Соотношение сторон пикселя

Соотношение между шириной и высотой пикселя

Соотношение сторон пикселя 1:1

Соотношение сторон пикселя 2:1

Соотношение сторон пикселя (часто сокращенно PAR ) — это математическое отношение , описывающее соотношение ширины пикселя в цифровом изображении к высоте этого пикселя.

Большинство цифровых систем формирования изображений отображают изображение как сетку из маленьких квадратных пикселей. Однако некоторые системы формирования изображений, особенно те, которые должны быть совместимы с телевизионными фильмами стандартной четкости , отображают изображение как сетку из прямоугольных пикселей, в которых ширина и высота пикселя различны. Соотношение сторон пикселя описывает это различие.

Использование пиксельного соотношения сторон в основном касается изображений, относящихся к телевидению стандартной четкости и некоторым другим исключительным случаям. Большинство других систем визуализации, включая те, которые соответствуют стандартам и практикам SMPTE , используют квадратные пиксели.

PAR также известен как соотношение сторон образца и сокращенно SAR , хотя его можно спутать с соотношением сторон хранилища .

Введение

Отношение ширины к высоте изображения известно как соотношение сторон , или, точнее, соотношение сторон дисплея (DAR) — соотношение сторон изображения , отображаемого на экране; для телевизоров DAR традиционно было 4:3 (он же полноэкранный), а 16:9 (он же широкоэкранный) теперь является стандартом для HDTV. В цифровых изображениях существует различие с соотношением сторон хранилища (SAR), которое является соотношением размеров пикселей . Если изображение отображается с квадратными пикселями, то эти соотношения согласуются; если нет, то используются неквадратные, «прямоугольные» пиксели, и эти соотношения не согласуются. Соотношение сторон самих пикселей известно как соотношение сторон пикселя (PAR) — для квадратных пикселей это 1:1 — и они связаны тождеством:

Перестановка (решение для PAR) дает:

Например:

• Изображение VGA размером 640 × 480 имеет SAR 640/480 = 4:3, а при отображении на дисплее формата 4:3 (DAR = 4:3) имеет квадратные пиксели, следовательно, PAR составляет 1:1.
• Напротив, изображение 720 × 576 D-1 PAL имеет SAR 720/576 = 5:4, но при отображении на дисплее 4:3 (DAR = 4:3) PAR составляет 4/3 : 5/4 = 16:15 ≈ 1,066. Это означает, что пиксели изображения PAL должны быть «растянуты» на эту величину, чтобы поместиться на дисплее 4:3.

В аналоговых изображениях, таких как кинопленка, нет понятия пикселя, SAR или PAR, но при оцифровке аналоговых изображений результирующее цифровое изображение имеет пиксели, следовательно, SAR (и, соответственно, PAR, если отображается с тем же соотношением сторон, что и оригинал).

Неквадратные пиксели часто возникают в ранних стандартах цифрового телевидения, связанных с оцифровкой аналоговых телевизионных сигналов – чьи вертикальные и «эффективные» горизонтальные разрешения различаются и поэтому лучше всего описываются неквадратными пикселями – а также в некоторых цифровых видеокамерах и режимах отображения компьютеров , таких как адаптер цветной графики (CGA). Сегодня они возникают также при перекодировании между разрешениями с различными SAR.

Реальные дисплеи, как правило, не имеют неквадратных пикселей, хотя цифровые датчики могут их иметь; они представляют собой математическую абстракцию, используемую при передискретизации изображений для преобразования разрешений.

Существует несколько факторов, усложняющих понимание PAR, особенно в части оцифровки аналогового видео:

• Во-первых, аналоговое видео не имеет пикселей, а скорее растровой развертки , и, таким образом, имеет четко определенное вертикальное разрешение (строки растра), но не четко определенное горизонтальное разрешение, поскольку каждая строка представляет собой аналоговый сигнал. Однако, с помощью стандартизированной частоты дискретизации, эффективное горизонтальное разрешение может быть определено теоремой дискретизации , как это сделано ниже.
• Во-вторых, из-за пересканирования некоторые строки вверху и внизу растра не видны, как и часть возможного изображения слева и справа – см. Пересканирование: проблемы аналогово-цифрового разрешения . Кроме того, разрешение может быть округлено (DV NTSC использует 480 строк, а не 486 возможных).
• В-третьих, аналоговые видеосигналы чересстрочные – каждое изображение (кадр) отправляется как два «поля», каждое с половиной строк. Таким образом, либо пиксели становятся в два раза выше, чем они были бы без чересстрочной развертки, либо изображение деинтерлейсируется.

Фон

Видео представлено в виде последовательной серии изображений, называемых видеокадрами. Исторически видеокадры создавались и записывались в аналоговой форме. Поскольку цифровая технология отображения, технология цифрового вещания и цифровое сжатие видео развивались отдельно, это привело к различиям в видеокадрах, которые необходимо решать с помощью соотношения сторон пикселя. Цифровые видеокадры обычно определяются как сетка пикселей, используемая для представления каждого последовательного изображения. Горизонтальный компонент определяется пикселями (или выборками) и называется видеолинией. Вертикальный компонент определяется количеством строк, например, 480 строк.

Стандарты и практики телевидения стандартной четкости были разработаны как технологии вещания и предназначались для наземного вещания, и поэтому не были предназначены для представления цифрового видео. Такие стандарты определяют изображение как массив четко определенных горизонтальных « Линий », четко определенной вертикальной « Длительности линии » и четко определенного центра изображения. Однако не существует стандарта телевидения стандартной четкости, который правильно определяет края изображения или явно требует определенного количества элементов изображения на строку. Кроме того, аналоговые видеосистемы, такие как NTSC 480i и PAL 576i , вместо использования прогрессивно отображаемых кадров используют поля или чересстрочные полукадры, отображаемые переплетенным образом, чтобы уменьшить мерцание и удвоить частоту изображения для более плавного движения.

Аналого-цифровое преобразование

В результате того, что компьютеры стали достаточно мощными, чтобы служить инструментами для редактирования видео , были созданы цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи для преодоления этой несовместимости. Для преобразования аналоговых видеострок в ряд квадратных пикселей в отрасли была принята частота дискретизации по умолчанию, при которой значения яркости извлекались в пиксели. Частота дискретизации яркости для изображений 480i составляла 12+3 ⁄ 11  МГц, а для изображений 576i было 14+3 ⁄ 4  МГц.

Термин «соотношение сторон пикселя» впервые был введен в обращение, когда в документе ITU-R BT.601 (широко известном как Rec. 601 ) было указано, что телевизионные изображения стандартной четкости состоят из строк, состоящих ровно из 720 неквадратных пикселей. В документе ITU-R BT.601 не определено точное соотношение сторон пикселя, но предоставлено достаточно информации для расчета точного соотношения сторон пикселя на основе отраслевой практики: стандартная частота дискретизации яркости составляет ровно 13+1 ⁄ 2  МГц. На основе этой информации:

• Соотношение сторон пикселя для 480i будет 10:11, так как:

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

• Соотношение сторон пикселя для 576i будет 59:54, так как:

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

SMPTE RP 187 далее попытался стандартизировать значения соотношения сторон пикселя для 480i и 576i . Он обозначил 177:160 для 480i или 1035:1132 для 576i . Однако из-за существенной разницы с практикой, действующей в отрасли, и вычислительной нагрузки, которую они налагали на задействованное оборудование, SMPTE RP 187 был просто проигнорирован. Информационное приложение A.4 к SMPTE RP 187 далее предлагало использовать 10:11 для 480i .

На момент написания этой статьи ITU-R BT.601-6, являющийся последней редакцией ITU-R BT.601, по-прежнему подразумевает, что упомянутые выше соотношения сторон пикселей являются правильными.

Цифровая обработка видео

Как указано выше, ITU-R BT.601 определил, что телевизионные изображения стандартной четкости состоят из строк из 720 неквадратных пикселей, отобранных с точно заданной частотой дискретизации. Простой математический расчет показывает, что ширина в 704 пикселя будет достаточной для размещения стандартного изображения 4:3 480i или 576i :

• Изображение с соотношением сторон 4:3 и 480 строками, оцифрованное с рекомендуемой Rec. 601 частотой дискретизации, будет иметь ширину 704 неквадратных пикселя.

  ${\displaystyle {\frac {x}{480}}\times {\frac {10}{11}}={\frac {4}{3}}\Rightarrow x={\frac {480\times 11\times 4}{10\times 3}}=704}$

• Изображение с соотношением сторон 4:3 и 576 строками, оцифрованное с рекомендуемой Rec. 601 частотой дискретизации, будет иметь ширину 702,915254 неквадратных пикселей.

  ${\displaystyle {\frac {x}{576}}\times {\frac {59}{54}}={\frac {4}{3}}\Rightarrow x={\frac {576\times 54\times 4}{59\times 3}}\approx 702.915254}$

К сожалению, не все стандартные телевизионные изображения имеют точное соотношение 4:3: как упоминалось ранее, в аналоговом видео центр изображения четко определен, но края изображения не стандартизированы. В результате некоторые аналоговые устройства (в основном устройства PAL, но также и некоторые устройства NTSC) генерировали движущиеся изображения, которые были (немного) шире по горизонтали. Это также пропорционально относится к анаморфным широкоэкранным (16:9) изображениям. Поэтому для поддержания безопасного предела погрешности ITU-R BT.601 требовал выборки на 16 больше неквадратных пикселей на строку (больше на 8 на каждом краю), чтобы гарантировать сохранение всех видеоданных вблизи краев.

Однако это требование имело последствия для фильмов PAL. Соотношения сторон пикселей PAL для стандартного (4:3) и анаморфного широкого экрана (16:9), соответственно 59:54 и 118:81, были неудобны для цифровой обработки изображений, особенно для смешивания видеоклипов PAL и NTSC. Поэтому продукты для редактирования видео выбрали почти эквивалентные значения, соответственно 12:11 и 16:11, которые были более элегантными и могли создавать цифровые изображения PAL шириной ровно 704 пикселя, как показано на рисунке:

• Для PAL 4:3:

  ${\displaystyle {\frac {4}{3}}\div {\frac {704}{576}}=\color {blue}{\frac {12}{11}}}$

• Для PAL 16:9:

  ${\displaystyle {\frac {16}{9}}\div {\frac {704}{576}}=\color {blue}{\frac {16}{11}}}$

Несоответствие в определенных значениях соотношения сторон пикселя

В Интернете и других печатных СМИ часто встречаются многочисленные источники, которые вводят различные и совершенно несовместимые значения в качестве соотношений сторон пикселей различных видеоизображений и видеосистем. (См. раздел «Дополнительные источники».)

Чтобы нейтрально оценить точность и/или осуществимость этих источников, обратите внимание, что поскольку цифровое кино было изобретено спустя годы после традиционного кино, все видеоизображения, предназначенные для телевидения стандартной четкости и совместимых носителей, цифровых или иных, имеют (и должны иметь) характеристики, совместимые с телевидением стандартной четкости. Поэтому соотношение сторон пикселя цифрового видео должно рассчитываться на основе спецификаций обычного традиционного оборудования, а не спецификаций цифрового видео. В противном случае любое соотношение сторон пикселя, рассчитанное из цифрового видеоисточника, может использоваться только в определенных случаях для того же типа видеоисточников и не может рассматриваться/использоваться как общее соотношение сторон пикселя любой системы телевидения стандартной четкости.

Кроме того, в отличие от цифрового видео, которое имеет четко определенные края изображения, традиционные видеосистемы никогда не стандартизировали четко определенные края для изображения. Поэтому соотношение сторон пикселя обычных стандартных телевизионных систем не может быть рассчитано на основе краев изображений. Такое рассчитанное значение соотношения сторон не будет полностью неверным, но и не может рассматриваться как общее соотношение сторон пикселя любой конкретной видеосистемы. Использование таких значений будет ограничено только определенными случаями.

Современные стандарты и практики

В современных цифровых системах обработки изображений и телевизорах высокой четкости , особенно тех, которые соответствуют стандартам и практикам SMPTE, для трансляции и отображения используются только квадратные пиксели. Однако некоторые форматы (например, HDV , DVCPRO HD ) используют неквадратные пиксели внутри для хранения изображений, как способ уменьшить объем данных, которые необходимо обработать, тем самым ограничивая необходимую скорость передачи и сохраняя совместимость с существующими интерфейсами.

Проблемы неквадратных пикселей

Прямое отображение изображения с определенным соотношением сторон пикселя на устройстве, соотношение сторон пикселя которого отличается, делает изображение неестественно растянутым или сжатым как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Например, круг, созданный для компьютерного дисплея с квадратными пикселями, выглядит как вертикальный эллипс на телевизоре NTSC стандартной четкости, который использует вертикально прямоугольные пиксели. Эта проблема более очевидна на широкоэкранных телевизорах.

Соотношение сторон пикселя должно учитываться программными продуктами для редактирования видео, которые редактируют видеофайлы с неквадратными пикселями, особенно при смешивании видеоклипов с разными соотношениями сторон пикселя. Это может иметь место при создании видеомонтажа с разных камер, использующих разные видеостандарты (относительно редкая ситуация). Программные продукты для создания спецэффектов также должны учитывать соотношение сторон пикселя, поскольку некоторые спецэффекты требуют расчета расстояний от определенной точки, чтобы они выглядели визуально правильно. Примером таких эффектов может служить радиальное размытие, размытие движения или даже простое вращение изображения.

Использование пиксельного соотношения сторон

Значение соотношения сторон пикселя используется в основном в программном обеспечении для цифрового видео, где движущиеся изображения должны быть преобразованы или восстановлены для использования видеосистем, отличных от оригинала. Программное обеспечение видеоплеера может использовать соотношение сторон пикселя для правильного отображения цифрового видео на экране. Программное обеспечение для редактирования видео использует соотношение сторон пикселя для правильного масштабирования и отображения видео в новом формате.

Поддержка соотношения сторон пикселя также требуется для отображения без искажений устаревших цифровых изображений из компьютерных стандартов и видеоигр, которые существовали в 80-х годах. В том поколении производство квадратных пикселей было слишком дорогим, поэтому машины и видеокарты, такие как SNES , CGA , EGA , Hercules , C64 , MSX , PC-88 , X68000 и т. д., имели неквадратные пиксели. ^[1]

Путаница с соотношением сторон дисплея

DVD Flick 1.3.0.7: пример компьютерной программы, которая ошибочно маркирует соотношение сторон изображения как соотношение сторон пикселя

Соотношение сторон пикселя часто путают с различными типами соотношений сторон изображения; соотношением ширины и высоты изображения. Из-за неквадратности пикселей в телевизорах стандартной четкости существует два типа таких соотношений сторон: соотношение сторон хранилища ( SAR ) и соотношение сторон дисплея (сокращенно DAR , также известное как соотношение сторон изображения и соотношение сторон картинки ). Кроме того, соотношение сторон пикселя ( PAR ) также известно как соотношение сторон образца (сокращенно SAR ) в некоторых промышленных стандартах (таких как H.264 ^[2] ) и выводе программ (таких как ffmpeg ^[3] ). Обратите внимание на повторное использование сокращений PAR и SAR . В этой статье используются только термины соотношение сторон пикселя, соотношение сторон дисплея и соотношение сторон хранилища, чтобы избежать двусмысленности.

Соотношение сторон хранилища — это отношение ширины изображения к высоте в пикселях, и его можно легко рассчитать по видеофайлу. Соотношение сторон дисплея — это отношение ширины изображения к высоте (в единицах длины, таких как сантиметры или дюймы) при отображении на экране, и рассчитывается из комбинации соотношения сторон пикселя и соотношения сторон хранилища.

Однако пользователи, которые знают определения этих понятий, также могут запутаться. Плохо созданные пользовательские интерфейсы или плохо написанная документация могут легко вызвать такую ​​путаницу: некоторые приложения для редактирования видео часто просят пользователей указать «соотношение сторон» для их видеофайла, предоставляя им или ей выбор «4:3» и «16:9». Иногда эти варианты могут быть «PAL 4:3», «NTSC 4:3», «PAL 16:9» и «NTSC 16:9». В таких ситуациях программа редактирования видео неявно запрашивает соотношение сторон пикселя видеофайла, запрашивая информацию о видеосистеме, из которой был создан видеофайл. Затем программа использует таблицу (похожую на приведенную ниже) для определения правильного значения соотношения сторон пикселя.

В общем, чтобы избежать путаницы, можно предположить, что продукты для редактирования видео никогда не запрашивают соотношение сторон хранилища, поскольку они могут напрямую извлечь или вычислить его. Приложения, не поддерживающие квадратные пиксели, также должны запрашивать только соотношение сторон пикселя или соотношение сторон дисплея, из любого из которых они могут вычислить другое.

Соотношения сторон пикселей распространенных видеоформатов

Ниже приведены значения пропорций пикселей для распространенных видеоформатов стандартной четкости. Обратите внимание, что для видеоформатов PAL перечислены два различных типа значений пропорций пикселей:

1. Rec.601 — значение, соответствующее стандарту Rec.601, которое считается реальным соотношением сторон пикселя видео стандартной четкости данного типа.
2. Цифровой , который примерно эквивалентен Rec.601 и больше подходит для использования в программном обеспечении для цифрового видеомонтажа.

Обратите внимание, что источники различаются по PAR для распространенных форматов — например, 576 строк (PAL), отображаемых в формате 4:3 (DAR), соответствуют либо PAR 12:11 (если 704×576, SAR = 11:9), либо PAR 16:15 (если 720×576, SAR = 5:4). См. ссылки на источники, дающие оба значения, и SDTV: Разрешение для таблицы соотношений сторон памяти, дисплея и пикселей. Также обратите внимание, что у телевизоров с ЭЛТ нет пикселей, а есть строки развертки.

1. SAR = DAR : PAR = 4/3 : 59/54 = 72/59 (Но все еще не объяснено, почему 704 × 576 может иметь два соотношения сторон хранилища: 11:9 и 72:59)
2. SAR = DAR: PAR = 16/9: 118/81 = 72/59 

Ссылки

Основные источники

• Международный союз электросвязи - Сектор радиосвязи (МСЭ-Р) (январь 2007 г.). "Рекомендация BT.601-6: Параметры студийного кодирования цифрового телевидения для стандартных 4:3 и широкоэкранных 16:9 форматов изображения". Интернет-магазин МСЭ . Получено 1 октября 2008 г.
  На дату загрузки бесплатное членство в интернет-магазине книг МСЭ позволит бесплатно загрузить до трех Рекомендаций МСЭ-R.
• Ассоциация производителей бытовой электроники (март 2008 г.). "Стандарт CEA CEA-861-E: Профиль DTV для высокоскоростных цифровых интерфейсов без сжатия". Архивировано из оригинала 7 ноября 2011 г. Получено 1 сентября 2009 г.
  • Этот стандарт, который является основой для HDMI , определяет соотношение сторон пикселя 16:15 (1,0666) для 4:3 576i/p и соотношение сторон пикселя 8:9 (0,888) для 4:3 480i/p.
• Пирацци, Крис. "Квадратные и неквадратные пиксели" . Получено 1 октября 2008 г.
• Пирацци, Крис. "Руководство программиста по видеосистемам" . Получено 1 октября 2008 г.
• Пойнтон, Чарльз (2002). Цифровое видео и HDTV: алгоритмы и интерфейсы . Сан-Франциско: Morgan Kaufmann Publishers. ISBN 1-55860-792-7.
• Европейский вещательный союз (1999). "Техническая рекомендация EBU R92-1999: Активная область изображения и центрирование изображения в аналоговых и цифровых телевизионных системах 625/50" (PDF) . Получено 12 июня 2011 г.

Дополнительные источники

• Adobe Systems Incorporated. "Соотношения сторон (-> Общие пиксельные соотношения сторон)". Документация Adobe Premiere Pro CS4 . Получено 25 января 2009 г.
  • PDF-версия документации Adobe Premiere Pro CS4 также доступна на веб-сайте Adobe .
  • В этом источнике указано соотношение сторон пикселя 576i 12:11 (1,09).
• Adobe Systems Incorporated. "Соотношение сторон пикселя и соотношение сторон кадра (-> Общие соотношения сторон пикселя)". Документация Adobe After Effect CS4 . Получено 25 января 2009 г.
  • PDF-версия документации Adobe After Effects CS4 также доступна на веб-сайте Adobe .
  • В этом источнике указано соотношение сторон пикселя 576i 12:11 (1,09).
• Юкка Ахо. "Краткое руководство по преобразованию разрешения и соотношения сторон цифрового видео". Архивировано из оригинала 16 августа 2014 г. Получено 25 января 2009 г.
  • Этот источник вычисляет различные значения соотношения сторон пикселей для изображений 480i и 576i.
• Брат Джон. "Значение ITU-R BT.601 для PAR (перевод с немецкого)" . Получено 26 ноября 2010 г.
  • Подробный анализ расхождений соотношений сторон пикселей, указанных в различных спецификациях.
  • Creative Commons Attribution, Некоммерческое использование-Share Alike 3.0 Германия (CC by-sa)
  • Перевод на английский: [1]

Примечания

1. "Частота тактовой частоты точек". pineight.com . Получено 2018-09-23 .
2. "Расширенное кодирование видео для общих аудиовизуальных услуг". стр. 25 (7) . Получено 2022-06-10 .
3. "ffprobe показывает PAR как SAR". ffmpeg.org . Получено 2022-06-10 .

Внешние ссылки

• Тест на соотношение сторон пикселя