Кадровая частота

Ка́дровая частота́ — количество сменяемых кадров за единицу времени в телевидении и кинематографе. Общепринятая единица измерения — кадры в секунду.

Кинематограф

В немом кинематографе стандартная частота киносъемки и кинопроекции составляла 16 кадров в секунду. С появлением в кино звука, стандартом стала частота 24 кадра в секунду, потому что старая скорость непрерывного движения кинопленки оказалась недостаточной для получения необходимого частотного диапазона качественной оптической фонограммы. Для замедления или ускорения движения на экране существует ускоренная (цейтраферная) и замедленная съемки. Киносъемка с частотой смены кадров, отличной от стандартной, позволяет наблюдать на экране процессы, невидимые глазом или привносит в кинофильм дополнительный художественный эффект.

В отличие от телевидения, не имеющего общемирового стандарта кадровой частоты, в звуковом кинематографе частота кадров стандартизирована и 24 кадра в секунду является стандартной частотой съемки и проекции во всем мире. В некоторых странах это вынуждает применять интерполяцию частоты при телекинопроекции. Однако, попытки некоторых разработчиков изменить общепринятую частоту в 24 кадра на 30, близкую к американскому стандарту разложения в телевидении, не увенчались успехом, и кинематографический формат «Тодд-АО», первоначально рассчитанный на такую частоту съемки и проекции, был приведен к общему стандарту. Не имели успеха некоторые форматы, рассчитанные на частоту в 48 и 60 кадров в секунду. Единственное исключение — некоторые стандарты 3D-кинопроекции, в которых используется удвоенная частота 48 кадров в секунду для проекции стереопары. При этом, для каждого глаза частота остается привычной — 24 кадра в секунду. В цифровом кинематографе частота кадров также принята во всем мире равной 24. Дробная частота 23,976 кадров в секунду является нестандартной и используется при телекинопроекции для интерполяции в американский стандарт цветного телевидения NTSC. Все частоты киносъемки, отличающиеся от 24 кадров в секунду, являются нестандартными и применяются в специальных случаях. Вместе с тем, попытки увеличить частоту съемки и проекции для усиления эффекта присутствия, начавшиеся практически сразу после появления кинематографа, не прекращаются по сей день.

Частоты киносъёмки и кинопроекции

• 16 — стандартная частота съёмки и проекции немого кинематографа;
• 18 — стандартная частота съёмки и проекции любительского формата «8 Супер»;
• 23,976 — частота телекинопроекции в американском стандарте разложения 525/60, применяемая для интерполяции без потерь;
• 24 — общемировой стандарт частоты киносъёмки и проекции;
• 25 — частота киносъёмки, применяемая при производстве телефильмов и телерепортажей для перевода в европейский стандарт разложения 625/50;
• 29,97 — точная кадровая частота цветного телевизионного стандарта NTSC;
• 30 — частота киносъёмки раннего варианта широкоформатной киносистемы «Tодд-AO»;
• 48 — частота съёмки и проекции по системе IMAX HD;
• 50 — частота полукадров европейского стандарта разложения. Используется в электронных камерах для ТВЧ;
• 59,94 — точная полукадровая частота цветного телевизионного стандарта NTSC;
• 60 — частота киносъёмки в американском стандарте ТВЧ и системе «Шоускан» (англ. Showscan).

Телевидение

Частота смены кадров в телевидении является частью стандарта разложения изображения и при его создании выбиралась исходя из уже существующей частоты смены кадров кинематографа, физиологических критериев, а также была привязана к частоте промышленного переменного тока. Физиологическим пределом заметности мерцания изображения считается частота в 48 Гц. В кинематографе для сдвига мерцаний выше физиологического предела применяется холостая лопасть обтюратора кинопроектора, перекрывающая изображение одного неподвижного кадрика вторично. В телевидении для этих же целей при сохранении близкой к кинематографу кадровой частоты применяется чересстрочная развертка. Изображение целого кадра строится дважды сначала четными строками, а затем нечетными. Кроме того, кадровая частота телевидения изначально для упрощения конструкции приёмника привязывалась (а именно, в точности соответствовала) к частоте местных электросетей. В частности:

• Европейский стандарт разложения 625/50 передавал 50 полукадров в секунду.
• Американский стандарт 525/60 — 60 полукадров в секунду.

При этом, по понятной причине, работоспособными были только телеприёмники, питающиеся от того же первичного генератора, что и передатчик. В дальнейшем, при появлении в телесигнале специальных управляющих синхроимпульсов, равенство кадровой частоты и частоты питающего напряжения стало вредным, оно приводило к появлению медленно плывущих по экрану участков разной яркости и другим проблемам у предыдущих поколений телевизионных приёмников.

С появлением цветного телевидения стандарта NTSC полукадровая частота была изменена с 60 на 59,94 из-за технических особенностей модуляции цветовой поднесущей. Поэтому при телекинопроекции кадровая частота стала кратной — 23,976.

В разных телевизионных стандартах HDTV применяются чересстрочная и прогрессивная (построчная) развертки, поэтому изображение может передаваться как полями, так и целыми кадрами. Но в конечном счете, максимальная частота смены изображений по прежнему равна 50 Гц в Европе и 60 Гц в странах, использующих американскую систему (США, Канада, Япония и т. д.)

Телекинопроекция кинофильмов в американских стандартах разложения, основанных на кадровой частоте 30 Гц происходит со стандартной частотой 24 кадра в секунду и последующей интерполяцией 3:2.

Основная статья: Телекинопроектор#Интерполяция частоты кинопроекции

Тот же процесс в европейских стандартах, основанных на кадровой частоте 25 Гц, происходит с этой частотой, незначительно ускоряя движение на экране. При этом фильм становится короче на 4%, а частоты фонограммы повышаются на 0,7067 полутона.

В большинстве систем видеонаблюдения используется существенно пониженная частота кадров, поскольку их главной задачей является не качественная передача движения, а регистрация событий с максимальной длительностью при том же объёме информации.

Построчная и чересстрочная развёртки

В телевидении стандартной четкости для обеспечения передачи плавности движения в условиях ограниченной полосы пропускания канала передачи видеосигнала, каждый кадр последовательно передается двумя полями (полукадрами) — четным и нечетным, что увеличивает частоту кадровой развертки вдвое. Сначала передаются нечётные строки (1, 3, 5, 7 …), затем чётные (2, 4, 6, 8 …). Такая развёртка называется чересстрочной. Исторически в аналоговом телевещании частота чересстрочной развёртки измеряется в полукадрах в секунду.

В компьютерных мониторах и в некоторых стандартах телевидения высокой четкости HDTV применяется построчная развёртка (англ. progressive scan), когда электронный луч проходит все строки по порядку (1, 2, 3, 4, 5…).

Обозначение «50i» означает «50 полукадров в секунду, чересстрочная (interlace) развёртка».

Обозначение «60p» означает «60 кадров в секунду, построчная (progressive) развёртка». В потоке стандартов DVB и Blu-ray Disc, с разрешением Full HD, стандарты разложения с прогрессивной разверткой не используется в связи с ограничением ёмкости носителей и, соответственно, скорости потока видеоданных, а также с технологической сложностью декодирования.

Кроме того Европейский вещательный союз (EBU) предпочитает обозначать вещательный формат комбинацией «разрешение/частота кадров» (не полукадров), разделение косой чертой. Таким образом формат 1080i60 или 1080i50 обозначается как 1080i/30 и 1080i/25 в зоне действия Европейского вещательного союза, в который входят все страны СНГ.

Чтобы чересстрочное телевизионное изображение оптимально смотрелось на экране компьютера, применяют фильтр деинтерлейсинга (англ. deinterlacing).

Телевизоры с режимом 100 Гц

В телевизорах с диагональю экрана 72 см и выше, оснащенных электронно-лучевой трубкой, при 50 Гц (системы PAL и SÉCAM) становится заметно мерцание изображения вследствие большей чувствительности периферийного зрения. Это может приводить к утомлению глаз и даже заболеваниям. Поэтому в телевизионных приемниках премиум-класса существует режим 100 Гц, при котором производится увеличение частоты кадров в 2 раза путем повторного показа каждого кадра изображения при удвоенной частоте развертки — принцип, сходный с холостой лопастью обтюратора в кинопроекции.

В телевизорах с меньшей диагональю режим 100 Гц, как правило, не используется, поскольку в них мерцание не так заметно.

Плавность движения на экране

Видимая на экране плавность движения зависит как от частоты съемки и отображения, так и от других факторов. Выдержка, получаемая кинопленкой или передающей трубкой в момент съемки одного кадра, может повлиять на передачу плавности быстрых движений. При очень коротких выдержках, существенно меньших, чем обычная 1/60, быстрое движение на экране может восприниматься прерывистым («стробированным») вследствие отсутствия смазки изображения каждого кадра, скрывающего временну́ю дискретность. Поэтому в кинематографе принято уменьшать угол раскрытия обтюратора только при специальных комбинированных съемках. Передающие телевизионные трубки, как правило, имеют фиксированное время развертки одного кадра, определяемое движением считывающего электронного луча, и лишены возможности изменения «выдержки», однако современные видеокамеры, оснащенные ПЗС- и КМОП-матрицами, обладают такой возможностью за счет другой технологии считывания изображения. Обычно это называется «электронный обтюратор» (англ. Electronic shutter). При установке очень короткой выдержки быстрые движения на экране могут восприниматься отчетливо «рваными» вследствие полного отсутствия смаза изображения отдельных кадров и физиологических особенностей зрительного аппарата.

Компьютерные игры

В компьютерных играх под кадровой частотой (англ. FPS, Frame Per Second) понимается частота, генерируемая само́й игрой в зависимости от ресурсов компьютера и необходимости передачи движений разной интенсивности. При этом игры можно разделить на два класса: игры с постоянной кадровой частотой и игры с переменной кадровой частотой. Игры с постоянной кадровой частотой выдают на слабых и мощных компьютерах одинаковое количество кадров в секунду. Если (на очень слабых компьютерах) игра не справляется с прорисовкой, замедляется вся игра. Игры с переменной кадровой частотой на слабых компьютерах начинают пропускать кадры, скорость игрового процесса не меняется.

В любом случае, выдаваемая игрой кадровая частота обычно не кратна кадровой частоте монитора, это приводит к рваному изображению. Для борьбы с этим существует режим вертикальной синхронизации (англ. V-Sync).

Плавность движения в кино и на видео

Необходимая кадровая частота для создания ощущения плавности движения составляет ~16-18 кадров в секунду.

Тем не менее, при большей частоте, например, начиная с ~50 кадров/сек,^[1] изображение становится заметно более плавным и правдоподобным. Это заметно при сравнении на экране телевизора видеозаписи, снятой с большей временно́й дискретностью, и кинофильма. При просмотре видеозаписи (или передачи с телевизионной камеры) зритель видит 50 (или 60) изображений в секунду, каждое из которых отображает отдельную фазу движения, вследствие чересстрочной развертки передающей камеры. Совсем другая картина наблюдается при просмотре кинофильма, снятого с частотой 24 кадра в секунду (при телекинопроекции частота увеличивается до 25 к/сек., что незаметно для глаза). Телевизор, также обладающий чересстрочной разверткой, все равно показывает в секунду только 25 изображений за счет того, что каждый кадрик кинофильма передается дважды: сначала четным полем, затем нечетным. При этом, в отличие от видеозаписи, в которой каждое поле передает отдельную фазу движения, временная дискретность кинофильма вдвое ниже. Поэтому в кинофильмах движение выглядит более обобщенным, чем в видеозаписи. В некоторых профессиональных видеокамерах существует специальный «кинематографический» режим, обеспечивающий понижение временной дискретности изображения, путем одновременного запоминания матрицей четного и нечетного полей изображения с сохранением разрешающей способности, основанной на полном количестве строк в кадре. В результате, оба поля отображают одну и ту же фазу движения, приближая эффект от восприятия изображения к кинематографическому.

Повышение плавности передачи движения

Существуют разные мнения насчет необходимости повышения временной дискретности кинематографического и телевизионного тракта, и они основываются на различных эстетических позициях. Однако, уже сегодня существуют кинематографические системы, предусматривающие удвоенные против обычных частоты киносъемки и кинопроекции.

Такие зрелища доступны, например в кинотеатрах IMAX с поддержкой IMAX HD (48 кадров/сек^[2]).

Существующее съёмочное оборудование в большинстве рассчитано на 24 кадра/сек. Но оборудование в современных кинотеатрах уже сейчас позволяет воспроизводить фильмы с частотой 60 кадр/сек. В ближайшем будущем появится фильм «Аватар 2»^[3], по заявлениям имеющий частоту не менее, чем в два раза большую 24 кадров/сек. К этому списку^[4] возможно, добавится «Хоббит».

На данный момент официально фильмов с частотой выше 24 кадров в секунду на конечных носителях не выпускается.

В современных телевизорах также есть возможность искусственного увеличения плавности движения путем генерирования — при помощи интерполяции — дополнительных кадров, отображающих промежуточные фазы движения. Процессор телевизора на основе изображения двух соседних кадров вычисляет промежуточный кадр и таким образом увеличивает видимую плавность движения на экране.

У разных производителей есть собственные наработки (DNM, Motion Plus) создающие промежуточные кадры «на лету». Существуют также, программные средства для персонального компьютера, вроде SmoothVideo Project (SVP, ранее — Smooth Video Pack) или отдельного проигрывателя^[5] Splash, позволяющие создавать повышенную плавность. Качество каждого из решений может значительно различаться.

См. также

• 25-й кадр

Примечания

1. ↑ FAQ = Просмотр видео на компьютере с эффектом плавности движений (Trimension DNM, MSU FRC, MVTools и др.) [1] - Конференция iXBT.com
2. ↑ Виды IMAX
3. ↑ "Аватар-2" и "Аватар-3" подстегнут технический прогресс - Мир 3D
4. ↑ Питер Джексон будет снимать «Хоббита» на RED Epic | Новости Hardware - 3DNews - Daily Digital Digest
5. ↑ Free Splash Lite - Next Generation Player homepage

Для улучшения этой статьи желательно?: Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное. Проставив сноски, внести более точные указания на источники. Добавить иллюстрации.