В телевидении наиболее часто употребимой является цветовая модель 4:2:2. Разумеется, это «по бедности». Таковы были требования по минимизации спектра при передаче сигнала в эфир, да и первым устройствам для записи видеосигнала это сильно упрощало жизнь (что верно и поныне). Современные системы post-production давно организуют для хранения материала framestore'ы в формате RGB 4:4:4, и даже более в смысле большей глубины цвета. А системы цветокоррекции для телекино поддерживают и более высокие режимы – такие, как 8:4:4 и 8:8:8.
Так для чего же могут понадобиться такие режимы, если всем клиентам конечный материал всё равно необходим в формате 4:2:2? При проведении таких процедур, как цветокоррекция и шумоподавление, работа с материалом, имеющим более высокое разрешение, позволяет добиться меньшего шума в конечном изображении, меньшего количества артефактов, большего динамического диапазона и большей чёткости. Основной проблемой обычного перегона является попытка направления обширного потока информации, заключённого в киноплёнке, в электронную схему, имеющую значительно более узкие диапазоны по всем параметрам. Это не только ухудшает оригинальное качество картинки, но и может являться причиной возникновения aliasing-искажений при операциях кодирования выходного видеосигнала. Например, проведение высококачественной цветокоррекции (8:8: на входном материале в формате 4:2:2 означает, практически половина входной информации будет синтезирована при начальной конвертации в рабочий формат. Как результат, могут возникнуть шумы и искажения в процессе работы. Нельзя получить что-то из ничего.
Работая в полном цветовом пространстве стандарта CCIR-601, можно рассчитывать на отсутствие искажений типа рваных краёв при приложении аггресивной цветокоррекции. Это особенно важно, когда требуется корректировать материал, уже прошедший первичную цветокоррекцию на телекино. Если материал не был выведен на Digital Betacam (4:2:2), то в проведении вторичных корректировок на различных системах post-production можно позволить себе выкручивать ручки коррекции в значительно более широких диапазонах без риска возникновения нежелательных артефактов. Кроме того, работа в высоких модах 4:4:4, 8:4:4 или 8:8:8 даёт такой плюс как более чистые края масок, если речь идёт о прокеивании материала. Ещё одной областью, для которой высокоточные цветовые схемы дают улучшение картинки, является кодирование материала на DVD. В связи с особенностями формата MPEG-2, часто на дисках теряются цветовые полутона, и больше всего этому дефекту подвержены крупные планы с лицами, деталировка фонов и сцены со слабым освещением. Очевидно, что при более детализированном входном материале, имеется больше возможностей для выбора тех или иных вариантов цветокоррекции, для оптимизации качества/компресии.
1.2 Важность цветового разрешения для post-production
В настоящее время эталоном качества видеоматериала является Digital Betacam. Однако это не RGB 4:4:4, а даже более того – YUV 4:2:2, компрессированное с 270 Мбит/сек до 100 Мбит/сек. Конечно подобная компрессия даёт артефакты меньшие, чем на Betacam SP. Ситуация, при которой сказывается компрессия возникает при использовании материала, снятого на DV, DVCAM и DVCPRO в keying'e. При этом по краям границ хромакея возникают характерные зубцы компрессии. Эти искажения становятся заметными также при сильной цветокоррекции и могут вызывать срыв трекеров при стабилизации кадра и трекинге. Для видеоизображения качество стандарта Digital Betacam вполне может считаться эталоном качества. Однако при его использовании в качестве носителя частей кадра кинокартинки (см. ниже сканирование с киноплёнки) в результирующем изображении большого формата эти искажения также могут себя проявить.
1.3 Получение 4:4:4 RGB
Какие же системы тлекино способны выводить сигнал с таким широким спектром ? Практически все, имеющиеся сегодня на рынке. По крайней мере, новые системы, использующиеся в коммерческих работах, способны выдавать сигнал как минимум 4:4:4. Система Spirit DataCine, камерная головка которой работает во внутреннем разрешении 2К при 12 битах на канал, способна выдавать по двум D1-выходам сигнал 4:4:4. А на цветокорректор Pandora сигнал поступает в формате 8:8:8. Имеющиеся в Москве системы Rank Cintel URSA Gold и URSA Diamond работают хотя и в D1, но изначально имеют возможность вывода вплоть до 8:8:8. Разумеется и системы цветокоррекции этих установок работают в широкополосном режиме и лишь при выводе на Digital Betacam осуществляют ресэмплинг до стандарта 4:2:2.
Таким образом, если исходник снят на киноплёнку или на видеокамеру, поддерживающую формат выше, чем 4:2:2, он неминуемо подвергнется потере цветовой составляющей при записи на видеомагнитофон любого формата, даже при записи на D5 (во-первых поток, записываемый на плёнку, меньше 270 Мбит/сек и, во-вторых, сигнал поступает по SDI, который сам по себе 4:2:2). Первый выход из этой ситуации состоит в исключении записывающего оборудования из цепочки прохождения сигнала и прямой записи на дисковый массив. При этом используется параллельно два SDI-соединения, один для стандартного 4:2:2, а другой – для передачи сигнала 0:2:2. Разумеется, и передающая и принимающая сторона должны поддерживать подобную схему передачи. Один из практических вариантов – передача сигнала с телекино Spirit DataCine на SGI с системой flame*.
Второй способ – это запись на Digital Betacam основного сигнала 4:2:2 YUV и дополнительно – сигнала 0:2:2 и последующее сложение их в компьютере, разумеется, с предварительной синхронизацией. Практический вариант – spark для системы flame*
1.4 Глубина цвета на киноплёнке
Однако на киноплёнке, являющейся на сегодня эталоном качества изображения (несмотря на ожесточённые споры типа “film_vs_hd”), разрешение картинки и глубина цвета превышают все параметры как электронных схем, так и записывающих устройств. В связи с этим в качестве формата хранения данных на высококачественных сканерах и телекино используется формат Cineon (DPX). В нём глубина цвета варьируется, но отличительным являются режимы 10 бит на цветовой канал в логарифмическом представлении и 16 бит в линейном. Пока такие данные не могут быть записаны на ленточные real-time'овые устройства, а только на стримеры. Проблемы с воспроизведением в real-time подобных файлов уже решены, хотя эти решения достаточны дороги.
2. Физическое разрешение
2.1 Типовые размеры кадра в кино и их соотношение с HD
В настоящее время наиболее общепринятым для работы с кино является формат 2К. Сравнивая его с типичным размером картинки в HD – 1920x1080, видно почему оборудование этого ТВ-формата так активно продвигается в качестве инструментария для работы с киноизображением. Оставляя в стороне вопросы, связанные с глубиной цвета такого оборудования, нельзя не согласиться, что размер HD-кадра действительно хорошо соотносится с 2К-кадром с плёнки.
Однако еще более интересным является тот факт, что такой популярный на сегодняшний день фильм-рекордер, как ARRI-Laser, дающий к тому же наиболее чёткую картинку на плёнке, имеет физический размер кадра по горизонтали в режиме 2К всего 1828 pix. Какие же выводы из этого могут быть сделаны ? Во-первых, для оперативного показа и чернового монтажа киноматериала (с генерированием EDL'ов для последующей чистовой сборки) всегда можно использовать оборудование HD. При этом потери физического разрешения не происходит, а потеря цветовой составляющей незначительна и на контрольных мониторах несущественна. Она может проявиться при печати на плёнку, но это уже финансовый вопрос и он решается после вывода и оценки критичных планов. Для полноценного же монтажа EDL, сгенерированный в FilmComposer, LightWorks, InciteHD, etc., подвергается финальной сборке на системах типа smoke*, fire*, iQ, JaleoHD.
2.2 Получение Hi-Res методом 2x2 и 3x3 D1
Существует также способ получения с киноплёнки изображения HD/2K посредством использования обычного D1. Так как во всех телекино масштабирование реализовано оптическим способом, то при разбиении кадра на 4 (2х2) или на 9 (3х3) частей. Их можно согнать на DigiBeta или напрямую в компьютер, где затем собрать в единое изображение в любом пакете для post-production (например в AE). Части кадра могут немного перекрывать друг друга для гарантирования отсутствия пустот. Подобным методом были сделаны титры на игровом фоне для многих российских картин (href to artbit.ru/film.htm).
2.3 SDTI & HDCAM codec
Ещё один способ получения изображений большого размера при отсутствии оборудования, поддерживающего HD-формат, является использование интерфейса SDTI – Serial Digital Transport Interface. Отличием его от обычного SDI является «незаточенность» SDTI под конкретный ТВ-формат. В данном случае интерфейс используется просто для передачи данных вне зависимости от того, что они собой представляют и с каким потоком закодированы. Таким образом, подавая компрессированный сигнал DV/DVCAM (с потоком всего 25 Мбит/сек) в шину SDTI (с пропускной способностью 305 Мбит/сек), можно достичь почти 25-кратной скорости перекачки. Разумеется источником сигнала для этого должен быть видеосервер, а не магнитофон, работающий с номинальной скоростью. Однако в шину SDTI можно закачать и HD-сигнал с потоком 1,5 Гбит/сек. Но он будет передаваться со скоростью около 5 кадров в секунду. На сегодняшний день существует много видеокарт, поддерживающий интерфейс SDTI. Наиболее распространённой является Matrox Digisuite/LE/LX. Но для реализации описанного выше решения необходима программная поддержка HD-over-D1. Для ввода материала с HD-рекордера SONY (перегнанного с телекино или заархивированного ранее), возможно использование фирменного HDCAM-кодека. Он позволяет работать с HD-кадрами на компьютере, используя HD-рекордер (HDW-F500) без использования HD карт ввода-вывода. Используя стандартный D1 вход, кодек сам (НЕ в реальном времени) собирает части кадра, поступающие также не в реальном времени с магнитофона и наоборот, разбирает большой кадр для записи на магнитофон. Таким кодеком комплектуются пакеты flame* на SGI и Digital Fusion, работающий с картой dps.
2.4 Физические пределы разрешения киноплёнки
Но все эти ухищрения пока ещё очень далеки от параметров киноплёнки. В пределе, киноплёнка имеет разрешение по горизонтали до 5,000 pix. Примерная оценка глубины цвета – 16 бит на цветовой канал. Но что гораздо более важно – это динамический диапазон, который у последних плёнок достигает D=17.0. Сравните с D=3.0 в новой камере SONY HDW-F900. На сегодняшний день принято считать, что цифровые системы съемки и проекции составят реальную конкуренцию плёночным, когда подберутся к массовому внедрению оборудования, поддерживающего следующий стандарт цифрового кино – 4K. А формат 2К – это только первые шаги, позволяющие оценить технологию и способы работы с цифровым кино.
3. Полноценное сканирование
3.1 Недостатки существующих методов сканирования
Из всех вышеперечисленных методов получения изображения с высоким разрешением и глубиной цвета нет ни одного, позволяющего получить кадр, пригодный для post-production'а в кино без натяжки. Самым главным недостатком является цветовая ограниченность получаемых кадров в формате RGB 24 бит. Но даже такой результат получается только при использовании ухищрений типа Dual-SDI. Что интересно, при сканировании в HD достижение цветового сэмплирования 4:4:4 возможно только при прямой записи на компьютер, так как рекордер HDCAM использует цветовую схему 3:1:1 – для этого потребуется Triple-HD-SDI ! Если же используется сборка 2х2 или 3х3, то потребуется ещё дополнительное пространство на дисковом массиве (и немаленькое) для сборки финальных кадров. Это к тому же ещё и время, что относится и к работе HDCAM-кодека при сборке-разборке кадров. К сожалению, все эти ограничения приводят к многочисленным ошибкам в материале – пропущенным или дублированным кадрам, порче отдельных кадров из-за ошибок ввода-вывода или рассинхронизации отдельных частей кадра по временным или цветовым составляющим.
3.2 Основные методы полноценного сканирования
Из полноценных методов сканирования существует два основных направления – сканеры и телекино. Сканеры (Kodak Genesis 35+, ITK Millenium Machine, Rank Cintel KLONE, Imagica Imager XE) работают с максимальным качеством, но не в реальном времени. Правда, последние разработки ITK позволяют сканировать 2К в real-time. Разрешение сканирования достигает 6,000 pix по горизонтали. Формат – до 14 бит на канал в линейном представлении. Установки телекино (Spirit DataCine, Rank Cintel URSA & C-Reality, SONY Vialta, Kinoton FTM35 HD/SD) исповедуют иной подход, работая по возможности в real-time, хотя и допускают снижение скорости проекции в случае неспособности записывающего оборудования поспеть за потоком данных. Кроме того, телекино имеют цветокорректоры, 2К-версии которых позволяют в реальном времени проводить цветовые и геометрические преобразования с материалом до записи на диск. Причем цветокоррекция проводится в 14-битном (Pandora - Spirit) пространстве и могут включать в себя сложные манипуляции с применением динамических цветовых масок.
3.3 Принцип работы Phantom Transfer Engine
На примере работающего в Москве телекино Spirit DataCine рассмотрим получение высококачественных изображений с плёнки. Система, позволяющая выводить поток не в видеоформате, а в виде данных с CCD-матрицы телекино, называется DataOutput option. Она находится внутри самой установки и является просто одним из блоков, вставляемым в свободный слот системы. Её выходным интерфейсом является HiPPI-800 с оптическим портом. Таким образом, максимальная скорость сканирования ограничена этим интерфейсом на уровне 6-7 HD-кадров в секунду, если, конечно, дисковый массив имеет не меньшую пропускную способность. Сканирующий элемент в Spirit DataCine – это CCD-матрица Kodak с размером кадра 2048х1536 и глубиной цвета 12 бит. Вместе с системой первичной цветокоррекции, то даёт на выходе сигнал 10 bit-log или 16 bit-lin. Принимающая часть системы – это SGI станция с HiPPI-картой и программным обеспечением Phantom TransferEngine. Оно работает как image-сервер для телекино и просто записывает поступающие с него кадры на дисковый массив. Кадры записываются в форматах DPX или TIFF. Будучи объединённой в GigabitEthernet-сеть с другими Windows-компьютерами, система позволяет быстро (~1 Гбайт/мин) перекинуть полученные файлы на съёмные IDE-диски (наиболее дешёвое решение), внешние дисковые массивы – как PC, так и SGI. Также к системе подключён стример формата DTF-2, записывающий на кассеты ёмкостью до 200G со скоростью 24 Мбайт/сек или DLT-7000 (35G).
3.4 Преимущества
Несомненными плюсами такого метода сканирования являются скорость – около 6 кадров в секунду, отсутствие необходимости тратить время и дисковое пространство на конвертацию в конечный формат, непосредственный контроль на мониторе поступающих изображений. Кроме того, эти кадры поступают в полном цветовом диапазоне без каких либо ограничений и могут для удобства работы быть представлены как в логарифмическом, так и в линейном формате. При этом на самом телекино осуществляется первичная цветокоррекция материала и геометрические преобразования кадра. Также, как и при обычной работе, можно составить EDL для контроллера Pogle и затем сгонять материал с выставленными параметрами
3.5 Future – 4K
Как уже было отмечено, в индустрии цифрового кино намечается переход на стандарт 4К. Первые устройства уже анонсированы. Во-первых, это телекино Spirit 4K, работающий со скоростью 31fps@2K и 5fps@4K, использующий для этого в качестве выходного интерфейса порт GSN (HiPPI-6400). Ответной частью для него является Virtual Telecine Specter с базовой ёмкостью 90 минут и расширяемой до 3-х часов. Также компания JVC уже продемонстрировала свой D-ILA проектор с размером кадра 4х2K, что более чем достаточно, учитывая формат кадра в кино – 2,35:1. Дисковые массивы же поддерживают подобные потоки путём простого распараллеливания.
Описания форматов Выбираются желаемые форматы изображения для развертывания видеоматериала и сжатия видеоматериала.
16-битовый RGB (555)
В этом формате предусматривается по пять битов на канал (32 уровня) для красного, зеленого и синего цвета. Это формат с относительно низкой точностью, “предрасположенный” к определенным искажениям (“полосатости”). Однако он широко распространен в более ранней видеоаппаратуре, поскольку он быстрее и расходует меньше памяти, чем 24-битовый RGB. В некоторых случаях этот формат называют HiColor.
16-битовый RGB (565)
Это слегка улучшенная версия 16-битового RGB (555), поскольку в ней неиспользуемый бит используется улучшения точности зеленого.
24-битовый RGB (888)
Это формат с восемью битами на канал (256 уровней) для красного, зеленого и синего. Он широко используется в работе с фотографическими изображениями и известен под названием TrueColor. Это наиболее надежный и безопасный формат для использования в целях обмена видеоданными.
32-битовый RGB (8888) (шаблонный альфа-канал)
Этот формат сходен с 24-битовым RGB, за исключением того, что в нем имеются дополнительные неиспользуемые 8 бит на каждый пиксель. Качество изображения такое же, как в 24-битовом варианте, но дополнительное заполнение незначащей информацией придает пикселям более удобный размер для вычислений. Этот формат в некоторых случаях работает немного быстрее, чем 24-битовый при обработке, но его, по возможности, не следует использовать для хранения, поскольку он занимает на одну треть больше пространства.
4:2:2 YCbCr (UYVY)
В этом формате используется цифровое пространство YCbCr (яркость, цветность синего, цветность красного), которое ближе к способу восприятия цветных изображений человеческим мозгом. Он использует в среднем лишь 16 битов на каждый пиксель и обеспечивает воспринимаемое качество, сходное с 24-битовым RGB, за счет того, что информация о цвете сохраняется только с половинным горизонтальным разрешением; при этом возникает незначительная размытость цвета, но используется на одну треть меньше пространства.
Этот формат, как и все остальные перечисленные ниже форматы YCbCr, зашифровывает яркость (Y) в диапазоне [16, 235] и цветность (Cb/Cr или U/V) в диапазоне [16, 240].
Многие видео-кодеки напрямую принимают UYVY. Поскольку внутри многих видео-кодеков используются пространства цвета, сходные с YCbCr, использование этого формата с видео-кодеками может ускорить процесс переноса.
4:2:2 YCbCr (YUY2)
Этот формат идентичен формату 4:2:2 YCbCr (UYVY), за исключением перестановки байтов данных. По качеству и быстродействию идентичен формату UYVY.
4:2:0 плоскостный YCbCr (YV12)
Это формат YCbCr, использующий в среднем 12 бит на пиксель и половинное разрешение по горизонтали и по вертикали в информации о цвете. Благодаря этому, он занимает на 25% меньше пространства, чем UYVY или YUY2, но возникает некоторая вертикальная размытость. Определение «плоскостный» относится к особой организации данных в этом формате, при которой яркость, цветность синего и цветность красного хранятся раздельно.
Некоторые кодеки принимают этот формат напрямую, что дополнительно повышает быстродействие по сравнению с форматами 4:2:2. Однако его не следует применять в работе с перемежающимися видеоданными, где потеря вертикального цветового разрешения может привести к искажениям движения между полями.
Примечание: Хотя существуют форматы 4:2:0 YCbCr, работающие с перемежением, четырехсимвольный код YV12 (FOURCC) указывает специфическое шифрование 4:2:0 без перемежения.
4:2:2 плоскостный YCbCr (YV16)
Это формат YCbCr, использующий в среднем 16 бит на пиксель и половинное разрешение по горизонтали в информации о цвете.
Формат YV16 применяется редко, плохо поддерживается видео-кодеками и приложениями воспроизведения, и описывается здесь для полноты изложения.
4:1:0 плоскостный YCbCr (YVU9)
Это формат YCbCr, использующий в среднем 9 бит на пиксель и четвертное разрешение по горизонтали и по вертикали в информации о цвете. Таким образом, YVU9 занимает на 43% меньше места, чем UYVY/YUY2, и на 62% меньше места, чем 24-битовый RGB, но за счет существенной размытости цвета.
Только яркость (Y8)
Y8 – монохромный формат, и поэтому, если он выбирается, видеоматериал преобразуется в оттенки серого. Однако он занимает лишь половину пространства UYVY или YUY2, с 8 битами на каждый пиксель.
Y8 использует ту же шкалу яркости, что и YCbCr, 16-240, поэтому происходит лишь очень незначительная потеря точности яркости по сравнению с 24-битовым RGB. Однако преобразование между форматами Y8 и YCbCr происходит без потери яркости и исключительно быстро.
10.12.2009, 18:43
на входном материале в формате 4:2:2 означает, практически половина входной информации будет синтезирована при начальной конвертации в рабочий формат. Как результат, могут возникнуть шумы и искажения в процессе работы. Нельзя получить что-то из ничего.
