Статьи

Частота кадров и частота обновления: в чём разница?

frames per secondВ Отдел Технической поддержки компании Epiphan периодически поступают вопросы от покупателей касательно разницы между частотой кадров и частотой обновления. Обычно такие вопросы появляются при обсуждении совместимости продуктов Epiphan с различными типами видеосигналов, и, к сожалению, нередко возникает путаница из-за неправильной трактовки этих понятий. В этой статье мы хотели бы приоткрыть завесу тайны и объяснить, в чем разница между этими схожими, но по сути различными терминами.

Понятно, почему возникает путаница: и частота обновления, и частота кадров показывают количество сменяемых кадров за единицу времени (общепринятая единица измерения — кадры в секунду). Например, сигнал с частотой обновления 60 Гц и сигнал с частотой кадров 60 fps состоят из 60 изображений, сменивших друг друга за 1 секунду. И, тем не менее, это не одно и то же!

Термин частота обновления применяется к видеосигналам, таким как HDMI™, VGA, DVI и т.п., в то время как термин частота кадров применяется к кодированным видеозаписям, таким как AVI файл или потоковая трансляция в YouTube.

Частота обновления: с чего всё началось.

Для лучшего понимания разницы между этими двумя терминами, мы должны обратиться к понятию «частота обновления», которое изначально было неразрывно связано с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) телевизионного или компьютерного монитора. ЭЛТ-монитор представляет собой стеклянную вакуумную трубку, т.е. полость, внутри которой полностью удален воздух. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, которая испускает поток электронов сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точками.

CRT monitor refreshЭлектронный луч проходит последовательно по всем точкам экрана слева направо и сверху вниз, формируя изображение, или кадр. Количество возможных изменений изображения в секунду называется частотой обновления и измеряется в Герцах (Гц).

Спустившись до нижней кромки экрана, электронный луч быстро возвращается в левый верхний угол, чтобы начать прорисовку нового кадра изображения. Пауза между обновлениями называется «интервал гашения». В исправных мониторах обратный ход луча незаметен. Но иногда можно видеть, что монитор «мерцает». В этом виновата низкая частота обновления, обычно менее 80 Гц.

Жидкокристаллический дисплей (ЖК) работает по принципу от­лич­но­му от ЭЛТ-монитора. У ЖК-дисплея нет паузы после каждого об­но­в­ле­ния кадра, так как он просто меняет структуру жид­ко­кри­с­та­л­ли­чес­кого вещества для отображения каждой последующей картинки, и его яркость остается постоянной вне зависимости от частоты об­но­в­ле­ния входящего сигнала.

Понятие «частота обновления» сыграло значимую роль в формировании современного процесса кодирования цифрового сигнала. Но, прежде чем перейти к этому моменту, мы хотели бы подробнее рассказать, чем отличаются частота кадров кодированного сигнала и частота обновления необработанного сигнала.

Частота кадров: преимущество в кодировании.

На самом деле кодированный видеосигнал довольно сильно отличается от необработанного видеосигнала, хотя бы потому, что не зависит от таких физических предметов реального мира, как электронные пушки.

Рассмотрим процесс кодирования сигнала без сжатия. Например, для необработанного сигнала с параметрами 1080p и 60 fps общий битрейт будет следующим: Разрешение по вертикали × разрешение по горизонтали × кадры в секунду × число битов на пиксель = 1920 × 1080 × 60 × 24 = 2,985,984,000 битов в секунду

… или примерно 356 Мбайт/сек.

Тогда можно легко посчитать, что одна минута несжатого видео будет весить около 21 Гб. Очевидно, что такой объем данных нецелесообразно использовать для хранения, а уж тем более проблематично транслировать через интернет. Зато после кодирования и сжатия то же самое видео без потери качества составит около 1.5 Мбайт/сек (~12000 Кбит/сек).

Для сокращения размера данных, кодированное видео должно предусматривать сжатие цветового пространства. (Для этого используется аппаратное или программное кодирование, как например, в многофункциональной системе Epiphan Pearl.) На­п­ри­мер, изменение цветового пространства с RGB24 на YUV420 сокращает число эффективных битов на пиксель с 24 до 12.

После того как процесс кодирования завершен, становится видно, что полученные данные значительно сокращают необходимый объем свободного места на жестком диске и позволяют задействовать меньшую пропускную способность сети при передаче через интернет.

Больше кадров – не значит лучше!

При захвате и кодировании необработанного видеосигнала частота кадров на выходе может не совпадать с первоначальной частотой обновления. Устройства Epiphan для захвата (а также для трансляции и записи) видеосигнала, такие как AV.io HD, работают практически со всеми стандартами сигналов, но из-за ограничений пропускной способности кабеля USB 3.0 кодированный сигнал в результате преобразования будет иметь более низкую частоту кадров. Например, наши карты захвата могут принимать HDMI сигнал с параметрами 1080p и 120 Гц, но вы не сможете в результате получить 120 fps, а вот 60 fps уже гораздо вероятнее.

И сколько же кадров в секунду считается достаточным? Это зависит от многих факторов! Большее число fps не всегда оказывается лучше. Просто потому, что параметр 60 Гц не означает, что вам нужна частота 60 fps для записи или трансляции – это напрямую зависит от характера видео-контента.

Проще всего это пояснить на примере фильмов. Стандартная частота кадров составляет всего 24 fps, и большинство фильмов стандарта Blu-ray (современный стандарт высочайшего качества для домашних кинотеатров) также использует эту частоту. Интересно, что в настоящее время киноиндустрия как раз тестирует возможности использования более высокой частоты кадров. Фильм «Хоббит: Нежданное путешествие» режиссера Питера Джексона стал первым фильмом, в котором используется частота 48 fps, что вызвало весьма неоднозначные отзывы критиков и зрителей.

Многие гуру от кино утверждали, что переход от стандартных 24 fps к более высокому параметру 48 fps сделал фильм слишком реалистичным, практически стирая грань между правдой и вымыслом. В случае с фильмами (или иным видео по скорости аналогичному фильму) частота кадров 24 fps является наиболее предпочтительной и считается золотым стандартом для DVD и Blu-ray.

The Hobbit: An Unexpected Journey

Другой пример типичного использования низкой частоты кадров – это показ относительно статичного видео-контента, как например, слайды презентации. Если кроме презентации больше ничего не демонстрируется, то не будет существенной разницы между 30 fps и, скажем, 10 fps, так как изображение полностью меняется всего один раз за несколько минут или секунд, а в остальное время остается статичным. В случае, если это никак не сказывается на результате для зрителя, снижение частоты кадров может помочь значительно уменьшить трафик, размер файла для хранения на жестком диске, а также нагрузку на процессор ПК.

Более высокие показатели, такие как 60 fps, успешно применяются в сфере визуальных СМИ, где изменения происходят на высокой скорости, и где нужно показать каждую деталь в мельчайших подробностях. Кроме этого, не стоит забывать о динамичных видах спорта и экшн видео-играх – в этих случаях кодирование с более высокими параметрами частоты кадра не даст зрителю упустить ни одного момента.

Подводя итоги.

Теперь вы знаете, что это такое – частота кадров и частота обновления; два термина, которые относятся к числу изображений, показываемых в секунду, но которые при этом принципиально отличаются друг от друга. Частота обновления берет свое начало на этапе появления ЭЛТ-мониторов и выражает число изображений в секунду для необработанного видеосигнала, в то время как частота кадров касается непосредственно кодированного сигнала и может быть задана пользователем в зависимости от характера видео-контента.

Мы будем очень рады, если эта статья станет для вас полезной и позволит вам лучше ориентироваться в технических терминах.