Сколько К нам нужно?

Чтобы разобраться в современных форматах и качестве изображения, имеет смысл обратиться к истории и понять, откуда что пошло. На заре отечественного телевидения в нашей стране в годы Великой Отечественной войны был разработан вещательный стандарт разложения черно-белого (ч/б) телевизионного изображения с соотношением сторон кадра 4:3 с чересстрочной разверткой 625 строк на 25 кадров в секунду, причем кадр разбивался на два поля. В первом передавались нечетные строки, а во втором – четные, 50 полей в секунду. Этот формат распространился на всю Европу и существует до сих пор. Со временем он приобрел цвет и называется теперь телевидением стандартной четкости. Первые телевизоры синхронизировались от сети – именно от этого зависела частота полей. Поэтому в США и Японии был альтернативный формат стандартной четкости – 525 строк на 30 кадров (60 полей) в секунду. При разработке цветного телевидения был важен принцип совместимости, чтобы на ч/б телевизорах можно было видеть передачи цветного ТВ, а на цветном телевизоре ч/б передачи шли без заметных помех. Для цветного вещания во всем мире применялись три варианта цветопередачи – NTSC, PAL и SECAM. То есть был принят следующий способ получения цветного изображения: чтобы не расширять полосу частот существовавших каналов, передавался сигнал яркости и цветоразностные сигналы на поднесущих частотах с различной модуляцией – квадратурной (NTSC, PAL) или частотной (SECAM). Для уменьшения заметности структуры поднесущей на ч/б телевизорах в Америке и Японии кадровая частота была незначительно уменьшена (до 29,97 к/с). 

Распространение разных систем по миру

В середине 80-х годов началось распространение персональных компьютеров с цветными дисплеями и собственными форматами построчного разложения кадра. Одним из наиболее распространенных был 640 пикселей в 480 строках при прогрессивной развертке, то есть без деления на поля. Естественно, первые видеоролики в интернете были адаптированы под этот формат. Когда компьютерные технологии буквально ворвались в телевизионную и киноиндустрию, возникла необходимость формализации стандартов. Так, при участи Марка Кривошеева (почетный председатель международной вещательной исследовательской комиссии ИК-6 МСЭ-Р, главный научный сотрудник НИИ радио и ТВ) был внедрен формат стандартной телевизионной четкости 720 пикселей в 576 активных строках, так как из 625 строк 49 приходились на импульс гашения обратного хода электронного луча. 

В кинопрокате, как все знают, главным образом использовалась кинопленка шириной 35 мм и разрешающей способностью 110-130 линий на миллиметр. Нетрудно подсчитать, что это составляет примерно 4000 точек по горизонтали кадра. В широкоформатных кинотеатрах применялась 70-мм пленка, соответственно, 8000 точек по горизонтали кадра. К середине 90-х годов оказалось, что некоторые эффекты комбинированных съемок проще и дешевле смоделировать на компьютере. Например, часть сцен Ашхабадского землетрясения для полноэкранного художественного фильма «Ночь желтого быка (Дети землетрясения)» Мурада Алиева была выполнена на компьютере. Секунда компьютерной графики для кино по тем временам стоила очень дорого, но строительство макета города для его разрушения могло обойтись еще дороже и не давало права на повторный дубль. Так что формат 4К, где К=1024 пикселям в строке, зародился еще в прошлом веке.

В цифровом кинопроизводстве существуют различные стандарты соотношения сторон экрана. Разрешению 4K соответствует несколько размеров изображения в пикселях:
 

Стандарты цифрового кино
Стандарт	Разрешение, пикселей	Соотношение сторон	Всего пикселей
Полнокадровый 4K	4096 × 3112	1,32:1	12 746 752
Академический 4K	3656 × 2664	1,37:1	9 739 584
Широкоэкранный 4K	4096 × 1714	2,39:1	7 020 544
Full 4K	4096 x 2160	1,89:1	8 847 360
Кашетированный 4K	3996 × 2160	1,85:1	8 631 360
Ultra HD 4K	3840 × 2160	16:9 (1,78:1)	8 294 400

В кино применяется прогрессивная развертка с частотой 24 к/с (или кратной ей) при разрешении от 2К (2048 пикселей в строке) до 8К (8192 пикселя в строке). Соответственно, разрешение 4K превосходит стандарт 2K приблизительно вдвое по каждой стороне кадра, а 8К во столько же 4К.

Вопрос об улучшении качества телевизионного вещания путем увеличения четкости изображения был поднят Японией еще в 1972 году. Работы по выработке единых международных стандартов телевидения высокой четкости (ТВЧ) растянулись более чем на 20 лет. Споры по поводу единой кадровой частоты идут до сих пор. 

Тем временем технологии производства активно менялись. По мере удешевления электронных носителей информации стало не выгодным пленочное производство кинофильмов. Практически одновременно компьютерные технологии вытеснили видеоленту. В результате мы получили множество форматов оцифровки изображения, а заодно и звука. Вот примерный перечень наиболее распространенных форматов для кино и телевидения ультра-, сверх-, высокой и стандартной четкости: 8К, 4К, 3К, 2К; 1080/60р, 1080/50р, 1080/60i, 1080/50i, 1080/30p, 1080/25p, 1080/24p; 720/60p, 720/50p, 720/30p, 720/25p, 720/24p; 576/50i, 576/25p, 480/60i, 480/30p, 480/24p. Здесь буквой «p» (progressive) обозначается прогрессивная развертка без разделения на поля, а «i» (interlace) означает, что кадр разбивается на поля, то есть чересстрочную развертку. 

Почему так много форматов? Просто производители оборудования проявили гибкость и предоставили заказчикам самим решать, в каком стандарте работать. А большинство камер и мониторов выпускаются мультиформатными. Например, мониторы 4К поддерживают практически все более низкие разрешения. Кстати, при переходе от стандартного телевещания к ТВЧ самым сложным является не разрешающая способность, а изменение соотношения сторон кадра с 4:3 на 16:9. Зрителей сильно раздражает либо наличие черных полос на экране, либо растянутое изображение. 

Потоки информации несжатого изображения весьма велики. При разрешении 1920 на 1080 и прогрессивной развертке 50 Гц скорость потока составляет 3 Гб/с, а для 4К, соответственно, 12 Гб/с. Такие потоки непросто передать даже по кабелю. Для трансляции некомпрессированого сигнала 4К в производстве используются: 

Но для передачи по реальным каналам связи потребителям требуется сжатие информации без существенного ухудшения качества и помехозащищенности. Поэтому на множество форматов оцифровки накладывается множество вариантов сжатия информации. Недавно Международный союз электросвязи (ITU) утвердил стандарт сжатия видео H.265 или HEVC (High Efficiency Video Coding — высокоэффективное кодирование видеосигнала), сжимающий цифровой поток более чем в 450 раз. H.265, наверняка, придет на смену кодеку H.264, который, по данным ITU, сейчас используется в 80% видеороликов, опубликованных в интернете. Новый кодек позволяет передавать видео со вдвое меньшим битрейтом, чем его предшественник, без заметного ухудшения качества. Для просмотра 4K-видео, закодированного в H.265, будет достаточно интернет-соединения со скоростью 20-30 Мб/с. ‎Рекомендация стандарта разработана в связи с растущей потребностью в ‎более высокой степени сжатия движущихся ‎изображений для самых разных ‎приложений, таких как потоковая передача в ‎интернете, передача данных, видеоконференция, ‎цифровые запоминающие устройства и телевизионное вещание. Поддерживаются форматы кадра до 8K (UHDTV) с разрешением 8192 на 4320 пикселей.

4К телевизор

Раньше казалось, что для малых форм экранов не нужно высокое разрешение. Жизнь это мнение опровергла. Сейчас смартфоны и планшетные компьютеры комплектуются и 2К дисплеями, и даже 4К. Если вы сравните картинку на дисплее 4К с обычным экраном того же размера, разница будет заметна невооруженным глазом, несмотря на мнение экспертов о том, что человеческий глаз такую разницу воспринимать не может. Утверждается, что при плотности экрана свыше 300 пикселей на дюйм (ppi) человек не замечает пиксельной структуры, и дальнейшее увеличение плотности смысла не имеет. Сейчас выпускаются 5-дюймовые дисплеи с плотностью 550 ppi, а в топ-моделях до 800 ppi. Возможно, и это еще не предел. Нечто подобное мы уже проходили – когда-то утверждалось, что при частоте 50 Гц мерцания не заметны человеческому глазу, а позже выяснилось, что мониторы с частотой кадровой развертки менее 100 Гц вредны для здоровья. На самом деле, обновление кадров на современных телевизорах происходит с частотой от 400 до 800 Гц. Аналогично со звуком. Вроде считается, что порог слышимости человеческого уха составляет 20 КГц, однако частоты семплирования 48 КГц не достаточно для пост-обработки звука, систем распознавания речи и т.д. Применяют и 96 КГц, и 144 КГц. (По теореме Котельникова частота дискретизации аналогового сигнала для передачи по цифровому каналу без потерь должна вдвое превышать верхнюю границу частотного диапазона аналогового сигнала).

Но зачем нужно разрешение 4К на смартфоне? Дело в том, что «умный» телефон по сути своей является карманным персональным компьютером, на котором можно не только делать звонки и видеозвонки, но и снимать фото/видео, смотреть кино, играть в компьютерные игры, пользоваться интернетом и т.п. Это оправдывает появление 4К на таких устройствах. Только ли это маркетинговый ход, как утверждают те же эксперты? Повторим: смотрите сами, если не замечаете разницы, то 4К вам ни к чему. 

Однако приведем еще несколько соображений в пользу 4К:

Еще один совет тем, кто сомневается, нужен ли 4К телевизор в домашних условиях: сейчас аппараты 4К разного размера есть в продаже, а на выставках появились и устройства с 8К – посмотрите на их картинку. Лучше один раз увидеть, чем сто раз объяснять преимущества и недостатки. Странно слышать рассуждения о том, что в комнате телевизор 4К не будет давать существенно новое качество изображения. Проверено личным опытом: на 65-дюймовом телевизоре 8К с вогнутым экраном возникает эффект присутствия, никакого 3D не надо. Одна из стен становится окном в мир. 

NHK на выставке NAB Show 2015

Японская вещательная компания NHK на выставке NAB Show 2015 демонстрировала в специальном зале 350-дюймовый экран 8K с объемным звуковым сопровождением (22.2 канала). Разработчики всерьез рассматривают перспективу и возможность формирования изображения 16К. Пока сложно представить, чем 16К будет отличаться от 8К, но подсчитано, что разрешение 8К позволяет создавать большие экраны до 11 метров по диагонали. В больших панорамных кинотеатрах или на стадионах могут понадобиться цифровые экраны и большего размера, возможно, и большего разрешения.

В Японии уже ведется тестовое вещание в формате 8К, а в апреле оно должно стать регулярным. Фирма Ikegami уже создала вещательную ПТС 8К, и олимпийские игры из Рио-де-Жанейро на Японию будут транслироваться NHK в прямом эфире в формате 8К. А как с контентом 4К в нашей стране? Исходя из вышеизложенного, художественные фильмы ведущих киностудий соответствуют формату 4К и выше. Вопрос только в качестве оцифровки. В некоторых российских online-кинотеатрах уже идут трансляции фильмов в формате Ultra HD 4K. На зимних олимпийских играх в Сочи в 2014 году впервые в истории олимпийских телетрансляций съемка была осуществлена в формате 4К. Операторы спутникового телевидения «Триколор ТВ» и «НТВ+» тестируют вещание 4К-каналов, причем «НТВ+» уже организует прямые спортивные трансляции в этом формате. Ну а по спутниковому ресиверу можно смотреть европейские 4К-каналы.

Мы намеренно не касались здесь темы камер, об этом уже немало написано. Можно лишь подытожить и признать очевидный факт – производство в 4К существенно улучшает изображение и дает запас по качеству для трансляций ТВЧ (Full HD).