Что такое «апскейлинг» на телевизоре и как он работает?

По мере того, как 4K заменяет HD в наших домах, производители представляют некоторые интересные маркетинговые жаргоны, такие как «масштабирование Ultra HD» (UHD). Но масштабирование не является какой-то уникальной функцией — оно просто позволяет телевизорам 4K работать с видеоформатами более низкого разрешения, такими как 1080p и 720p.

Все телевизоры имеют апскейлинг

Масштабирование означает, что контент с низким разрешением будет заполнять весь экран вашего телевизора. Без него видео низкого разрешения занимает меньше половины экрана. Это стандартная функция всех телевизоров. Он был даже у телевизоров с разрешением 1080p — они могли масштабировать контент с разрешением 720p и отображать его в полноэкранном режиме на экране с разрешением 1080p.

Масштабирование UHD — это то, что заставляет ваш 4K-телевизор работать как любой другой. Он может принимать контент с более низким разрешением и отображать его на весь экран 4K.

Увеличенный контент 1080p на экране 4K часто выглядит лучше, чем контент 1080p на обычном экране 1080p. Но апскейлинг — это не волшебство — вы не получите четкое изображение, которое вы бы получили от настоящего контента в формате 4K. Вот как это работает.

Разрешение существует на физическом и визуальном уровне

Прежде чем перейти к апскейлингу, нам нужно понять концепцию разрешения изображения. На первый взгляд, это относительно простая концепция. Изображение или видео с высоким разрешением выглядят «лучше», чем изображение или видео с низким разрешением.

Однако мы склонны забывать о некоторых ключевых аспектах, а именно о разнице между физическим разрешением и оптическим разрешением. Эти аспекты работают вместе, чтобы создать хорошее изображение, и они являются основой для понимания апскейлинга. Мы также рассмотрим плотность пикселей — но не волнуйтесь — мы будем краткими и понятными.

• Физическое разрешение . В спецификации телевизора физическое разрешение обозначается просто как «разрешение». Это количество пикселей на дисплее. Телевизор 4K имеет больше пикселей, чем телевизор 1080p, а изображение 4K в четыре раза больше изображения 1080p. Все дисплеи 4K, независимо от их размера, содержат одинаковое количество пикселей. В то время как телевизоры с высоким физическим разрешением могут использовать свои дополнительные пиксели для обеспечения дополнительной детализации, это не всегда работает именно так. Физическое разрешение зависит от оптического разрешения.
• Оптическое разрешение : Вот почему ваши старые фотографии с одноразовой камеры выглядят лучше, чем фотографии с модной цифровой камеры вашего претенциозного друга. Когда фотография выглядит резкой и имеет четкий динамический диапазон, она имеет высокое оптическое разрешение. Телевизоры иногда растрачивают свое высокое физическое разрешение, отображая видео с паршивым оптическим разрешением. Это приводит к размытым изображениям и контрасту. Иногда это результат масштабирования, но мы вернемся к этому через минуту.
• Плотность пикселей : количество пикселей на дюйм на дисплее. Все дисплеи 4K содержат одинаковое количество пикселей, но на дисплеях 4K меньшего размера пиксели расположены ближе друг к другу, поэтому они имеют высокую плотность пикселей. Например, iPhone 4K имеет более высокую плотность пикселей, чем 70-дюймовый телевизор 4K. Мы упоминаем об этом, чтобы укрепить идею о том, что размер экрана — это не то же самое, что физическое разрешение, и что плотность пикселей экрана не определяет его физическое разрешение.

Теперь, когда мы все освежили в памяти разницу между физическим и оптическим разрешением, пришло время перейти к апскейлингу.

Масштабирование делает изображение «больше»

Каждый телевизор содержит множество алгоритмов интерполяции, которые используются для повышения качества изображений с низким разрешением. Эти алгоритмы эффективно добавляют пиксели к изображению для увеличения его разрешения. Но зачем вам увеличивать разрешение изображения?

Помните, что физическое разрешение определяется количеством пикселей на дисплее. Это не имеет никакого отношения к реальному размеру вашего телевизора. Экран телевизора 1080p состоит всего из 2 073 600 пикселей, а экран 4K — 8 294 400. Если показывать видео 1080p на 4K-телевизоре без апскейлинга, видео будет занимать всего четверть экрана.

Чтобы изображение 1080p соответствовало дисплею 4K, оно должно получить 6 миллионов пикселей в процессе масштабирования (после чего оно станет изображением 4K). Однако масштабирование основано на процессе, называемом интерполяцией, который на самом деле представляет собой просто прекрасную игру в угадайку.

Апскейлинг снижает оптическое разрешение

Существует несколько способов интерполяции изображения. Самая простая интерполяция называется «ближайший сосед». Чтобы выполнить этот процесс, алгоритм добавляет к изображению сетку «пустых» пикселей, а затем угадывает, какое значение цвета должен иметь каждый пустой пиксель, глядя на четыре соседних пикселя.

Например, пустой пиксель, окруженный белыми пикселями, станет белым; тогда как пустой пиксель, окруженный белыми и синими пикселями, может получиться светло-голубым. Это простой процесс, но он оставляет на изображении много цифровых артефактов, размытия и неровных контуров. Другими словами, интерполированные изображения имеют плохое оптическое разрешение.

Сравните эти два изображения. Тот, что слева, не редактировался, а тот, что справа, стал жертвой процесса интерполяции ближайшего соседа. Изображение справа выглядит ужасно, хотя у него такое же физическое разрешение, как и у изображения слева. Это происходит в небольшом масштабе каждый раз, когда ваш 4K-телевизор использует интерполяцию ближайшего соседа для увеличения масштаба изображения.

«Подождите минутку», — можете сказать вы. «Мой новый 4K-телевизор совсем не похож на этот!» Ну, это потому, что он не полностью полагается на интерполяцию ближайшего соседа — он использует сочетание методов для увеличения изображения.

Апскейлинг также пытается справиться с оптическим разрешением

Итак, интерполяция ближайшего соседа ошибочна. Это метод грубой силы для увеличения разрешения изображения, который не принимает во внимание оптическое разрешение. Вот почему телевизоры используют две другие формы интерполяции наряду с интерполяцией ближайшего соседа. Они называются бикубической (сглаживающей) интерполяцией и билинейной (заостряющей) интерполяцией.

При бикубической (сглаживающей) интерполяции каждый пиксель, добавляемый к изображению, обращается к своим 16 соседним пикселям, чтобы принять цвет. В результате изображение получается явно «мягким». С другой стороны, билинейная интерполяция (повышение резкости) обращается только к двум ближайшим соседям и создает «резкое» изображение. Комбинируя эти методы и применяя некоторые фильтры для контраста и цвета, ваш телевизор может генерировать изображение без заметной потери оптического качества.

Конечно, интерполяция — это все еще игра в догадки. Даже при правильной интерполяции некоторые видео могут иметь «двоение» после масштабирования, особенно если ваш дешевый телевизор плохо справляется с масштабированием. Эти артефакты также становятся более заметными, когда изображения сверхнизкого качества (720p и ниже) масштабируются до разрешения 4K или когда изображения масштабируются на безумно больших телевизорах с низкой плотностью пикселей.

Изображение выше не является примером масштабирования с телевизора. Вместо этого это пример масштабирования, сделанного для выпуска HD DVD « Баффи — истребительница вампиров» (взято из видеоэссе Passion of The Nerd). Это хороший (хотя и экстремальный) пример того, как плохая интерполяция может испортить изображение. Нет, у Николаса Брендона нет какого-то воскового макияжа вампира, это просто то, что произошло с его лицом во время процесса апскейлинга.

Хотя все телевизоры поддерживают масштабирование, некоторые из них могут иметь лучшие алгоритмы масштабирования, чем другие, что приводит к лучшему изображению.

Масштабирование необходимо и редко заметно

Несмотря на все свои недостатки, апскейлинг — это хорошо. Это процесс, который обычно проходит без сучка и задоринки и позволяет вам смотреть различные форматы видео на одном и том же телевизоре. Это идеально? Конечно, нет. Вот почему некоторые любители кино и видеоигр предпочитают наслаждаться старым искусством в том виде, в котором оно было предназначено: на старомодных телевизорах. Но на данный момент апскейлинг — это не то, о чем можно слишком волноваться. И это не то, из-за чего можно слишком расстраиваться.

Стоит отметить, что видеоформаты 8K, 10K и 16K уже поддерживаются некоторыми аппаратными средствами, которые мы используем каждый день. Если технология апскейлинга не сможет догнать эти форматы с высоким разрешением, есть шанс, что это приведет к гораздо большей потере качества, чем то, к чему мы привыкли.

Поскольку производители и потоковые сервисы все еще тянутся к 4K, возможно, нам пока не стоит беспокоиться о 8K.