Фарватер правильных решений
В индустрии видеонаблюдения традиционно в центре внимания находятся телекамеры и устройства видеорегистрации, средства отображения обычно остаются в тени, хотя именно мониторы всегда у нас на виду. Именно их мы видим в первую очередь в центре мониторинга, именно они помогают нам визуально оценить качество системы видеонаблюдения. Тем не менее, очень немногие специалисты обращают внимание на качество самих мониторов, так как большинство уверено в том, что уж с мониторами никаких проблем не должно быть, поскольку они способны отобразить картинку значительно более высокого качества, чем могут передать телекамеры. Увы, эта уверенность все меньше имеет под собой оснований, с тех пор как в системах видеонаблюдения стали отказываться от мониторов на электронно-лучевых трубках и переходить на ЖК-мониторы.
Авторы статьи на примерах рассматривают многие проблемы отображения композитного аналогового видеосигнала на ЖК-дисплее и объясняют их причины. Свой опыт и усилия, потраченные на поиски идеального (или близкого к идеальному) монитора для систем видеонаблюдения, они собрали и обобщили в предлагаемой вашему вниманию статье. Многие подводные камни, совершенно неочевидные даже для специалистов, связанные с отображением аналогового видеосигнала на цифровом дисплее в статье представлены очень наглядно, чтобы вы знали, на что можно и нужно обращать внимание при выборе монитора.
ВВЕДЕНИЕ. ВЗГЛЯД В ПРОШЛОЕ
Авторы этой статьи еще застали те благословенные времена, когда в качестве передающих устройств использовались видиконы, а в мониторах применялись исключительно электронно-лучевые трубки.
Трудно себе представить, но на различных решетчатых структурах можно было увидеть только решетку, а не разноцветье непонятно откуда возникших квадратиков. И тогда прямая линия действительно отображалась прямой линией.
Конечно, эта прямая могла быть не совсем уж и прямой, но, как бы то ни было, она ничем не напоминала лестничный пролет в профиль. Естественно, требовалось иметь высокую квалификацию и потратить достаточно времени, чтобы настроить и телекамеру, и монитор, используя несколько десятков взаимозависимых регулировок для каждого устройства и убирая различные искажения, пространственные и амплитудные, тянучки, ореолы, бочки, подушки и прочая, и прочая. Но уж если вы настроили, то могли наслаждаться замечательным изображением… пока не требовалась новая регулировка.
И когда появилась первая телекамера на ПЗС-матрице, то возник естественный вопрос: как же эта штука может работать, без единой доступной регулировки, да еще и питаясь практически от батарейки? Но она работала, более того, от года к году формируемое ею изображение становилось все лучше и лучше. К сожалению, формат передаваемого сигнала был унаследован от предшественников: все та же чересстрочная развертка, поскольку уж очень хотелось обеспечить совместимость двух поколений. И эта совместимость была обеспечена – телекамера с чересстрочной разверткой и монитор, синхронизируемый сигналом телекамеры.
Мониторы, созданные на основе электронно-лучевых трубок, отлично справлялись со своими обязанностями, особенно, если шла речь о черно-белом изображении. Характеристики черно-белых трубок существенно превышали характеристики телекамер. Что же касается цветного изображения, то высоким качеством могли похвастаться только мониторы самого высокого ценового диапазона, имеющие достаточно сложную электронную начинку.
ВВЕДЕНИЕ. ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ
После появления в эпоху компьютерной революции плоских ЖК-мониторов вопрос повышения качества цветного изображения, казалось бы, был решен. Изображение на компьютерном мониторе имело существенно более высокую четкость и обеспечивало замечательное качество. Правда, оказалось, что для получения реального изображения аналогичного качества нужны абсолютно другие телекамеры (мегапиксельные, формирующие изображение большого разрешения) и абсолютно другие сети (гигабитные, обеспечивающие передачу колоссальных потоков информации, в которые превращались эти изображения).
ВВЕДЕНИЕ. ВЗГЛЯД В НАСТОЯЩЕЕ
Но эти мегапиксельные телекамеры и гигабитные сети смогут составить реальную конкуренцию только завтра, когда это позволят их качество и стоимость. А что же мы имеем сейчас?
Выпуск трубочных мониторов практически прекращен. Те мониторы, которые еще можно найти в продаже, редко имеют высокое качество. Да и зачем использовать технику прошлого века, если сейчас вы можете купить ЖК-монитор любого производителя и любого размера и подключить его к вашему компьютеру или видеорегистратору. Но если вы не захотите терять в качестве изображения или расходовать средства на модернизацию аппаратуры, имея, например, отлаженную систему телевизионного наблюдения на основе матричного коммутатора, то вы, конечно, захотите приобрести ЖК-мониторы, специально выпускаемые для CCTV, то есть мониторы с аналоговым, желательно композитным, входом.
И тут вас может подстерегать неприятная неожиданность. Во-первых, вам будет очень трудно найти такой монитор с требуемыми вам характеристиками. На ваши запросы, скорее всего, ответят: «17 дюймов? Пожалуйста! 19 дюймов? Пожалуйста! С креплением в стойку? Нет проблем. PAL/NTSC? Обязательно. Автосогласование по видеосигналу? Конечно. 550 ТВЛ? Извините. Какие телевизионные линии? У нас пиксели, 1280х1024!»
И сколько бы вы не доказывали, что параметр «количество телевизионных линий» есть инструмент, позволяющий определить, насколько хорошо монитор будет воспроизводить мелкие детали изображения, ваш собеседник не поймет вас. Он уверен, что в любом случае почти полтора миллиона пикселей обеспечат настолько хорошее изображение, что говорить о таких мелочах, как 500 телевизионных линий, просто неприлично.
Эта тенденция приводить разрешающую способность не так, как принято в телевидении, в телевизионных линиях, а в пикселях, существенно усилилась в последнее время с распространением сетевых телекамер.
Возникает вопрос: каким образом и какими средствами можно измерить разрешающую способность телевизионного тракта в пикселях? Что за тестовую таблицу необходимо поставить перед телекамерой и по каким элементам таблицы оценивать разрешение по горизонтали и по вертикали? И если такой подход еще применим к многомегапиксельным телекамерам в предположении, что в любом случае эта телекамера обеспечит изображение существенно лучше, чем стандартная камера с высоким разрешением, если будет иметь такое же поле зрения, то реально он ничего не говорит о качестве в других условиях.
Вспомните рекламу, которую вы видели десятки или сотни раз, где показана какая-нибудь очень симпатичная картинка. И есть две рамки, широкая и высокая для мегапиксельного чуда, а в ней маленькая и незаметная для телекамеры формата D1. Иногда можно прикинуть, что пропорции размеров этих двух рамок абсолютно не соответствуют количеству пикселей, но не это самое интересное. А интереснее всего то, что при этом количество пикселей на единицу площади у этих двух телекамер будет одинаково, а какое при этом будет качество, насколько мелкие объекты смогут при этом различать телевизионной системой, не знает никто. Впрочем, мы несколько удалились от темы.
Во-вторых, даже если вам предложат монитор, для которого известен этот параметр, не факт, что вас устроит качество изображения этого монитора. Конечно, и с кинескопами вопрос о качестве изображения стоял достаточно остро. Мониторы с простой схемотехникой не могли обеспечить высокого качества цветного изображения, а так называемые «цифровые» мониторы (с гребенчатыми фильтрами) показывали заметно лучшую картинку. Ситуация же с ЖК-мониторами существенно более сложная, но к ней мы обратимся несколько позднее, а сейчас ненадолго вернемся в прошлое.
В 2004 году журнал «CCTV фокус» опубликовал перевод замечательной статьи канадского инженера Эндрю Янга [1]. Среди многих интересных моментов, которые Э. Янг рассматривал в своей статье, был один просто поражающий воображение. По его мнению, разработчики цифровой техники для CCTV вообще не воспринимают понятие телевизионная линия, они действительно мыслят в категориях количества пикселей. И их абсолютно не тревожит тот факт, что видеосигнал в их устройстве претерпевает различные преобразования, которые могут существенно портить его качество.
Сейчас 2010 год, но положение только ухудшилось. Можно привести очень интересный факт. На прошлой выставке SecuTech Expo на вопрос: «А сколько телевизионных линий обеспечивает ваше устройство (имеется в виду цифровое устройство, монитор, видеорегистратор, сетевая камера)?», могли ответить только два менеджера из десяти, а обсуждать технические подробности, связанные с этими параметрами, — только половина инженеров. И это не просто фирмы-продавцы, а разработчики и производители оборудования.
Иногда дело доходило до абсурда. Обрадованные высоким разрешением (540 ТВЛ), обещанным производителем для сетевой телекамеры, но удивленные ее реальным качеством (460 ТВЛ), мы провели маленькое расследование. Оказалось, что 540 ТВЛ – это действительно реальная цифра, которая имеет под собой основания. Но только ее заявляла фирма Sony для своей матрицы, а к камере, как вы понимаете, эта цифра имела только косвенное отношение: лучше этого быть не могло.
Что и говорить, качество воспроизведения аналогового видеосигнала на некоторых протестированных цифровых устройствах было настолько низким, что возникали мысли об их неисправности. Венцом творения можно было считать монитор с диагональю 19’’, который имел горизонтальное разрешение около 350 ТВЛ и высокий уровень помех и шумов.
ЧТО ЖЕ МЫ ХОТИМ ПОКАЗАТЬ?
Что же мы хотим показать в этой статье? А хотим мы показать, что можно ожидать от современных мониторов и чем вы рискуете, покупая CCTV-монитор без тщательной проверки качества его работы. Все наше внимание мы обращаем на CCTV-мониторы, мониторы с аналоговым композитным входом, которыми в последнее время интенсивно заменяют мониторы с ЭЛТ в системах охранного телевидения. Наше повествование мы будем сопровождать фотографиями с экранов некоторых, далеко не самых худших устройств.
Практически все фотографии сделаны с использованием тестовых изображений, формируемых генератором TPG-8D.
Это, во-первых, обеспечивает возможность честного сравнения изображений с различных мониторов, а во-вторых, позволяет значительно более отчетливо увидеть те недостатки, которые присутствуют на реальных изображениях и субъективно характеризуются словами «что-то плохо показывает», Кстати, иногда недостатки умышленно скрываются демонстрацией конкретного изображения, например такого, которое не имеет мелких деталей. К сожалению, это не очень профессиональные фотографии, несколько ухудшающие реальное качество, но они дают достаточное представление о разбросе уровней этого качества. К еще большему сожалению, не всегда удалось избежать появления муаров, которые обусловлены не плохим качеством мониторов, а биениями частот, вызванными тройной последовательной дискретизацией сигнала (в генераторе, в мониторе и в фотоаппарате).
Следует отметить, что основное внимание мы обращали не на параметры, которые зависят в основном от качества ЖК-панели, как, например, яркость, контрастность или угол обзора, а на качество реального воспроизводимого изображения, требуемого от монитора системы телевизионного наблюдения, в которой используются аналоговые телекамеры. Как известно, производителей качественных ЖК-панелей можно практически пересчитать по пальцам, и все панели очень похожи друг на друга. А вот производителей мониторов существенно больше, и каждый стремится либо сказать новое слово в мониторостроении, либо выпустить в продажу как можно более дешевое устройство. И не всегда это устройство, к сожалению, может иметь необходимые для монитора качества.
Чтобы можно было отчетливо видеть, к чему будет приводить торжество инженерной мысли, на Рис. 1 мы показываем реальное изображение родственницы нашей таблицы, разработанной Владо Дамьяновски [2], которая имеет те же основные элементы, что и таблица в нашем генераторе, и, что самое главное, с таким же качеством.
Конечно, генератор телевизионного сигнала TPG-8D не является особенно прецизионным прибором и вносит свои погрешности при формировании телевизионного сигнала, но при сравнительном анализе этим можно пренебречь.
ЧТО ЖЕ МЫ МОЖЕМ ПОЛУЧИТЬ?
Что же мы можем получить от современного ЖК-монитора с композитным видеовходом? Давайте посмотрим на фотографию с экрана изделия от весьма достойного производителя, приведенную на Рис.2.
Что мы можем сказать про это изображение. Изображение тоже достойное. Горизонтальное разрешение чуть-чуть более 500 ТВЛ, вертикальное разрешение – параметр, которым обычно пренебрегают, объясняя это меньшей чувствительностью человеческого глаза к уменьшению разрешения по вертикали, – соответствует стандарту разложения 625 строк без учета коэффициента Келла, так как тестовое изображение сформировано цифровым способом.
Контуры фигур достаточно четкие, только в центральной розетке при достаточном увеличении видны зубчатые края и всполохи. Физиономии ребятишек чистые и легко распознаваемые, отчетливо видно 10 градаций серого, но на самом мониторе можно увидеть и все одиннадцать.
Другие показательные элементы присутствуют на второй таблице генератора. Первый из них (Рис. 3) показывает, как монитор отображает наклонную прямую линию, а второй (Рис. 4) — концентрические окружности.
И здесь можно четко видеть, что, хоть прямая линия и передается, как, впрочем, это и должно быть, лесенкой, ступеньки у этой лесенки четкие, равномерные и одинаковые. Кажутся великоватыми четко выраженные перерывы между ступеньками, так как реальная линия непрерывная, но это почти незаметно. Концентрические окружности достаточно чистые, ореолы тоже почти незаметны, а изогнутые горизонтальные кривые, показанные на Рис. 5, почти радуют глаз. Обратите внимание, к сожалению, все почти.
Конечно, хотелось бы иметь несколько более естественные цвета и плавные цветовые переходы, но, с одной стороны, для CCTV- монитора незначительные искажения цвета не есть очень большой грех, а с другой стороны, с цветами и переходами еще надо разбираться. Есть подозрение, что здесь более виноват сам генератор. Да и эффекты оптических иллюзий типа полос Маха никто не отменял.
Но есть один существенный недостаток у этого монитора. Произведенный для бренда и продаваемый под маркой бренда он имеет настолько высокую цену, что приходится семь раз подумать, прежде чем принять решение покупать этот монитор.
Посмотрим на второй монитор, причем основное внимание будем акцентировать на его специфических особенностях. На Рис. 6 показан участок вертикального клина. Если немного прикрыть глаза, то можно посчитать, что разрешение по горизонтали приближается к 500 ТВЛ. Но вот поведение линий клина просто вызывающее. Они поднимаются какими-то неравномерными ступеньками, словно утес, подготовленный для подъема неопытных альпинистов.
Разрешение по вертикали, которое можно оценить на Рис. 7, тоже соответствует всем стандартам, но прерывистость и ступенчатость линий могут ставить эту цифру под некоторое сомнение.
Центральная розетка, показанная на Рис. 8, тоже выглядит не самым лучшим образом. Видны явно выраженные геометрические искажения и всполохи, стремящиеся в фиолетовый и желтый цвета, да и на концентрических окружностях, изображенных на Рис. 9, уже достаточно отчетливо можно увидеть ореолы.
И, конечно, не очень хорошо смотрится двойная линия по окружности и расплывание розового фона по надписи, показанные на Рис. 10.
Посмотрим на третий монитор. Фотография таблицы генератора с его экрана показана на Рис. 11.
Вам не кажется, что здесь что-то не то? Нет такой четкости, которую мы видели перед этим. Изображение, как говорят, слегка замыленное. Особенно это заметно на реальной картинке, на физиономиях ребятишек. Бросается в глаза основная особенность этого монитора. Этот монитор слишком живой, но не в смысле работающий и быстродействующий, а живущий своей жизнью. Вся его картинка «дышит», и каждый пиксель кажется абсолютно не связанным с соседними. Конечно, на бумаге абсолютно невозможно описать все процессы, происходящие на экране, но несколько последовательных фото- графий могут дать некоторое представление об этих процессах.
Сначала горизонтальный клин. С самой левой своей точки до уровня порядка 350 ТВЛ он представляет собой замытый сектор, получающийся наложением много- численных искаженных линий, пару мгновенных реализаций которых вы можете увидеть на Рис. 12 и Рис. 13.
Теперь наклонная линия, показанная на Рис. 14. Взгляните на нее внимательно. Это уже не та аккуратная лесенка, которую мы видели перед этим, а что-то, напоминающее след от автоматной очереди. К сожалению, кто-то недосмотрел, и патроны оказались разного калибра. Естественно, и следы от них оказались разные по яркости и размеру. Впрочем, она может принимать и абсолютно объяснимые очертания, вроде тех, что показаны на Рис. 15. Каждая вторая строка пропущена, иногда четная, иногда нечетная. На предыдущем же рисунке фотоаппарат очень удачно зафиксировал информацию из двух полукадров. А почему эта линия превратилась из аккуратных ступенек в жирные кляксы, очень хорошо видно на Рис. 16, на котором показан элемент этой линии с большим увеличением и накоплением за два кадра. Если раньше каждая отметка занимала в высоту максимум два-три пикселя, то теперь шесть-семь. И, естественно, центральная надпись на таблице, показанная на Рис.17, смотрится не очень аккуратно, если не сказать более прямо, абсолютно нечитабельно.
И, наконец, вертикальный клин, показанный на Рис. 18. И опять излом линий в районе 500 ТВЛ. Это не позволяет говорить о более высоком разрешении, хотя все предпосылки для этого есть. Есть еще несколько неприятных эффектов. Это и расплывающиеся цветные элементы, показанные на Рис. 19, и концентрические окружности на Рис. 20, где явно видны ореолы, а центральная розетка на Рис. 21, которая хотя и имеет великолепные геометрические формы, пытается изобразить из себя маленький фейерверк. Впрочем, на фоне уже описанных дефектов это сущие мелочи. Таких фотографий, ухудшающихся с каждым разом, можно привести неисчислимое множество, но, чтобы не утомлять вас повторяющимися и новыми ужасающими подробностями, в заключение предлагаем посмотреть на шедевр инженерного разума на Рис. 22, с экрана которого даже не сняли защитную пленку. Мы можем вас заверить, что это изделие тоже называется монитором. Конечно, ему далеко до тех 19-дюймовых красавцев, о которых мы говорили ранее; это монитор, имеющий диагональ экрана только 5.6’’, игрушка. Но он претендует на звание тестового монитора. Как можно было разработать такой монитор, который таким образом искажает изображение? И что можно протестировать таким тестовым монитором? Наверное, только работоспособность телекамеры и направление, в ко- тором она смотрит.
ТАК ПОЧЕМУ ЖЕ?
Так почему же все ЖК-мониторы, которые могут показывать замечательное компьютерное изображение, искажают телевизионный сигнал? Что же препятствует получению качественного аналогового изображения от источника композитного видеосигнала на экране ЖК-монитора?
Абсолютно не гарантируя полноту и глубину анализа, мы попробуем рассмотреть основные из этих факторов, не обращая внимания на давно привычные всем процессы, такие как АРУ, восстановление постоянной составляющей, компенсация уровня черного или калибровка каналов. Поскольку каждый производитель процессоров для обработки видеосигналов стремится реализовать свои собственные алгоритмы или в рекламных целях назвать давно уже известные алгоритмы другими словами, мы даже не можем гарантировать, что под разными словосочетаниями не скрывается описание одного и того же алгоритма.
Складывается впечатление, что достоверную техническую информацию можно обнаружить, только изучая теоретические статьи и патентную литературу, но вот определить, реализован ли этот алгоритм или патент в реальных устройствах и какие он претерпел изменения, практически невозможно.
Конечно, производителям мониторов и процессоров известны все технические подробности, но они совсем не стремятся делать их достоянием гласности. Правда, эти технические подробности для нас не особенно существенны, ведь нас, потребителей этой продукции, более интересует наличие качественного изображения на экране монитора. И все-таки попытаемся чуть-чуть вникнуть в эти подробности.
Как известно, существует три основные операции, которые необходимо совершить с композитным видеосигналом, чтобы отобразить его на экране ЖК-монитора и обеспечить при этом достойное качество. Это разделение яркостной и цветовой составляющих, операция деинтерлейсинга и масштабирование. Все эти операции совершаются в цифровом сигнальном процессоре, и, естественно, всему этому предшествует преобразование сигнала в цифровую форму.
Теперь ненадолго вернемся к режиму работы с компьютером. В настоящее время наиболее распространенным форматом передачи сигналов от компьютера к монитору является формат VGA, при котором на монитор передается аналоговый сигнал (три канала: R, G, B) и импульсы синхронизации.
Но этот аналоговый сигнал имеет явно выраженную дискретную структуру, обусловленную тем простым фактом, что рождается он в результате вычисления цвета и его интенсивности для каждого субпикселя в цифровой форме. На Рис. 23 показан вид такого сигнала для одного канала, состоящий из практически равномерных полочек, несущих информацию об уровне цветовой компоненты для каждого субпикселя, и переходных процессов при переходе от одного такого субпикселя к другому.
Естественно, если квантовать сигнал в моменты, соответствующие его полочкам, то мы будем получать честную информацию об уровне сигнала. Если же момент выборки будет попадать в зону переходов, информация об уровнях будет искажена, что сразу проявится на экране монитора. Поскольку длительность сигнала пикселя в реальной жизни очень мала и может достигать единиц наносекунд для современных широкоформатных мониторов, то точность и стабильность моментов оцифровки является очень важным фактором, который вносит определяющий вклад в качество изображения.
Для того чтобы обеспечить необходимую точность моментов выборки, монитор должен обеспечить их синхронизацию с частотой пикселей. Эту операцию выполняет цифровой модуль фазовой автоподстройки частоты, который синхронизирует частоту выборок со строчной частотой сигнала.
Более того, существуют специальные алгоритмы типа «Sum of pixel difference», которые обеспечивают поиск оптимального расположения импульса оцифровки в середине сигнала от пикселя. Такой алгоритм может не только улучшать качество изображения в нормальных условиях, но и при любом отклонении от этих условий, например при просмотре видеофрагмента с удвоенной скоростью.
Передать же три составляющие цвета (R,G, B) на соответствующие субпиксели (R, G,B) не является особо сложной задачей.
Вернемся к CCTV-мониторам. В настоящее время подавляющее большинство аналоговых телекамер CCTV формируют на выходе композитный видеосигнал. И хотя практически все они носят гордое название «цифровые», сигнал на выходе является абсолютно аналоговым. На Рис. 24 можно увидеть маленький фрагмент такого сигнала в одной строке, который отображает две узкие вертикальные линии и для исключения всяких проблем с оцифровкой, показан на настоящем трубочном осциллографе С1-81. В правом верхнем углу рисунка этот фрагмент показан так, как мы его видим на экране монитора. Достаточно отчетливо видны две вертикальные линии, каждая из которых вызывает соответствующий отклик в телевизионном сигнале. Учитывая, что длительность сигнала от пикселя составляет примерно 75 нс, можно утверждать, что левая линия имеет ширину 3-4 пикселя, а правая – 7-8, но выделить эти пиксели в сигнале абсолютно невозможно. Таким образом, модуль фазовой автоподстройки частоты может выполнить единственную операцию, произвести синхронизацию частоты выборок АЦП монитора со строчными импульсами телевизионного сигнала, обеспечивая процессору возможность действовать в соответствии с рекомендациями протокола BT.656, надеясь, что производитель телекамеры тоже руководствовался этим документом.
Что же касается сигналов цветности, то здесь ситуация стала еще сложней. В композитном сигнале, как известно, яркостная и цветовые составляющие перемешаны самым варварским способом. Если говорить очень кратко, то яркостная составляющая сигнала аддитивно сложена с цветовой поднесущей, промодулированной двумя цветовыми составляющими с использованием квадратурной модуляции. В результате такой операции «гребёнка» линейчатого спектра продуктов модуляции получается вложенной в свободные промежутки линейчатого спектра яркостного сигнала. Для родного всем нам стандарта PAL эта модуляция происходит на частоте 4.43 МГц. И чтобы получить качественное изображение при воспроизведении на мониторе, необходимо тщательно и с любовью их разделить. Эта операция в мониторе производится с помощью различных реализаций гребенчатых фильтров.
Двумерный (2D) цифровой гребенчатый фильтр, который ранее применялся очень широко, да и сейчас применяется в недорогих мониторах, не может обеспечить достаточное четкое разделение яркостной и цветовых составляющих. Этот фильтр использует внутрикадровую обработку сигналов, не требует больших ресурсов, но и оставляет достаточное количество артефактов на изображении, что можно увидеть на Рис. 25.
Помочь ему, по крайней мере, для стационарного изображения, может временная обработка сигналов, ведь для неподвижного изображения пиксели в соседних кадрах одинаковы. Такая обработка позволяет несколько сгладить пространственные искажения и практически удалить ошибки взаимовлияния цветовой и яркостной составляющих. Пример обработки этого же изображения с использованием трехмерного фильтра показан на Рис. 26. Конечно, при такой обработке используются существенно более объемные математические операции, позволяющие, однако, получить изображение существенно более высокого качества.
Если же в соседних кадрах присутствует сильное движение, то соответствующие пиксели существенно отличаются, и временная обработка таких пикселей не может обеспечить хорошего результата, более того, может произойти элементарное смазывание изображения. В этом случае двумерный фильтр обеспечивает лучшее изображение. Поэтому имеет смысл выделить области с движением и области без движения и обрабатывать их различными методами. Эту работу призван выполнить очень умный детектор движения, который производит попиксельную обработку изображения в соседних кадрах, находит пиксели, в которых имеются изменения, анализирует эти изменения и принимает решение о наличии или отсутствии движения в определенных областях. И после выделения таких областей производится их обработка разными алгоритмами, пространственными и временными, индивидуально для каждого пикселя с последующим объединением результатов на экране монитора.
Описанный выше интеллектуальный гребенчатый фильтр обычно называют «трех- мерный адаптивный к движению гребенчатый фильтр» (3D Motion Adaptive Comb Filter). Впрочем, имеются и другие варианты этого названия.
В последнее время все чаще используется так называемый «4Н Adaptive Comb filter». Не пугайтесь, четвертое измерение здесь не причем. «4H» означает, что алгоритм использует две линии задержки длительностью по две строки каждая и, следовательно, обеспечивает работу по трем последовательным строкам одного полукадра одновременно, а не по двум, как это делает стандартный алгоритм. Считается, что такой алгоритм обеспечивает более высокую степень разделения яркостных и цветовых составляющих, но показать это очень сложно.
Следующая необходимая операция — это операция деинтерлейсинга. Как известно, существует принципиальное различие в развертках телекамер и мониторов. Если телекамера использует, как уже говорилось, чересстрочную развертку, то ЖК-монитор склонен работать с прогрессивной разверткой, игнорируя понятия четного и нечетного полукадров. Поскольку полукадры разнесены не только во времени, но для движущихся объектов и в пространстве, то попытка простейшего сложения полукадров приводит к появлению бахромы на границах движущихся объектов, что отлично видно на Рис. 27. На фотографии автомобильной аварии, сымитированной на демонстрационном стенде ЗАО «Компания Безопасность», можно отчетливо увидеть, что величина этой бахромы зависит от скорости перемещения объекта. И если стремящийся улететь за горизонт черный BMW, траектория движения которого совпадает с направлением развертки, размазан достаточно равномерно, несчастный желтенький фургончик, который совершает, в основном, вращательное движение, имеет размазанные участки с различной интенсивностью. И эту интенсивность необходимо учитывать, чтобы получать высококачественное изображение.
Существуют множество алгоритмов деинтерлейсинга, но практически все они основаны на двух базовых. Один из них временной, который, как мы уже видели, осуществляет слияние двух полукадров вместе, чтобы получить один кадр. Второй — пространственный, использующий только один полукадр с интерполяцией результатов для создания кадра. Первый метод создает большое количество артефактов для движущихся объектов, но замечательно работает на спокойных сценах. Второй метод позволяет прекрасно работать с движением, но ценой уменьшения разрешения по вертикали. И даже модификация этого метода, в которой высокочастотная информация второго полукадра используется для корректировки результатов интерполяции и восстановления кромок объектов, не может исправить ситуацию.
И здесь опять предлагается использовать в мониторе адаптивный алгоритм, Motion Adaptive De-interlacing (адаптивный к движению алгоритм деинтерлейсинга).
Этот алгоритм объединяет лучшие стороны двух базовых методов. И опять на помощь приходит очень умный детектор движения, который определяет, имеется ли в каждом конкретном пикселе изменение или нет, а затем формирует области, в которых движение имеется, и области, в которых движение отсутствует. Области без движения обрабатываются первым методом, то есть методом объединения полукадров. А в областях с движением производится интерполяция этого движения на требуемый момент для каждого пикселя.
После объединения результатов этих двух процессов образуется качественное изображение с прогрессивной разверткой, которое вы можете увидеть на Рис. 28.
Впрочем, качество изображения будет зависеть от качества реализации алгоритма интерполяции. Иногда вы можете увидеть просто смазанное изображение, подобное тому, что приведено на Рис. 29. Впрочем, если производитель использует для монитора панель с большим временем отклика, что-то подобное вы можете увидеть и благодаря особенностям панели.
Третья обязательная операция — это масштабирование изображения. Сначала давайте вспомним особенности этой операции при работе с компьютером. Как вы знаете, каждый ЖК-монитор обладает так называемым «родным» разрешением, которое определяется структурой построения его матрицы. Например, для монитора с диагональю 19’’ матрица будет выглядеть как 1280×1024 пикселя. И если вы настроите свою видеокарту на работу в таком же режиме, то качество изображения будет выше всяческих похвал. Если же по какой-то причине вы будете вынуждены выбрать другое разрешение, то изображение на мониторе будет выглядеть существенно хуже: будут наблюдаться утолщенные линии и нечеткие контуры. Это естественное ухудшение, вызванное необходимостью масштабирования этого изображения.
Как известно, стандартная телевизионная камера имеет цифровое разрешение пространства порядка 720х576 пикселей, и, чтобы растянуть его на площадь 1280х1024 пикселей, надо хорошо постараться. Конечно, существует множество различных алгоритмов интерполяции, которые производят такое преобразование, но простенькие алгоритмы дают не очень хорошие результаты, а качественные алгоритмы требуют повышенных вычислительных ресурсов, что, естественно, повышает стоимость. Выбирать вам, но мы думаем, что вы не захотите постоянно наблюдать за изображением, на котором присутствуют искажения, показанные на Рис. 6.
И еще одно маленькое замечание. Все мы привыкли к тому, что соотношение сторон изображения у телекамеры и монитора одинаково – 4:3. Однако, это справедливо только для 15-дюймовых мониторов, мониторы с диагональю 17’’ и 19’’ имеют соотношение сторон 5:4. И это может вызвать некоторые сложности, когда вы постараетесь вписать изображение в полный экран. Вы получите геометрические искажения, окружность у вас станет отображаться слегка овалом, если, конечно, производитель не подумал за вас и не вырезал из сигнала «лишнюю» часть.
Следует отметить, что кроме этих основных моментов, которые каждый производитель процессоров для обработки видеосигнала решает по-своему, все они заявляют о своих собственных хитростях, о своих фирменных технологиях, таких как поддержание чистоты цвета, выделение контуров, интеллектуальное шумоподавление и прочая, и прочая. Об этих и десятках других хитростях, которые призваны повысить качество изображения, можно говорить очень долго. Но резонно задать вопрос.
А МОЖНО ЛИ ИХ ОБЪЕДИНИТЬ?
А можно ли объединить эти алгоритмы и хитрости, чтобы получился идеальный монитор? Наверное, нет. Но вот сделать монитор, чтобы глаз радовался, глядя на изображение на его экране, монитор, которым реально можно гордиться и который смело можно рекомендовать на замену ЭЛТ- мониторов в системах охранного телевидения, похоже, вполне реально.
ЗАО «Компания Безопасность» длительное время посвятила поиску такого монитора и сейчас готова познакомить вас с первыми результатами этого поиска. Поскольку мы стараемся говорить в этой статье о мониторах с диагональю 19‘’, то и представлять мы будем именно такой монитор торговой марки «Фарватер», показанный на Рис. 30. Чем же выделяется этот монитор на фоне своих собратьев? Во-первых, это высокое качество изображения. Во-вторых, это более чем гуманная цена.
Что же мы вкладываем в понятие высокого качества изображения? Главное и основное – это то, что на такое изображение приятно смотреть. Даже при столь сильном увеличении (см. Рис. 31) физиономии ребятишек выглядят вполне естественно, на них нет никаких подтеков, пятен, размываний и прочее. Но это эмоции. Ведь куда важнее то, что этот монитор обладает очень хорошими параметрами.
Давайте смотреть дальше, на привычную для нас таблицу генератора, показанную на Рис. 32. Здесь можно уверенно сказать, что горизонтальное разрешение пытается превзойти уровень 550 ТВЛ. Это очень хороший результат для CCTV-монитора. Кстати, и линии у клина очень ровные, нет никаких уступов, альпинистам придется здорово потрудиться.
Вертикальное разрешение визуально соответствует стандарту разложения 625 строк даже без учета коэффициента Келла. Центральная розетка имеет только признаки небольшого шума, а все ее линии показаны на мониторе исключительно ровно, без всяких зазубрин.
Вы помните расплывающиеся цветные элементы, которые были показаны ранее? Здесь эти элементы выглядят более чистыми, вы можете посмотреть на них на Рис. 33.
А на Рис. 34 вы можете видеть центральную надпись на таблице. Обратите внимание, она ясная, четкая и читается гораздо легче, а уж по цифрам на экране можно проверять остроту зрения.
На всякий случай хочется отметить, что монитор способен показать 11 уровней серо- го, обеспечить вполне приемлемые цветопередачу и цветовые переходы.
Обратимся теперь ко второй таблице генератора и посмотрим, как отображаются те ее элементы, которые раньше вызывали нашу критику. Сначала наклонная линия, показанная на Рис. 34.
Здесь мы видим исключительно ровные и равномерные ступеньки, которые очень красиво переходят из одной в другую, и толщи- на их составляет, если присмотреться, в сред- нем 3 пикселя. Изогнутые линии на Рис. 35 если не поражают своим изяществом, то обладают очень хорошей формой с минимумом деформаций. Что же касается концентрических окружностей на Рис. 36, одного из самых сложных элементов для ЖК-монитора, то уж тут совершенство явно есть. Невооруженным взглядом невозможно заметить даже намеков на привычные ореолы. Все это обещает хорошую картинку на сложных структурах.
Какой же можно сделать вывод, посмотрев на картинки с генератора? Очень простой! Все элементы не только обещают хорошую картинку на сложных структурах, но, как мы убедились, реально обеспечивают. За счет чего? А вот это производитель держит в секрете. Некоторыми соображениями, конечно, мы можем поделиться. Этот монитор построен по современной схеме, он имеет на плате обработки изображения, фигурально выражаясь, две с половиной микросхемы. Вернее, одну большую – центральный сигнальный процессор, как сейчас принято говорить, и не- сколько микросхем памяти, не считая, конечно питания и звука. И если раньше на такую плату было приятно посмотреть, она вся была забита элементами, то теперь плата обработки сигнала напоминает детскую игрушку.
Но вот процессор, который применен в этой плате, очень мощный. Он разработан вовсе не для CCTV-мониторов. Он разработан для использования в качественных телевизионных приемниках для массового потребителя и мультимедийных центрах. Его используют многие известные производители, в том числе такие именитые, как Philips. Именно целевая направленность разработки процессора и алгоритмов на отображение визуальной информации от источников с традиционным стандартом разложения обеспечивает такое высокое качество изображения. Ну кто будет терпеть телевизор, на котором дрожат картинки или за бегущими футболистами будет тянуться шлейф. Да такой телевизор на следующий день повезут обратно, и скандал разразится на всю Европу или даже Азию. Это вам не пост наблюдения за крытыми дверями. И главная заслуга производителя заключается в очень грамотном использовании тех возможностей, которые предоставляет этот процессор, а также в грамотной обвязке и в грамотном программировании.
ВЫВОДЫ:
1. Если вы решились на замену ЭЛТ-мониторов на ЖК-мониторы в вашей действующей системе охранного телевидения, тщательно исследуйте возможности ЖК-мониторов при отображении сигналов тестовых изображений, формируемых в стандарте разложения вещательного телевидения.
2. Дополняйте эти статические испытания натурными, чтобы убедиться в возможности нормальной работы с движущимися объектами. Даже простое движение рукой перед подключенной к монитору телекамерой может очень много сказать по виду изображения на мониторе.
3. Если изыскания в интернете позволят вам выяснить, для каких целей разрабатывался этот монитор, то необходимо, чтобы главной целью этой разработки являлось качественное отображение композитного видеосигнала.
Мы надеемся, что данная статья позволит вам лучше сориентироваться в большой номенклатуре ЖК-мониторов, представленных на рынке, при решении конкретных практических задач с применением телевизионных средств.
В заключение авторы хотели бы выразить глубокую благодарность своим коллегам Сергею Лебедеву, Евгению Стивакину и Олегу Стклянкину за неоценимую помощь в подготовке материалов для этой статьи.
Опубликовано на сайте daily.sec.ru