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 и замедленная (цейтраферная) 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 Todd AO, 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 разложения телевидения. 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 киносъемки

• 23,976 - частота телекинопроекции в американском стандарте разложения 525/60, применяемая для интерполяции без потерь;
• 24 - общемировой стандарт частоты киносъемки и проекции;
• 25 - частота киносъемки, применяемая при производстве телефильмов и телерепортажей для перевода в европейский стандарт разложения 625/50;
• 29,97 - точная кадровая частота американского стандарта разложения;
• 30 - частота киносъемки телерепортажей и телефильмов для преобразования в американский стандарт разложения без интерполяции;
• 48 - частота съемки и проекции по системе IMAX HD;
• 50 - частота полей европейского стандарта разложения. Используется в электронных камерах для ТВЧ;
• 59,94 - точная полукадровая частота американского стандарта разложения;
• 60 - частота киносъемки в американском стандарте ТВЧ.

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.

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.)

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 «electronic shutter» или по-русски «электронный обтюратор». 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, 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). 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», по заявлениям имеющий частоту не менее, чем в два раза большую 24 кадров/сек. К этому списку 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 Splash, позволяющие создавать повышенную плавность. Качество каждого из решений может значительно различаться.

См. также

• 25-й кадр