Что лучше: интерлейс или прогрессив?

Сравнение 50i vs 25p на примере Canon HV20, Panasonic HDC-HS9, Sony PMW-EX1

В настоящее время у большинства выпускаемых HD/HDV-видеокамер помимо чересстрочного режима (интерлейс) присутствует еще и прогрессивная развертка (иногда прогрессив именуется как режим "кино"). Возникает вопрос: в каком режиме лучше снимать — чересстрочном 50i (interlaced) или прогрессивном 25p (progressive)? Всегда хочется выжать из камеры максимум качества, особенно когда речь идет о съемке футажей для фотобанка бытовой видеокамерой. По идее прогрессивное видео при одних и тех условиях должно давать более качественную картинку, чем чересстрочное. Однако, при просмотре на современных плеерах заметной разницы не видно, на первый взгляд. Попробуем провести более детальное исследование.

Сравнение между интерлейсом 50i и прогрессивом 25p проводилось на трех принципиально разных видеокамерах:

• Canon HV20 — HDV-формат 1440 x 1080 пикселей, MPEG2, поток 25 Мбит/с;
• Panasonic HDC-HS9 — Full HD-формат 1920 x 1080 пикселей, MPEG-4 AVC/H.264, поток 17 Мбит/с;
• Sony PMW-EX1 — Full HD-формат 1920 x 1080 пикселей, MPEG-2 Long GOP, поток 35 Мбит/с.

Цель тестов или что пытаемся выяснить:

• есть ли ощутимая разница в качестве картинки между режимами съемки: 50i и 25p;
• что лучше использовать для динамичных сцен: интерлейс 50i или прогрессив 25p, как лучше использовать прогрессивный режим для динамики.

Справка. Режим 50i означает, что видео чересстрочное (interlaced), то есть видеокамера снимает 50 полукадров в секунду. Если просматривать такое видео без деинтерлейса (например, в QuickTime Player), то для динамичных сцен будет видна неприятная всем "гребенка". Современные проигрыватели и телевизоры неплохо от этой гребенки избавляются (делают deinterlace). Режим 25p означает, что видео прогрессивное (progressive) и каждый кадр "честный". В этом случае "гребенки" нет, но по сравнению с 50i движение в кадре воспринимается более прерывисто (возможен так называемый стробоскопический эффект). Частота кадров 50i/25p — это PAL-стандарт (обычно это исполнение камеры официально поставляется в Россию). Еще есть NTSC — там соответственно 60i/30p (для США и Японии).

Часть I. Canon HV20

1. HV20. "Кирпичная стена"

Начнем с видеокамеры Canon HV20. Первый тест — съемка на натуре. Программный режим (P). Баланс белого (WB) выставлен по белому листу. Экспокоррекция + 1. Давайте посмотрим на стоп-кадры (рис. 1):

На кропах видно, что прогрессив 25p визуально немного четче, чем интерлейс 50i и похоже содержит больше деталей.

Примечание. Приведенное выше сравнение не совсем корректно, так как прогрессивное видео с HV20 при одних и тех же установках получилось немного светлее, чем чересстрочное (местами даже переэкспонировано, на рис. 1 виден пересвет на оконной раме, на рис. 2 — пересвет на кирпичах).

Похоже, что в режиме 25p видеокамера снимала с большей экспозицией (примерно на 1/3 ступени). К сожалению, ручной режим в камере фактически отсутствует. И сравнить оба режима при одной и той же скорости затвора, значении диафрагмы и показателе усиления, как я понял, не представляется возможным. Можно лишь косвенно предположить, какой уровень усиления используется при данных параметрах выдержки и диафрагмы. Очень часто при съемке футажей в студийных условиях нужен именно ручной режим. Отсутствие ручного режима, на мой взгляд, существенный минус HV20/HV30/HV40 и других бытовых камер Canon (например, HF10, HF100, HG10, HG20, LEGRIA HF S10, HF S100, HF20 и т.п.).

Примечание. Если в видеокамере вставлена mini-SD-карта, то при нажатии на кнопку "Photo" на LCD выводится текущее значение выдержки и диафрагмы. Тестовые замеры показали, что на автомате для 25p выдержка примерно на 30% длиннее, чем для 50i.

Стоп-кадры на рис. 1 сделаны в Adobe Premiere без растяжения HDV (1440x1080) к Full HD-разрешению (1920x1080). Если же кадры растягивать по горизонтали с 1440 до 1920 пикселей, то более резкая 25p-картинка становится "мягче" и уже не так сильно отличается от 50i (рис. 3). Возможно, интерполяцией и объясняется трудноуловимая разница между режимами при просмотре видео на плеере.

2. Мира для визуальной оценки оптических характеристик объектива

Раз уж зашла речь о качестве изображения — давайте выясним, на какой диафрагме достигается наибольшая резкость. Обычно на полностью открытой диафрагме оптика "мылит" сильнее. По мере уменьшения относительного отверстия объектива аберрации уменьшаются, и изображение с камеры становится четче и контрастнее. Оценить визуально поможет мира, используемая для оценки оптических характеристик объектива (см. статью "Как протестировать объектив перед покупкой").

Итак, снимаем миру в режиме приоритета диафрагмы (Av) с разными значениями диафрагмы (на рис. 4 показы кропы стоп-кадров):

На полностью открытой диафрагме f/1,8 по углам видно небольшое "мыло" и сильнее заметны артефакты. Резкость и контрастность улучшаются, если прикрыть диафрагму на пару ступеней до f/2,8. При дальнейшем диафрагмировании резкости не прибавляется. Начиная с диафрагмы f/5,6 происходит плавное падение контраста из-за дифракционных эффектов — идеальная "точка" размывается в дифракционное пятнышко. Размер этого пятнышка становится соизмерим с пикселем матрицы: 2,8 мкм для данной камеры.

Пояснение. Оценить предельную диафрагму можно как [размер пикселя, мкм]*2, то есть 2,8*2=5,6. Размер пикселя (2,8 мкм) вычислен в предположении, то размер матрицы HV20 1/2,7" составляет 5,4 x 4,0 мм при разрешении 1920 x 1080 пикселей. Информация о размере матрицы взята из статьи Афанасенкова М.А. "Разумно о фото".

Примечание. Несмотря на то, что съемка велась при неизменном положении камеры, объектива, освещенности и одном и том же значении экспокоррекции, экспозиция кадров для различных значений диафрагмы (Av) заметно отличается. Это еще раз наводит на мысль, что автоматике не стоит доверять — нужен ручной режим.

3. HV20. Сравнение резкости 50i и 25p при хорошем освещении

Теперь используя миру сравним резкость для интерлейса 50i и прогрессива 25p (рис. 5):

На полностью открытой диафрагме f/1,8 заметна небольшая разница между 50i и 25p. Чересстрочное видео получилось менее четкое — содержит больше артефактов. Такое ощущение, что для интерлейса используется более сильное сжатие. Кстати это вовсе не означает, что видеофайл будет занимать меньший объем! Напротив, сравнение показало, что для данного примера 50i-видео той же длительности, что и 25p занимает на 8% больше места на диске. Экономия места для прогрессива объясняется, по-видимому, тем, что более плавные тональные переходы у 25p кадров сжимаются лучше MPEG2-кодеком чем 50i кадры "испорченные" хаотичными артефактами. Если прикрыть диафрагму на две ступени (до f/2,8), то разница практически не заметна.

Возможно, меньшая четкость изображения у 50i (больше артефактов) объясняется тем, что в кадре соседние поля принадлежат разным снимкам и соответственно разным замерам фотосенсора, а небольшое "размыливание" оптики на полностью открытой диафрагме вносит дополнительные отклонения для, казалось бы, статичной сцены.

Примечание. В процессе эксперимента было замечено, что баланс белого (WB) так же как и экспозиция "плавает" при изменении параметров съемки, в частности, меняется в зависимости от диафрагмы (например, для 25p f/2,8 появился красноватый оттенок, которого не было на f/1,8). Таким образом, при задании новых параметров съемки WB желательно перезамерять!

4. HV20. Сравнение резкости 50i и 25p при слабом освещении

Если до этого тестовая съемка проводилась при ярком свете (2 лампы по 250 Вт вблизи миры), то теперь посмотрим, как поведет себя камера при слабом освещении (удаленная от миры лампочка 75 Вт):

Как видно из рис. 6 в режиме 25p изображение более четкое и содержит больше деталей. Это объясняется тем, что прогрессивное видео снято с большей выдержкой, то есть с меньшим усилением (говоря фотографически с меньшим ISO). В результате меньше шумов, требуется меньшее шумоподавление, остается больше деталей. У 50i, похоже, изрядно поработал шумодав — это хорошо видно по "съеденной" фактуре обоев. Ведь интерлейс при слабом освещении снимался с выдержкой вдвое короче (1/50 против 1/25) — камере пришлось вытягивать экспозицию за счет усиления (повышения чувствительности матрицы). В результате шумы проявляются сильнее и, похоже, сильнее работает шумоподавление.

5. HV20. К вопросу о "честном" прогрессиве

Нет достоверной информации — используется ли честное прогрессивное сканирование матрицы у HV20 в режиме 25p, или наоборот, применяется ли "интерлейсный фильтр" в режиме 50i? На приведенных выше тестах не наблюдается заметного роста вертикального разрешения 25p по сравнению с 50i. Прогрессивное видео немного более четкое (в основном за счет меньшего числа артефактов). У интерлейсного видео четкость картинки одинакова как в вертикальном, так в горизонтальном направлении. При слабом освещении существенная разница объясняется скорее вдвое большей выдержкой для 25p (в итоге меньшим шумоподавлением).

Примечание. В теории предполагается, что честное прогрессивное сканирование матрицы должно давать рост вертикального разрешения (примерно на 30%). Это объясняется тем, что в чересстрочном режиме применяется так называемый "интерлейсный фильтр" — то есть специальный алгоритм формирования полей. Суть его в том, что при чересстрочном сканировании матрицы используется попарное "сложение" (комбинирование сигналов) строк матрицы: для первого поля строки складываются по схеме 1+2, 3+4, 5+6, ... , а для второго — со сдвигом на строку — 2+3, 4+5, 6+7, ... (см. статью А. Попова "Ни на кого не похожая JVC GZ-HD7ER"). С одной стороны повышается чувствительность матрицы (благодаря комбинированию сигналов из соседних строк), а с другой стороны падает вертикальное разрешение.

Попробуем проверить гипотезу об "интерлейсном" фильтре. Для этого необходимо снять видео при слабом освещении с одной и той же диафрагмой, выдержкой и усилением. Как уже отмечалось выше у камеры Canon HV20 нет полностью ручного режима. Пойдем на хитрость — вместо диафрагмы зафиксируем выдержку затвора: выбираем режим Tv (приоритет выдержки). Тогда при слабом освещении камера будет вынуждена снимать при одной и той же полностью открытой диафрагме (в данном случае). Итак, что же у нас получилось (рис. 7):

У интерлейса как будто немного меньше разрешение (более размытая картинка) и меньше шума (зерна). С одной стороны это согласуется с теорией "интерлейсного фильтра", но с другой уж очень похоже на искусственное (программное) шумоподавление. В "честности" прогрессива также заставляют сомневаться подозрительные артефакты в виде полос, которых у 25p по идее быть не должно. Эти "отслоения" отчетливо проявляются на красном цвете (см. рис. 8):

Примечание. Надо заметить, что проблема с красным цветом есть не только у модели Canon HV20. Подобные "отслоения" проявляются, например, у видеокамеры Canon HF10, у которой другая матрица и другой формат записи (MPEG-4 AVC/H.264).

Часть II. Panasonic HDC-HS9

6. HDC-HS9. Особенность кодирования

При тестировании видеокамеры HDC-HS9 была замечена одна особенность. Первые кадры после начала съемки идут в плохом качестве (особенно в режиме 50i). Качество картинки стабилизируется только после первой секунды (см. рис. 9):

Подобная картина наблюдается и на других камерах с кодеком MPEG-4 AVC/H.264, но в меньшей степени. Напомним, что в настоящее время H.264-кодек фактически является стандартом для большинства выпускаемых видеокамер. Это объясняется, в первую очередь, большей эффективностью сжатия при том же качестве (битрейте). В дальнейшем для тестов будем использовать более качественные кадры — спустя 3 сек после начала съемки. При съемке футажей необходимо учитывать эту особенность и снимать видео с небольшим "черновым" запасом.

7. HDC-HS9. Сравнение 50i и 25p

Первый тест — съемка на натуре (рис. 10):

Разница между 50i и 25p после первой секунды съемки практически не видна. У 25p как будто немного лучше детали.

Идем дальше — сравним резкость по тестовой мире (рис. 11):

По результатам тестов для Panasonic HDC-HS9 визуальная разница между 50i и 25p не существенна. Прогрессивное видео все-таки содержит меньше артефактов и занимает меньший объем на диске. Надо отметить, что картинка у Panasonic HDC-HS9 выглядит мене качественной чем у Canon HV20. И эта разница не только из-за более низкого битрейта (17 Мбит/с против 25 Мбит/с у Canon). Скорее всего основная причина — меньший размер матрицы. Надо отметить, что у новой модели Panasonic HDC-SD300 (март 2009) качество видео значительно улучшилось и не уступает Canon HV20. У HDC-SD300 используется уже другой тип матрицы с большей площадью.

Часть III. Sony PMW-EX1

8. Sony PMW-EX1. Сравнение 50i и 25p при хорошем освещении

Если до этого мы рассматривали бытовые камеры, то теперь дошла очередь до "монстра" профессионального уровня — камкордер формата XDCAM HD с датчиками изображения 1/2 дюйма (рис. 12):

Из рис. 12 видно, что разница между 50i и 25p существенна — вот он "честный" прогрессив! В подтверждение теории "интерлейсного фильтра" у 50i падение разрешение по горизонтали сильнее вертикального (рис. 13):

9. Sony PMW-EX1. Сравнение 50i и 25p при слабом освещении

При слабом освещении наблюдается все та же разница в разрешении между интерлейсом и прогрессивом. Прогрессивное видео более четкое чем интерлейсное. Поскольку используется усиление 9dB картинка приобретает небольшую "шершавость", то есть становится чуть более шумная. Хотя шумы у Sony PMW-EX1 при 9dB практически не заметны (вот что значит большая матрица!).

Часть IV. Движение в кадре

10. Сравнение 50i и 25p на сценах с движением

Итак, для статичных сцен победа на стороне прогрессива — по результатам тестов 25p-видео получается более четкое и детальное, с меньшим числом артефактов. Но, как говориться, есть и обратная сторона медали — у 25p движение в кадре воспринимается более прерывисто, чем у интерлейса 50i. Стробоскопический эффект особенно ярко проявляется, когда осуществляется панорамирование или объект движется вдоль поля кадра (см. рис. 16):

Кроме того, интерлейсное видео позволяет получить более качественное (более плавное) замедление (рис. 17). Такое замедление уменьшенное, например, для веба, почти не будет отличаться от "настоящего" замедления (slow motion), полученного из прогрессивного видео 50p. Последний режим обычно присутствует в дорогих видеокамерах профессионального уровня, например, в рассмотренной выше Sony PMW-EX1 (обычно прогрессив 50p/60p записывается не в Full HD, а 1280 x 720 пикселей).

11. "Искусственное" повышение плавности движения для прогрессивного видео

Двадцать пять кадров в секунду маловато для обеспечения плавности динамичных сцен. Стробоскопический эффект можно уменьшить, если увеличить число кадров, например, в два раза, то есть осуществить переход 25p->50p.

Простое растягивание по времени, как правило, заключается в дублировании исходного кадра — это мало что меняет, "дерганность" остается. В некоторых видеоредакторах возможно смешивание (blend), когда соседние кадры накладываются друг на друга — уже лучше. Ну а более интеллектуальные алгоритмы позволяют интерполировать (дорисовать) промежуточные кадры из соседних, как если бы они были сняты в реальности (ну почти так) — см. рис. 18. В этом случае понадобятся специальные программы или плагины, которые анализируют соседние кадры и выделяют на них статичные области, которые не надо трогать, и движущиеся объекты, которые требуется смещать. К таким плагинам относятся: RealViz Retimer, Twixtor, MVTools и др. (см. подробнее статью с ixbt "Замедление видео").

Технология "умного" увеличения частоты кадров получила название Digital Natural Motion (DNM) и c 2003-го года применяется в телевизорах и плеерах. Впервые DNM появился в телевизорах Phillips. Из проигрывателей первым был WinDVD. К сожалению, в WinDVD опция Trimension DNM почему-то не доступна для проигрывания видео из файла. Преодолеть эту трудность поможет бесплатный плагин MVTools с фильтром AviSynth, которые можно подключить к Media Player Classic (см. "Просмотр видео на компьютере с эффектом плавности движений").

Технология Digital Natural Motion хоть и позволяет добиться наилучшей плавности движений, но в то же время имеет недостатки:

• во-первых, интерполяция в реальном режиме требует достаточно мощного процессора, что удорожает стоимость техники (пока эта функция доступна лишь в нескольких моделях телевизоров);
• во-вторых, для сложных сцен алгоритм не справляется с отделением объекта от фона и возможно появление искажений (см. фонарь на рис. 18);
• в-третьих, эта опция не всем придется по вкусу — движение в фильмах (у которых 24p) может восприниматься неестественно плавно, не так как мы привыкли видеть в кино.

Примечание касательно производительности процессора для Digital Natural Motion. Фильтр AviSynth с плагином MVTools дает весьма хороший результат (на мой взгляд, "интерполирует" лучше, чем WinDVD). Процессор Intel Core 2 Duo E8400 3.0 GHz справляется с видео 1280x720/25p пикселей или меньше, а вот Full-HD 1920x1080/25p уже не тянет (использовал версию MVTools для многоядерных и многопроцессорных систем).

12. Повышение плавности движения для прогрессивного видео при съёмке

Итак, как уже упоминалось выше стробоскопический эффект у прогрессива 25p можно "убрать" при просмотре. А теперь давайте рассмотрим, как добиться большей плавности прогрессивного видео при видеосъемке.

Во-первых, следует обратить внимание на скорость затвора. Чем короче выдержка, тем четче получается объект, но тем сильнее выражен стробоскопический эффект (рис. 19, 20).

Чем длиннее выдержка, тем сильнее смазывается движущийся объект, но, как ни парадоксально, для человека такое движение воспринимается более плавным (рис. 20). На практике может понадобится тестовая съемка, чтобы определить, какая выдержка (1/50 или 1/25) лучше подходит для конкретного случая (см. также статью Михаила Транзакта "Как стать Феллини. Снимаем кино видеокамерой").

Примечание. При ярком освещении (например, солнечным днем) автоэкспозиция камеры может выставить очень короткую выдержку (1/200 с и короче). Чтобы избежать стробоскопического эффекта путем смаза движения придется увеличить выдержку, например, прикрыв диафрагму. Однако это не всегда хорошо — с увеличением диафрагмы теряется размытие фона и падает разрешение из-за дифракционного размыливания. Как вариант, можно применять нейтральные серые фильтры. Кстати, в камере Sony PMW-EX1 имеются встроенные нейтральные (ND) фильтры.

Вторым моментом повышения плавности движения в кадре является умелая работа оператора: выбор точки съемки, траектории движения камеры, скорости панорамирования и т.п.

Например, для уменьшения стробоскопического эффекта при съемке движущейся машины (рис. 21) подойдет съемка проводкой (рис. 22), когда камера сопровождает движущийся объект. Это не только уберет "рывки", но и сделает сцену более интересной.

Примечание. К сожалению при съемке камерой Nikon D90 не было под рукой штатива. Из-за качания камеры (рис. 21) на полном кадре заметен неприятный "резиновый" эффект. Такие искажения (roll- или wobble-эффект) объясняются построчным считывания информация с матрицы в режиме видео. У второй зеркалки с возможностью видео Canon 5D II эффект качания картинки также присутствует, но в меньшей степени. Использование штатива решает проблему "резиновых" искажений. Для плавного панорамирования и съёмки "проводкой" желательно использовать штатив со специальной головкой для съемки видео.

---

 

Основные выводы

• При съемке широким углом (например, съемка ландшафта) и хорошем освещении, целесообразно прикрыть диафрагму на одну-две ступени (например, для HV20 до f/2,8 … f/4) — с одной стороны это увеличит глубину резкости, а с другой — даст более четкое изображение по всему полю кадра с меньшим числом артефактов.
• Для статичных сцен однозначно лучше использовать прогрессив 25p — картинка по сравнению с интерлейсом 50i получается более четкая. В условиях низкой освещенности прогрессив, за счет более длинной выдержки дает более качественную картинку (так как используется меньшее усиление).
• При съемке движения интерлейсное видео воспринимается более плавно. Если используется прогрессивный режим, то для уменьшения стробоскопического эффекта целесообразно искать подходящую точку съемки и траекторию движения камеры, а также использовать длительную выдержку затвора (1/50 — 1/25 с) с целью смаза быстрого движения в кадре.
• Интерлейсное видео 50i позволяет получить более качественное (плавное) замедление, особенно если предполагается использовать видео в уменьшенном размере (например, для веб-публикации).

---

 

Выводы применительно к стоковому видео

Что касается съемки видеофутажей для фотобанков, то, на мой взгляд, такое видео целесообразно снимать в прогрессиве 25p (а еще лучше в 30p):

• Прогрессивное видео менее требовательно к профессиональным навыкам покупателя. Меньше вероятность, что при монтаже перепутают поля.
• Прогрессив проще перевести в другие размеры (уменьшить). Для интерлейса, например, при переводе в прогрессив необходим деинтерлейсинг. Современные видеоредакторы делают это автоматически, однако, при уменьшении интерлейсного видео могут возникнуть неприятные эффекты. Обычно они проявляются в виде мерцания/дрожания мелких деталей или тонких линий (иногда используется термин "дрысь").
• Учитывая, что стоковое видео все чаще используется в интернете, то выбор также на стороне прогрессива. Популярные видеоплееры в браузерах (Adobe Flash Player) просто-напросто не умеют играть интерлейс. Свежая версия Silverlight 3 также не поддерживает чересстрочный режим.

Сказанное выше не означает, что интерлейс плохой. Просто это другой формат, который изначально предназначался для ЭЛТ-телевизоров. Однако, не смотря на то, что сейчас почти везде ЖК-дисплеи, интерлейс продолжает жить. Возможно это в первую очередь объясняется более плавной передачей движения, а движение, собственно, есть ключевой момент видео!

Автор выражает благодарность Сергею Мерькову (главному редактору раздела "Видео" на ixbt.com) за предоставление тестовых материалов по видеокамере Panasonic HDC-HS9 и критику, а также фотографу/видеографу Алексею Кузнецову за предоставление тестовых материалов по видеокамере Sony PMW-EX1.

25 марта 2009 Обновлено: 25 октября 2009