Попередня лекція

Лекція 03. Кадри на сенунду. Поля.

Кадри на сенунду.

Кіноплівка має 24 кадри на секунду, англійською — FPS (Frames per Second). На телебаченні в Україні 25 кадрів (система PAL).
Американське телебачення працює у 29,9 (фактично 30) кадрах на скеунду (система NTSC) В епоху ранього кіно було і 12 кадрів на секунду і 15 кадрів на секунду.
Відеосистеми та комп’ютери можуть відтворювати значно більше кадрів на секунду, і 100, і 200, і 300, і більше.
Кількість кадрів на секунду важлива з двох причин:

1. Творча.

Кількість кадрів на секунду це пластика руху об’єктів у кадрі, або як ще кажуть, пластика зміни зображення.
Чим більше кадрів на секунду, тим реалістичніше буде рух.
Об’єкти у русі будуть виглядати чіткішими.


Камера має ще один важливий параметр, який пов’язаний з кількісттю кадрів на секунду.
Це швидкість затвору камери.

Чим швидше працює затвор, тим коротше час на який матриця відкриваєтсья світлу, тим чіткіше зображення.

У відео можливвий ефект стробу.
Він виникає, коли чіткий об’єкт що швидко рухається, затримується в кадрі на певний проміжок часу.


Частіше за все це відбувається коли затвор камери відкриваєтсья на значно коротший інтервал ніж довжина кадру.

Якщо відео знято на 25 кадрів на секунду, але затвор відкривався на 1/1000 секунди, ймовірність стробу при швидкому русі в кадрі дуже висока.

(a) Still image, (b) Motion blur at 1/1000 s shutter speed, (c) Motion blur at 1/250 s shutter speed.

Influence of frame rate and shutter speed values on a high speed recording of a beach volleyball serve at 90 km/h. Shutter speed values of 1/250 s and 1/1000 s for (a) frame rate 30 fps and (b) frame rate 240 fps


Для фотоапаратів та швидкісних камер характерий ще один ефект який називається rolling shutter.


Різні частини (горизонтальні полоси) зображення попадають на матрицю зп декілька фаз відкриття затвору. При цьому об’єкти виглядаються скошеними.



2. Технічна.

В залежності від місця застосування результату відео, необхідно враховувати можливості системи його відтворення.

Якісно конвертувати 24 кадри на секунду у 25 і назад без проблем неможливо.
Так само з 30 кадрами.

Тому треба розуміти, що фільм для кінотеатрів варто знімати на 24 кадри на секунду, а для телебачення на 25.

Велика кількість кадрів на секунду

Велика кількість кадрів на секунду (більше 60), використовується зазвичай для для сповільнення відео при монтажі.

При виборі кількості кадрів на секунду для сповільненя треба враховувати:

1. Краще за все сповільення відбуваєтсья у рази кратні 2, тобто 2,4,8 і т.д.
Тобто, якщо ваш проект у 25 кадрах на секунду, то для сповільнення вам підійде 50, 100, 200 і т.д.

Після 400-500 кадрів на секунду це правило вже не актуальне.

2. Камери мають максимальний бітрейт, тобто скільки іноформації вони можуть обробити.
Отже, максимальна якість зображення, як правило, буде при роботі у стандартних кількостіях кадрів на секунду.
Якщо ви повисили її у два рази, відповідно для стистення одного кадру буде видялтися у два рази меньше місця, для камер з внутрішньо кадровою компресією.
Для камер з міжкадровою компресією це буде не два рази, але всеодно меньше.

Поля.

Ми вже говорили, що кіно працює в режимі 24 кадри на секунду. В цифровому відео ці кадри називаються progressive, позначаютсья 24р. Телебачення у форматі PAL працює в режимі 25 кадрів на секунду. Ці 25 кадрів англійською називаються interlaced, позначаютсья 25i. Дослівно це можна перекласти як «черезстрічні». Насправді телебачення передає 50 фаз руху на секунду, хоча вони і закодовані у 25 кадрах.
Як ми вже знаємо аналогове телебачення синхронізувалося з електромережі, яка має частоту 50 герц. Герц (позначається Гц, Hz) походить від імені німецького фізика Генріха Герца, одиниця виміру частоти у системі СІ. Один герц дорівнює одному коливанню (періоду) на секунду. 1 Гц = 1/с. В герцах вимірюють і частоту процесорів, тобто кількість операцій в секунду. 
Передача 50 кадрів на секунду в той час вважалася надлишковою. Відтворення одного кадру в одну двадцять п’яту секунди також потребувало вищих витрат на комплектуючи техніки. Масове виробництво завжди тяжіє до здешевлення, тому був знайдений компроміс.
Кожну 50 долю секунди на екрані оновлювалося півкадру. Ці півкадру були розташовані через одну вертикальну відео строчку. Ось як це виглядає:

Уявимо, що у нас в кадрі рухається кольорове джерело світла, при цьому змінює з часом свій кольор. Ось як ми бачимо це очима:

Ось як бачить це камера, яка працює в режимі interlaced:

Зверніть увагу на положення строчок у кожному кадрі:

Тобто в одному півкадрі пишуться парні строчки, а в іншому непарні.
Якщо показати кадр разом, це буде виглядати так:

Ще один приклад з м’ячем що летить горизонтально з лівого краю кадру до правого:

Отже, на телебаченні, яке працює у 25 кадрах на секунду зображення змінюється 50 разів на секунду. А кожен кадр складається з двох полів (fields), які розташовані через одну горизонтальну строку зображення.

М’яч, що рухається у кадрі, при зйомці в режимі 1920х1080i записаний у 50 фазах руху,  розміром 1920 на 540. Ці зображення приплюснуті у два рази по вертикалі. Кожен кадр формується з двох таких зображень.

Поля забезпечують в два рази більше фаз руху, ніж кіноплівка. Це зовсім інша пластика руху об’єктів у кадрі. Знищити поля у відзнятому матеріалі можна лише за рахунок погіршення його якості. Тому вибір формату з полями чи без – це стилістичне, творче завдання!
У повному кадрі ми бачимо так званий «гребінець». Ось яке це виглядає на справжньому відео:

Більшість монтажних програм намагається уникнути такого ефекту при виведенні відео. Але, наприклад у VirtualDub, можна побачити файл таким як він є.
На відміну від телебачення, яке працює в режимі interlaced, комп’ютери від самого початку працювали в режимі повного кадру (frame-based). Тобто залежно від частоти монітору ми бачили повний кадр 50, 60, 75, чи 100 разів на секунду. Сучасні LCD монітори також працюють у режимі повного кадру. Відповідно на комп’ютерних системах відтворити відео з полями в принципі неможливо без спеціального апаратного відео конвертора, який буває тільки  у деяких моделей студійних моніторів. Враховуючи часті помилки при трансляції відео з полями, у дорогих телевізорах передбачена система корекції помилок полів.
Для демонстрації відео на комп’ютері використовуються методи позбавлення від полів, що мають за нагальну назву deinterlace. Вони застосовуються деякими плейєрами автоматично, для інших це треба заздалегідь зробити вручну.
Першим методом є подвоєння полів, тобто одне з полів викидається, і на його місце прописується друге поле. Такий метод використовується в багатьох програмах плейєрах на комп’ютерах та телефонах. Недолік полягає в тому, що картинка втрачає половину роздільної здатності:

Другий метод повторює перший, але додає ефект згладжування країв.
Третій метод полягає в знаходженні середньої лінії між фазами у різних полях. Він є найскладнішим, але найякіснішим. Більшість монтажних програм використовує його.

У VirtualDub є фільтр deinterlace, що дозволяє вам знищити поля у відео файлі. В його опціях можна обрати метод знищення, це може бути використання одного з полів, або створення «середнього» кадру.

Найчастіше режисери стикаються з проблемами через неправильний порядок полів, або масштабування зображення з полями. Ось що виходить, якщо зібільшити картинку відзняту в режимі з полями:

Зліва розташована вихідна картинка з полями, справа масштабована до 140 відсотків. На перший погляд ситуація не катастрофічна, але парні та непарні поля в деяких місцях помінялися, тому якщо спробувати позбавитись полів, вийде таке:

Але якщо позбавитись полів перед масштабуванням, вийде так:

Складність монтажу відео полягає в тому, що на екрані комп’ютера ми бачимо відео без полів, а в реальності воно буде мати поля. А використання 50 чи 25 фаз руху, є помітним нюансом для більшості глядачів.
Програми з якими ви будете працювати зазвичай не можуть автоматично визначити наявність полів. Тому ваша задача вказати їм, чи присутні поля в вашому відео.
Одною з ідей створення HD формату було позбавлення від полів. В і перших версіях специфікацій, поля не передбачалися. Але, знову, як і при виникненні аналогового телебачення, постало питання вартості техніки. Адже за умови використання полів, можна було значно здешевити цифрову техніку, так само, як колись аналогову. Тому серед цифрових форматів також є формати з приставкою «і», що означає присутність полів. Режими роботи камер, де полів немає, мають приставку “p”, що значить progressive. Але мається на увазі не прогрес техніки, а прогресивна, тобто послідовна видача відеосигналу, на відміну від черезстрічної. Існують деякі формати, що видають картинку формату “p”, але зберігають її як зображення з полями. Це було зроблено для сумісності з старою аналоговою апаратурою. В таких випадках програми монтажу не знають, як правильно ідентифікувати це відео. Якщо у відео полів немає, то завдяки інтерполяції, їх можна створити, але виглядати картинка буде трохи розмитою та неприродною. Важливо пам’ятати, що чим більше фаз руху, тим плавнішим є цей рух на екрані.

Визначення правильного порядку полів.

Окрім самої наявності полів, важливо знати яке з полів є першим. 

Під першістю мається на увазі фаза руху записана у полі. Існує кілька термінів, що дозволяють визначитись. 
Найбільш уживані: Upper field — верхнє поле, Lower field — нижнє поле. Верхнє та нижнє — це позиції полів у кадрі. Програмам монтажу зазвичай треба вказати, яке з цих полів має йти першим.
Є також терміни even field – парне поле, odd field — непарне поле. Вони значать теж саме, але краще їх не вживати, адже деякі програми лічать строчки від 0 а деякі від 1.
Щоб зрозуміти з яким порядком полів ви стикнулися існує два методи.
Перший теоретичний. Усі формати HD мають верхнє поле перше. Усі формати DV мають нижне поле перше. Але завжди бувають виключення, наприклад формат Matrox DV, має верхнє поле перше.
Тому перед початком роботи зажди варто переконатися, і тут ми переходимо до другого методу, експериментального.
Якщо у вас є відеомонітор, варто вивести на нього зображення з монтажної програми. Якщо ви бачите, що під час руху відбувається мерехтіння, міняйте порядок полів.
Якщо монітору немає, але монтажна програма підтримує роботу з полями, то сповільнюємо відео в два рази, в результаті, отримуємо з кожного поля окремий кадр і дивимось на результат. Якщо фази руху неправильні, усі об’єкти будуть рухатися скачками.
Є ще один варіант перевірити, чи все гаразд із полями — зробити DVD, та переглянути його з DVD-плейєра, підключеного по відеовходу до телевізора.

Монтаж з полями та без.

Більшість сучасних монтажних програм підтримують роботу з полями. Це означає, що ви монтуєте в режимі 25 кадрів на секунду, а при виведенні результату, програма переходить у режим 50 фаз, і відповідно апроксимує усі ваші фільтри та переходи, для створення відео з полями. При такому монтажі треба бути особливо обережним з точками входу та виходу, адже перше поле у першому кадрі, не завжди буває правильно записаним, так само як останнє поле в останньому кадрі. На комп’ютері ви це не побачите, за рахунок апроксимації, а у вашому відео буде пролітати поганий мікроплан. В параметрах монтажної програми можна задати вивід результату без полів, або роботу з вихідним відео в режимі deinterlace, тобто без полів. Таким чином, ви отримаєте зображення progressive, тобто 25 кадрів на секунду без полів, але воно буде не дуже якісним порівняно з зображенням відзнятим в такому режимі. Якщо файли, які треба змонтувати, мають різний порядок полів, то за умови правильного встановлення їх параметрів, монтажні програми будуть відповідним чином їх обробляти. Якщо ваша монтажна програма не підтримує роботу з полями, то вісі файли які ви будете використовувати мають мати однаковий порядок полів. Приклад неправильної роботи з полями можна побачити у документальних фільмах телеканалу «Тоніс» про історію України. Як правильно приймати рішення, стосовно використання чи невикористання полів? Якщо ваш проект розраховується на демонстрацію виключно на комп’ютері, сміливо можете забути про поля. Якщо ваш проект нединамічний, там мало різких рухів, також забувайте про поля. Якщо ваш проект для телебачення, чи демонстрації з DVD, та містить багато різких рухів, працюйте з полями.

Створення полів.

Якщо ви працюєте з комп’ютерною графікою, або в проекті з полями маєте використати відео відзняте камерою у форматі progressive, у вас постане задача створення полів. Зауважу, що створені поля ніколи не будуть подібні реально відзнятим, але життя часто вимагає такого підходу. Створення полів можливо методом інтерполяції, між сусідніми кадрами.

Ефект тонкої лінії.

Останнє, на що треба звернути увагу, це ефект тонкої лінії. Якщо у вас в комп’ютерній графіці присутня горизонтальна лінія, товщиною в 1 точку, то, відповідно, вона попадає лише в одне поле. Значить вона буде з’являтися і зникати 25 разів на секунду. Цей ефект не дуже приємний для ока глядача. Камера під час зйомки, розмазує такі елементи, тому їх частини опиняються у двох полях.  Відповідно ви також маєте розмазати цей елемент, щоб прибрати мерехтіння. Збільшення його у розмірах до двох точок, не вирішить вашої проблеми, адже він буде у двох полях, але геометрично він буде плавати на одну точку вгору та вниз кожну 1/50 секунди. В будь якому варіанті його треба розмазати по вертикалі. Таким чином, бережіться тонких горизонтальних ліній.

Зміна порядку полів.

Найскладнішим моментом є заміна порядку полів. Якщо ви відзняли свою роботу на HD камеру на швидкості 25 кадрів на секунду з полями, то першим має бути верхнє поле. Але якщо ви подасте свою роботу на канал, що працює у форматі DV, їм буде потрібне нижнє поле. Добре, якщо людина відповідальна за прийом матеріалу, подумає про конвертацію вашого матеріалу, але зазвичай їм це байдуже.
Відповідно ви самі маєте зрозуміти, яке поле (і чи потрібні їм поля взагалі) має бути першим. Якщо виявляється, що порядок полів має бути змінений, то зміні підлягає не тільки фаза руху, а і геометричне положення поля. Старі програми, що вирішували це питання, міняли поля місцями (invert field order), але тоді ми отримували плаваюче вгору вниз відео.
Сучасний підхід полягає в тому, щоб створити за допомогою інтерполяції 50 кадрів на секунду, потім з цих 50 кадрів отримати 25 з потрібним порядком полів.

Наступна лекція

Поділіться цим у...