Соотношение сторон пикселей

Пропорция между шириной и высотой пикселя

Соотношение сторон пикселей 1:1

Соотношение сторон пикселей 2:1

Соотношение сторон пикселя (часто сокращенно PAR ) — это математическое соотношение , которое описывает соотношение ширины пикселя цифрового изображения с высотой этого пикселя.

Большинство систем цифровой обработки изображений отображают изображение в виде сетки крошечных квадратных пикселей. Однако некоторые системы формирования изображений, особенно те, которые должны быть совместимы с телевизионными кинофильмами стандартной четкости , отображают изображение в виде сетки прямоугольных пикселей, в которой ширина и высота пикселей различны. Соотношение сторон пикселей описывает эту разницу.

Использование соотношения сторон пикселей в основном касается изображений, относящихся к телевидению стандартной четкости, а также в некоторых других исключительных случаях. Большинство других систем обработки изображений, в том числе тех, 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 отображаемого изображения ; для телевидения DAR традиционно был 4:3 (он же полноэкранный), а 16:9 (он же широкоэкранный) теперь является стандартом для HDTV. В цифровых изображениях существует различие с соотношением сторон изображения (SAR), которое представляет собой соотношение размеров пикселей . Если изображение отображается с квадратными пикселями, эти соотношения совпадают; если нет, то используются неквадратные, «прямоугольные» пиксели, и эти соотношения не совпадают. Соотношение сторон самих пикселей известно как соотношение сторон пикселей (PAR) — для квадратных пикселей оно составляет 1:1 — и они связаны тождеством:

Перестановка (решение PAR) дает:

Например:

• Изображение VGA 640 × 480 имеет SAR 640/480 = 4:3, а при отображении на дисплее 4:3 (DAR = 4:3) оно имеет квадратные пиксели, следовательно, PAR равно 1:1.
• Напротив, изображение D-1 PAL 720 × 576 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 с соотношением сторон 4:3.

В аналоговых изображениях, таких как пленка, нет ни понятия пикселя, ни понятия SAR или PAR, но при оцифровке аналоговых изображений результирующее цифровое изображение имеет пиксели, следовательно, SAR (и, соответственно, PAR, если оно отображается с тем же соотношением сторон, что и изображение). 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 компьютерных дисплеях . режимы , такие как адаптер цветной графики (CGA). Сегодня они возникают и при перекодировании между разрешениями с разными SAR.

Настоящие дисплеи обычно не имеют неквадратных пикселей, хотя цифровые датчики могут; они скорее являются математической абстракцией, используемой при повторной выборке изображений для преобразования между разрешениями.

Есть несколько усложняющих понимание PAR факторов, особенно когда речь идет о оцифровке аналогового видео:

• Во-первых, аналоговое видео имеет не пиксели, а растровую развертку и, следовательно, имеет четко определенное вертикальное разрешение (линии растра), но не четко определенное горизонтальное разрешение, поскольку каждая строка представляет собой аналоговый сигнал. Однако при стандартизированной частоте дискретизации эффективное разрешение по горизонтали можно определить по теореме о дискретизации , как это сделано ниже.
• Во-вторых, из-за переразвертки некоторые линии вверху и внизу растра не видны, как и некоторые возможные изображения слева и справа – см. Overscan: проблемы аналогово-цифрового разрешения . Также разрешение может быть округлено (DV NTSC использует 480 строк вместо возможных 486).
• В-третьих, аналоговые видеосигналы чересстрочные – каждое изображение (кадр) передается в виде двух «полей», каждое из которых содержит половину строк. Таким образом, либо пиксели в два раза выше, чем были бы без чересстрочной развертки, либо изображение подвергается деинтерлейсингу.

Фон

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

Стандарты и практика телевидения стандартной четкости были разработаны как технологии вещания и предназначались для наземного вещания и, следовательно, 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 телевизионного стандарта стандартной четкости, который бы правильно определял края изображения или явно требовал определенного количества элементов изображения в строке. Кроме того, аналоговые видеосистемы, такие как NTSC 480i и PAL 576i , вместо использования кадров с прогрессивным отображением используют поля или чересстрочные полукадры, отображаемые переплетающимся 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 преобразователи и аналого-цифровые преобразователи , чтобы преодолеть эту несовместимость. Чтобы преобразовать аналоговые видеолинии в последовательность квадратных пикселей, в отрасли принята частота дискретизации по умолчанию, при которой значения яркости извлекаются в пиксели. Частота дискретизации яркости для изображений 480i составляла 12+3/11 МГц  , а для 576i снимков было 14+3/4  МГц. _ _

Термин «соотношение сторон пикселя» был впервые придуман, когда ITU-R BT.601 (широко известный как Rec. 601 ) определил, что телевизионные изображения стандартной четкости состоят из строк, состоящих ровно из 720 неквадратных пикселей. ITU-R BT.601 не определил точное соотношение сторон пикселя, но предоставил достаточно информации для расчета точного соотношения сторон пикселя на основе отраслевой практики: стандартная частота дискретизации яркости составляет ровно 13.+1 ⁄ МГц  . На основании этой информации:

• Соотношение сторон пикселей для 480i будет 10:11 следующим образом:

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

• Соотношение сторон пикселей для 576i будет 59:54:

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

SMPTE RP 187 также предпринял попытку стандартизировать значения соотношения сторон пикселей для 480i и 576i . Оно обозначало 177:160 для 480i или 1035:1132 для 576i . Однако из-за существенных различий с отраслевыми практиками и вычислительной нагрузки, которую они налагали на задействованное оборудование, SMPTE RP 187 просто игнорировался. В информационном приложении A.4 SMPTE RP 187 далее предлагается использовать соотношение 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, в стандарте ITU-R BT.601 указано, что телевизионные изображения стандартной четкости состоят из строк по 720 неквадратных пикселей, дискретизация которых осуществляется с точно заданной частотой дискретизации. Простой математический расчет показывает, что ширины в 704 пикселя будет достаточно для размещения стандартного изображения 4:3 480i или 576i :

• Изображение формата 4:3 с разрешением 480 строк, оцифрованное с помощью Rec. Рекомендуемая частота дискретизации 601 — ширина 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 формата 4:3, 576 строк, оцифрованное с помощью Rec. Рекомендуемая частота дискретизации 601 составляет 702,915254 неквадратных пикселя в ширину.

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

К сожалению, не все стандартные телевизионные изображения имеют формат 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) создавали движущиеся изображения, которые были (немного) шире по горизонтали. Это также пропорционально относится и к анаморфотным широкоэкранным изображениям (16:9). Таким образом, чтобы поддерживать безопасный предел погрешности, ITU-R BT.601 требовал выборки еще 16 неквадратных пикселей на строку (еще 8 на каждом краю), чтобы гарантировать сохранение всех видеоданных вблизи полей.

Однако это требование имело последствия для кинофильмов PAL. Соотношение сторон пикселей PAL для стандартного (4:3) и анаморфотного широкого экрана (16:9), соответственно 59:54 и 118:81, было неудобно 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:

• Для PAL 4:3:

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

• Для PAL 16:9:

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

Несогласованность в определенных значениях соотношения сторон пикселей.

В Интернете и в различных других опубликованных средствах массовой информации обычно можно найти многочисленные источники, в которых представлены разные и крайне несовместимые значения, такие как соотношения сторон пикселей различных видеоизображений и видеосистем. (См. раздел «Дополнительные источники».)

Чтобы нейтрально судить о точности и/или осуществимости 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 имеют) характеристики, совместимые с телевидением стандартной четкости. Следовательно, соотношение сторон цифрового видео должно рассчитываться на основе характеристик обычного традиционного оборудования, а не на основе характеристик цифрового видео. В противном случае любое соотношение сторон пикселя, рассчитанное на основе цифрового видеоисточника, можно использовать только в определенных случаях для одного и того же типа видеоисточников и не может рассматриваться/использоваться как общее соотношение сторон пикселя любой телевизионной системы стандартной четкости.

Кроме того, в отличие от цифрового видео, которое имеет четко выраженные края изображения, традиционные видеосистемы никогда не стандартизировали четко выраженные края изображения. Следовательно, соотношение сторон пикселей обычных стандартных телевизионных систем не может быть рассчитано на основе краев изображения. Такое рассчитанное значение соотношения сторон не будет полностью неверным, но его также нельзя рассматривать как общее соотношение сторон пикселя какой-либо конкретной видеосистемы. Использование таких значений будет ограничено только в определенных случаях.

Современные стандарты и практики

В современных системах цифрового изображения и телевизорах высокой четкости , особенно в 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, чтобы уменьшить объем данных, которые необходимо обрабатывать, тем самым ограничивая необходимую скорость передачи и сохраняя совместимость с существующими интерфейсами.

Проблемы с неквадратными пикселями

Непосредственное сопоставление изображения с определенным соотношением сторон пикселя на устройстве, соотношение сторон пикселя которого отличается, приводит к тому, что изображение выглядит неестественно растянутым или сдавленным как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Например, круг, созданный для дисплея компьютера с квадратными пикселями, выглядит как вертикальный эллипс на телевизоре стандартной четкости NTSC, в котором используются вертикально-прямоугольные пиксели. Эта проблема более очевидна на широкоэкранных телевизорах.

Соотношение сторон пикселей должно учитываться программными продуктами для редактирования видео, которые редактируют видеофайлы с неквадратными пикселями, особенно при смешивании видеоклипов с разными соотношениями сторон пикселей. Это может произойти при создании видеомонтажа с разных камер, использующих разные видеостандарты (относительно редкая ситуация). Программные продукты для создания специальных эффектов также должны учитывать соотношение сторон пикселей, поскольку некоторые специальные эффекты требуют расчета расстояний от определенной точки, чтобы они выглядели визуально правильно. Примером таких эффектов может быть радиальное размытие, размытие в движении или даже простой поворот изображения.

Использование соотношения сторон пикселей

Значение соотношения сторон пикселя используется в основном в программном обеспечении для цифрового видео, где движущиеся изображения необходимо конвертировать или восстанавливать для использования видеосистем, отличных от оригинала. Программное обеспечение видеоплеера может использовать соотношение сторон пикселей для правильной визуализации цифрового видео на экране. Программное обеспечение для редактирования видео использует соотношение сторон пикселей для правильного масштабирования и преобразования видео в новый формат.

Поддержка соотношения сторон пикселей также необходима для отображения без искажений устаревших цифровых изображений из компьютерных стандартов и видеоигр, существовавших 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 пометила соотношение сторон изображения как соотношение сторон пикселей.

Соотношение сторон пикселей часто путают с различными типами соотношений сторон изображения; соотношение ширины и высоты изображения. Из-за непрямоугольности 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 изображения ). Кроме того, соотношение сторон пикселя ( PAR ) также известно как соотношение сторон образца (сокращенно SAR ) в некоторых промышленных стандартах (например, H.264 ^[2] ) и выводе программ (например, ffmpeg ^[3] ). Обратите внимание на повторное использование сокращений PAR и SAR . Во избежание двусмысленности в этой статье используются только термины «соотношение сторон пикселя», «соотношение сторон дисплея» и «соотношение сторон хранилища».

Соотношение сторон хранилища — это соотношение ширины изображения к высоте в пикселях, которое можно легко рассчитать на основе видеофайла. Соотношение сторон дисплея — это соотношение ширины изображения к высоте (в единицах длины, например, сантиметрах или дюймах) при отображении на экране. Оно рассчитывается на основе сочетания соотношения сторон пикселя и соотношения сторон хранилища.

Однако пользователи, знающие определения этих понятий, тоже могут запутаться. Плохо продуманные пользовательские интерфейсы или плохо написанная документация могут легко вызвать такую ​​путаницу: некоторые программы для редактирования видео часто просят пользователей указать «соотношение сторон» для их видеофайлов, предлагая ему или ей выбор «4:3» и «соотношение сторон» для видеофайла. «16:9». Иногда этими вариантами 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 создан видеофайл. Затем программа использует таблицу (похожую на приведенную ниже) для определения правильного значения соотношения сторон пикселя.

Вообще говоря, во избежание путаницы можно предположить, что продукты для редактирования видео никогда не запрашивают соотношение сторон хранилища, поскольку они могут напрямую получить или вычислить его. Приложениям, не поддерживающим квадратные пиксели, также необходимо только запросить либо соотношение сторон пикселя, либо соотношение сторон дисплея, на основе любого из которых они могут вычислить другое.

Соотношения сторон пикселей распространенных видеоформатов

Значения соотношения сторон пикселей для распространенных форматов видео стандартной четкости перечислены ниже. Обратите внимание, что для видеоформатов PAL перечислены два разных типа значений соотношения сторон пикселей:

1. Rec.601 — значение, совместимое с Rec.601, которое считается реальным соотношением сторон пикселей видео стандартной четкости этого типа.
2. Digital , который примерно эквивалентен Rec.601 и больше подходит для использования в программном обеспечении для редактирования цифрового видео.

Обратите внимание, что источники различаются по PAR для распространенных форматов — например, 576 строк (PAL), отображаемые с соотношением сторон 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, а также SDTV: Разрешение для таблицы соотношения сторон памяти, дисплея и пикселей. Также обратите внимание, что в ЭЛТ-телевизорах нет пикселей, а есть строки развертки.

1. SAR = DAR: PAR = 4/3: 59/54 = 72/59 (Но до сих пор 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 

Рекомендации

Основные источники

• Международный союз электросвязи – Сектор радиосвязи (ITU-R) (январь 2007 г.). «Рекомендация BT.601-6: Параметры студийного кодирования цифрового телевидения для стандартного формата 4:3 и широкоэкранного формата 16:9». Интернет-книжный магазин МСЭ . Проверено 1 октября 2008 г.
  На момент получения бесплатное членство в онлайновом книжном магазине МСЭ позволит бесплатно загрузить до трех Рекомендаций МСЭ-R.
• Ассоциация бытовой электроники (март 2008 г.). «Стандарт CEA CEA-861-E: профиль DTV для несжатых высокоскоростных цифровых интерфейсов». Архивировано из оригинала 7 ноября 2011 года . Проверено 1 сентября 2009 г.
  • Этот стандарт, который является основой для HDMI , определяет 16:15 (1,0666) как соотношение сторон пикселя 4:3 576i/p и 8:9 (0,888) как соотношение сторон пикселя 4:3 480i/p.
• Пирацци, Крис. «Квадратные и неквадратные пиксели» . Проверено 1 октября 2008 г.
• Пирацци, Крис. «Руководство программиста по видеосистемам» . Проверено 1 октября 2008 г.
• Пойнтон, Чарльз (2002). Цифровое видео и HDTV: алгоритмы и интерфейсы . Сан-Франциско: Издательство Morgan Kaufmann. 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) . Проверено 12 июня 2011 г.

Дополнительные источники

• Adobe Systems Incorporated. «Соотношения сторон (-> Общие соотношения сторон пикселей)». Документация Adobe Premiere Pro CS4 . Проверено 25 января 2009 г.
  • PDF-версия документации Adobe Premiere Pro CS4 также доступна на веб-сайте Adobe .
  • Этот источник указывает 12:11 (1,09) в качестве соотношения сторон пикселя 576i.
• Adobe Systems Incorporated. «Соотношение сторон пикселя и соотношение сторон кадра (-> Общие соотношения сторон пикселей)». Документация Adobe After Effect CS4 . Проверено 25 января 2009 г.
  • PDF-версия документации Adobe After Effects CS4 также доступна на веб-сайте Adobe .
  • Этот источник указывает 12:11 (1,09) в качестве соотношения сторон пикселя 576i.
• Юкка Ахо. «Краткое руководство по разрешению цифрового видео и преобразованию соотношения сторон». Архивировано из оригинала 16 августа 2014 года . Проверено 25 января 2009 г.
  • Этот источник вычисляет различные значения соотношения сторон пикселей для изображений 480i и 576i.
• Брат Джон. «Важность ITU-R BT.601 для PAR (перевод с немецкого)» . Проверено 26 ноября 2010 г.
  • Углубленный анализ несоответствий соотношений сторон пикселей, представленных в различных спецификациях.
  • Creative Commons Attribution, Noncommercial-Share Alike 3.0 Германия (CC by-sa)
  • Английский перевод: [1]

Примечания

1. "Скорость тактовой частоты" . pineight.com . Проверено 23 сентября 2018 г.
2. «Расширенное видеокодирование для общих аудиовизуальных услуг» . п. 25 (7) . Проверено 10 июня 2022 г.
3. «ffprobe показывает PAR как SAR». ffmpeg.org . Проверено 10 июня 2022 г.

Внешние ссылки

• Кислотный тест соотношения сторон пикселей