Черные полосы или кривые лица: Особенности вещания широкоформатного контента

До недавнего времени телевизоры имели экраны с соотношением сторон 4:3. Появление экранных матриц 16:9 с одной стороны предоставило возможности для удобного и качественного просмотра широкоэкранного контента (фильмов) в домашних условиях, а с другой привело к появлению проблем правильности передачи и восстановлению пропорций изображения на оборудовании телезрителей.Телевидение появилось достаточно давно, и проблема несоответствия размера кадра размеру экрана началось в тот момент, когда по телевизору стали показывать широкоэкранные фильмы, снятые для кинотеатров. Обрезать кадр по ширине, конечно, не стали – в результате могли пропасть важные части изображения, и на экране телевизора сверху и снизу кадра появились черные полосы, так называемые “каше”. Сам кадр с этими черными полосами сверху и снизу обычно называют letter box.
Старые телевизоры имели экран с соотношением сторон 4:3. Возможность просмотра копий широкоэкранного контента (фильмов) в домашних условиях повлекла за собой вполне предсказуемый и во многом чисто маркетинговый шаг разработчиков телевизоров – создание экранных матриц 16:9, якобы более соответствующих человеческому зрению и обладающих большей степенью воздействия на зрителя.

При переходе к телевидению высокой чёткости именно эти пропорции стали фактическим стандартом экранов новых телеприемников. Казалось бы, полное торжество современных технологий, но возникает несколько достаточно серьезных проблем. И прежде всего у телезрителей.

Владелец современного телевизора с соотношением сторон 16:9, принимающий, к примеру, программы HDTV спутникового оператора “Платформа HD”, при переключении своего приемника на центральные общероссийские телеканалы стандартного разрешения получает видео с другим соотношением сторон 4:3. Его показ без перенастройки параметров отображения приведёт к искажению пропорций – растягиванию картинки по горизонтали. В кадре появляются характерные широкие лица. Любой из нас мог видеть подобный эффект на вокзалах, в аэропортах, в барах, кафе и других местах публичного просмотра общероссийских телеканалов на больших экранах. Для сохранения пропорций при сохранении вертикального размера кадра приходится добавлять слева и справа черные полоски – каше. Изображение с такими полосками называется pillar box.

Обратный эффект наблюдается на телевизоре с пропорциями 4:3, хозяин которого хочет посмотреть программу 16:9. Если изображение не достраивается каше сверху и снизу (letter box), кадр вытягивается по вертикали, на экране появляются длинные и вытянутые лица.

Еще более неприятный эффект возникает, когда при двойном преобразовании кадра – на этапе подготовки к вещанию и при отображении на телевизоре – изображение достраивается каше со всех сторон. Такой вид изображения называется postage stamp – почтовая марка, и он может получаться как на телевизорах 16:9 (при просмотре канала 4:3, в который вставлен широкоформатный контент), так и на телевизорах 4:3 (в последнем случае – при просмотре HD-канала, показывающего контент, снятый в SD 4:3).

Для избавления от искажающих эффектов необходимо всякий раз перенастраивать телевизор, указав ему, какими пропорциями обладает изображение в данный момент на том или ином канале. Для автоматического совершения этой операции телевизор или STB должен получать и корректно обрабатывать информацию о пропорциях получаемого изображения. В видеопотоке, в этом случае, должны быть указаны специальные метки, наличие или отсутствие которых лежит на совести вещателей и телекомпаний и зависит от их технических возможностей.

Метки

Существует несколько механизмов автоматического отслеживания и управления правильностью пропорций картинки на всей цепочке производства и вещания. Первый называется Wide Screen Signaling (WSS) и представляет собой 14-битную цифровую последовательность, передаваемую в составе телевизионного сигнала. В последовательности передается информация о пропорциях и способе формирования экранного изображения (в том числе информация об использовании каше). WSS разрабатывался достаточно давно для того, чтобы телевизоры 4:3 правильно отображали видео 16:9 и 14:9, и подходит как для аналогового, так и для цифрового ТВ. Несмотря на то, что сигнал умеет понимать достаточно большое количество оборудования, WSS не используется в стандарте HDTV и в настоящее время вытесняется более современным механизмом AFD.

Active Format Description (AFD) представляет собой 4-битный код, с помощью которого можно описать возможные положения активной (видимой) части изображения внутри передаваемого кадра. Когда размер кадра и активная часть изображения не совпадают, информация о свободных областях внутри картинки передается с помощью дополнительного 5-байтного кода Bar Data. Для указания экранных пропорций используется специальный бит Aspect Ratio (AR). Он указывает на то, является ли картинка 16:9 (1) или 4:3 (0).

Основным стандартом, описывающим коды AFD и Bar Data, является SMPTE 2016-1.
Международная ассоциация SMPTE при разработке последних версий стандартов старается сохранить правильную интерпретацию сигнала на всех стадиях процесса, от медиапроизводства до вещания, чтобы потребитель мог видеть именно то изображение, которое производитель контента и вещатель хотели ему показать. Механизм AFD и Bar Data является частью спецификации DVB.

Для работы вышеописанных механизмов, необходимо, чтобы коды были включены в передаваемый сигнал, а оборудование на принимающей стороне умело их корректно обрабатывать. Но, вообще говоря, это не всегда так. Приёмные устройства конечных пользователей не обязаны обрабатывать WSS или AFD, поскольку все соответствующие стандарты и спецификации являются рекомендательными.
Помимо кодов AFD и Bar Data для передачи изображения 16:9 в кадре 4:3 часто используется так называемый “анаморф”, когда широкоэкранное изображение помещается в кадр 4:3 сжатым по горизонтали с установленным AR 16:9. Анаморфная картинка восстанавливается на принимающей стороне с исходными правильными пропорциями.

Анаморф

Чтобы дать определение «анаморфированного» изображения, нужно вспомнить, о существовании понятий «квадратного» и «прямоугольного» пикселей. В данном случае пикселем мы будем называть не физическую точку на устройстве отображения, а минимальный элемент просматриваемой видеокартинки. Квадратные пиксели (Pixel Aspect Ratio = 1:1) чаще используются при работе с компьютерной графикой, прямоугольные – при работе с видео. Пропорция пикселя 625-строчного видео в системе PAL согласно требованию стандарта ITU-R BT.601 составляет 59:54=1,09259. Как следствие, для корректного отображения телевизионной картинки PAL с пропорциями сторон 4:3 необходимо, чтобы картинка имела по горизонтали либо 768 квадратных пикселей (768/576=4/3=1,33), либо 720 прямоугольных пикселей (720*1,09/576=1,365 – чуть больше соотношения 4/3, кадр обрезается на 8 пикселей по бокам при выводе на экран). В случае с широкоэкранным материалом для отображения картинки с пропорциями 16:9 необходимо использовать для передачи тот же размер кадра 720х576, но пиксел в этом случае станет еще более «широким», его пропорции будут составлять 118:81=1,4567. Материалы с квадратным пикселем могут храниться или записываться на Play-out сервер, однако при передаче данных формат пикселя должен быть приведен к прямоугольному (59:54 или 118:81) для cоответствия телевизионному стандарту PAL (720×576). Метод передачи широкоэкранного контента, подразумевающий визуальное «сжатие» по горизонтали и восстановление на устройстве отображения, с использованием прямоугольных пикселей с различными пропорциями называется «анаморфированием». Алгоритмы по преобразованию широкоэкранного изображения для вещания существуют в различном оборудовании, которое используется как на стороне телекомпании, так и на стороне оператора. При этом учитывается, что в исходном потоке или файле всегда присутствует флаг AR (aspect ratio), определяющий соотношение сторон и принимающий значения 16:9 либо 4:3. Использование определенного формата пикселя и установка флага пропорций указывают оборудованию, каким образом нужно передавать и воспроизводить конкретный сигнал. Видеопоток кодируется и хранится в контейнере в том разрешении, которое было в исходнике. При использовании анаморфа горизонтальное разрешение переданного широкоэкранного контента «восстанавливается» на принимающем оборудовании, что позволяет отобразить полную картинку на телевизоре 16:9. Технология анаморфирования применяется для того, чтобы во время вещания сохранить максимум полезной видеоинформации, избежав пересчета кадра с масштабированием, что важно при просмотре широкоэкранного контента, как SD, так и HD.