieciony w kierunku poziomym lub pionowym. Na przykład okrąg wygenerowany dla monitora komputerowego z kwadratowymi pikselami wygląda jak pionowa elipsa na telewizorze NTSC o standardowej rozdzielczości, który wykorzystuje pionowo prostokątne piksele. Ten problem jest bardziej widoczny w telewizorach szerokoekranowych.

Proporcje pikseli muszą być brane pod uwagę w przypadku programów do edycji wideo, które edytują pliki wideo z pikselami niekwadratowymi, zwłaszcza podczas mieszania klipów wideo o różnych proporcjach pikseli. Miałoby to miejsce w przypadku tworzenia montażu wideo z różnych kamer pracujących w różnych standardach wideo (sytuacja stosunkowo rzadka). Programy do efektów specjalnych muszą również uwzględniać proporcje pikseli, ponieważ niektóre efekty specjalne wymagają obliczenia odległości od określonego punktu, aby wyglądały poprawnie. Przykładem takich efektów może być rozmycie promieniowe, rozmycie w ruchu, a nawet zwykły obrót obrazu.

Zastosowanie współczynnika proporcji pikseli

Wartość współczynnika proporcji pikseli jest używana głównie w oprogramowaniu do cyfrowego wideo, w którym filmy muszą zostać przekonwertowane lub odnowione w celu użycia innych systemów wideo niż oryginalne. Odtwarzacz wideo oprogramowanie może wykorzystywać proporcje pikseli właściwie czynią cyfrowego obrazu na ekranie. Oprogramowanie do edycji wideo używa współczynnika 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. 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 itd. Miały piksele niekwadratowe.

Zamieszanie ze współczynnikiem proporcji ekranu

DVD Flick 1.3.0.7: Przykład programu komputerowego, który ma błędnie oznaczony 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 telewizorach o standardowej rozdzielczości, istnieją dwa rodzaje takich współczynników kształtu: współczynnik kształtu ( SAR ) i współczynnik kształtu obrazu (w skrócie DAR , znany również jako współczynnik kształtu obrazu i współczynnik kształtu obrazu ). Zwróć uwagę na ponowne użycie skrótu PAR . W tym artykule są używane tylko terminy proporcje pikseli i proporcje wyświetlania, aby uniknąć niejednoznaczności.

Współczynnik proporcji pamięci to stosunek szerokości obrazu do wysokości w pikselach i można go łatwo obliczyć na podstawie pliku wideo. Współczynnik proporcji wyświetlacza to stosunek szerokości do wysokości obrazu (w jednostce długości, takiej jak centymetry lub cale) wyświetlanego na ekranie i jest obliczany na podstawie kombinacji współczynnika proporcji pikseli i współczynnika kształtu 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 pliku wideo, przedstawiając mu opcję „4: 3” i „16: 9”. Czasami te opcje to „PAL 4: 3”, „NTSC 4: 3”, „PAL 16: 9” i „NTSC 16: 9”. W takich sytuacjach program do edycji wideo niejawnie pyta o proporcje pikseli pliku wideo, prosząc o informacje o systemie wideo, z którego pochodzi plik wideo. Następnie program używa tabeli (podobnej do poniższej), aby określić prawidłową wartość współczynnika proporcji pikseli.

Ogólnie rzecz biorąc, aby uniknąć nieporozumień, można założyć, że produkty do edycji wideo nigdy nie proszą o współczynnik proporcji pamięci, ponieważ mogą go bezpośrednio pobrać lub obliczyć. Aplikacje obsługujące piksele niekwadratowe muszą również prosić o podanie współczynnika proporcji piksela lub współczynnika proporcji wyświetlania, z których jeden może obliczyć drugi.

Proporcje pikseli w popularnych formatach wideo

Wartości współczynnika proporcji pikseli dla popularnych formatów wideo w standardowej rozdzielczości podano poniżej. Zwróć uwagę, że w przypadku formatów wideo PAL wymienione są dwa różne typy współczynników proporcji pikseli:

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

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

Bibliografia

Główne źródła

• Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny - Sektor Radiokomunikacji (ITU-R) (styczeń 2007). „Zalecenie BT.601-6: Parametry kodowania studyjnego telewizji cyfrowej dla standardowego formatu 4: 3 i szerokiego ekranu 16: 9” . Księgarnia internetowa ITU . Źródło 1 października 2008 r .
  Począwszy od daty odzyskania, bezpłatne członkostwo w ITU Online Bookstore umożliwiłoby bezpłatne pobranie do trzech Zaleceń ITU-R.
• Stowarzyszenie Consumer Electronics Association (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 r .
  • Ten standard, który jest podstawą HDMI , określa 16:15 (1,0666) jako proporcje pikseli 4: 3 576i / p i 8: 9 (0,888) jako proporcje pikseli 4: 3 480i / p.
• Pirazzi, Chris. „Piksele kwadratowe i niekwadratowe” . Źródło 1 października 2008 r .
• Pirazzi, Chris. „Przewodnik programisty po systemach wideo” . Źródło 1 października 2008 r .
• Poynton, Charles (2002). Cyfrowe wideo i HDTV: algorytmy i interfejsy . San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers. ISBN   1-55860-792-7 .
• Europejska Unia Nadawców (1999). „Zalecenie techniczne EBU R92-1999: Aktywny obszar obrazu i centrowanie obrazu w analogowych i cyfrowych systemach telewizyjnych 625/50” (PDF) . Źródło 12 czerwca 2011 r .

Dodatkowe źródła

• Zawiera oprogramowanie Adobe. „Aspect Ratios (-> Common Pixel Aspect Ratios)” . Dokumentacje Adobe Premiere Pro CS4 . Źródło 25 stycznia 2009 r .
  • Wersja PDF dokumentacji Adobe Premiere Pro CS4 jest również dostępna w witrynie internetowej firmy Adobe .
  • To źródło określa 12:11 (1,09) jako proporcje pikseli 576i.
• Zawiera oprogramowanie Adobe. „Proporcje pikseli i proporcje klatki (-> Wspólne proporcje pikseli)” . Dokumentacje Adobe After Effect CS4 . Źródło 25 stycznia 2009 r .
  • Wersja PDF dokumentacji Adobe After Effects CS4 jest również dostępna w witrynie internetowej firmy Adobe .
  • To źródło określa 12:11 (1,09) jako proporcje pikseli 576i.
• Jukka Aho. „Krótki przewodnik po konwersji rozdzielczości i proporcji obrazu cyfrowego” . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 16 sierpnia 2014 r . Źródło 25 stycznia 2009 r .
  • To źródło oblicza różne wartości współczynnika proporcji pikseli dla obrazów 480i i 576i.
• Brat Jan. „Znaczenie ITU-R BT.601 dla PAR (przetłumaczone z języka niemieckiego)” . Źródło 26 listopada 2010 r .
  • Dogłębna analiza rozbieżności w proporcjach pikseli podanych w różnych specyfikacjach.
  • Creative Commons Attribution, Noncommercial-Share Alike 3.0 Germany (CC by-sa)
  • Tłumaczenie na język angielski: [1]

Uwagi

Linki zewnętrzne

• Kwasowy test współczynnika proporcji pikseli
• Kalkulator pikseli