Особенности воспроизведения видеоматериалов 24р (23,976 и 24 кадров/с) на современных аппаратных медиаплеерах

(почти детективная история)


«Кривое не может сделаться прямым,
и чего нет, того нельзя считать.»
Экклезиаст, 1:15

Как известно, любой видеоматериал неразрывно связан с носителями информации, а основным носителем видео высокого разрешения в настоящее время являются Blu-ray-диски. Спецификацией «White paper, Blu-ray Disc Read-Only Format, 2.B Audio Visual Application Format Specifications for BD-ROM Version 2.5» определяется следующее.

Спецификации Blu-ray

Таким образом, видео 1920×1080 на Blu-ray с прогрессивной разверткой может иметь только кадровые частоты 23,976 и 24, поэтому под режимом 24p в общем случае понимается поддержка как 23,976, так и 24 Гц. Несколько слов об истории появления такого странного числа, как 23,976. Дело в том, что материал с кинематографической частотой 24 кадра/с не подходит для телевизионной трансляции аналогового вещания, поэтому большинство выпускаемых HD-фильмов/передач конвертируется в 23,976р для совместимости с NTSC-оборудованием с целью возможности трансляции на частоте 59,94 Гц. Таким образом, основной объем материала Full HD, выпускаемого иностранными кинокомпаниями (отечественные традиционно идут своим путём, допуская в своих изданиях 24p и 25p), имеет формат 1920×1080@23,976p.

Для воспроизведения видеоматериала 23,976/24 кадра/с источник должен поддерживать следующие режимы:

  • Для «нативного» (1:1) вывода, т. е. вывода на соответствующей частоте, должны присутствовать как 1080p@23,976 Гц, так и 1080p@24 Гц.
  • Для ТВ, не поддерживающих на входе сигнал 23,976/24 Гц, и для мониторов предусмотрены режимы 1080p@59,94 Гц и 1080p@60 Гц, которые задействуют алгоритм преобразования под названием 3:2 Pulldown (здесь и ниже подразумеваются прогрессивный алгоритм, работающий с кадрами без разложения и последующего смешивания полей, как в случае преобразования сигнала в телестандарт NTSC 59.94i), когда исходные кадры A-B-C-D… выводятся на частоте 59,94/60 Гц с дублированием в соотношении AAA-BB-CCC-DD…, что приводит к неравномерному дрожанию кадров.
Перечисленные режимы относятся к 2D-выводу. 3D-режим источника, согласно приведенной выше спецификации Blu-ray и ограничения пропускной способности интерфейса HDMI v1.4 для Full HD, включает только поддержку 1080p@23,976 Гц.

Что касается телевизоров, то для отображения материала 24р большинство современных моделей Full HD имеют соответствующий режим, в котором входной сигнал 1080р@24 Гц выводится на кратной частоте обновления экрана 48/72/96/120 Гц методом простого повторения кадров (2:2/3:3/4:4/5:5 Pulldown), что позволяет обходиться без внутреннего преобразования кадров. Например, при отображении на частоте 60 Гц в ТВ без поддержки режима 24p используется описанный выше 3:2 Pulldown, который привносит дополнительное дрожание кадров.

Чтобы лучше представить разницу между режимами, достаточно посмотреть замедленную высокоскоростную съемку (здесь и далее используется Canon PowerShot SX240 в режиме 240 кадров).

Вывод видео 24 кадра/с на частоте 24 Гц и отображение в «нативном» режиме ТВ
Вывод видео 24 кадра/с на частоте 60 Гц и/или отображение на ТВ без поддержки 24p («ненативный» режим)

Как уже было сказано, современные ТВ для «нативного» отображения 24p должны иметь соответствующий режим, в котором работа производится на кратной частоте обновления экрана 48/72/96/120 Гц. Однако с этим режимом в ТВ могут возникнуть сложности, причём создают их именно «улучшайзеры», поэтому заставить некоторые ТВ с их наличием работать в «нативном» режиме можно лишь при соблюдении определенных настроек. Приведем пару примеров.

  • LG __LD550 (2010 год выпуска). Отдельная настройка в меню под названием «Реальный кинотеатр» (Real Cinema) отвечает за переключение частоты обновления экрана с 60 до 120 Гц, чем и обеспечивается «нативный» режим работы с сигналом 24p, но этот режим возможен только при полностью отключенной функции вставки промежуточных кадров («уплавнителя») TruMotion. Если просто сдвинуть движки настройки TruMotion «Judder» (степень сглаживания) и «Blur» (степень четкости) в нулевые положения, то ТВ продолжит работать на частоте 60 Гц. В подтверждение сказанного приведем этот обзор (см. абзац Video processing).
  • Samsung LE__C750 (2010 год выпуска). Тестирование (см. абзац High Definition) показало совсем другой случай — полное отключение «улучшайзера» движения «Motion Plus» приводит к неестественному дрожанию 24p, и лишь «Пользовательский (Custom)» режим с настройками «Снижение дрожания (Judder Reduction)»=0 и «Снижение размытия (Blur Reduction)»=10 обеспечивает «нативное» отображение.
Сложность для владельцев в таких случаях заключается в том, что без «набитого» глаза даже общее представление о работе «улучшайзеров» не является гарантией быстрого поиска подходящих настроек, даже если владелец ощущает дискомфорт при просмотре. Более того, в некоторых случаях это принципиально невозможно, даже сейчас, если верить результатам тестирований, выпускаются модели без «нативной» поддержки 24p (пример 1, пример 2). Однако устройства отображения являются всего лишь одной из двух необходимых для просмотра аппаратных составляющих, свои подводные камни обнаружились непосредственно у источников, в частности, у медиаплееров. О них мы и поговорим далее по тексту.

Медиаплееры, получающие в последние годы всё большее распространение, позиционируются как всеядное средство воспроизведения материала, в том числе Full HD и 3D. Соответственно, они по определению должны поддерживать перечисленные выше режимы. Продемонстрируем типичные настройки видеорежимов на примере нескольких моделей. Список разрешений/частот кадров обычно стандартен, поэтому приведём типовой вариант для одного устройства.

Apacer AL460 (Realtek RTD1073), FW v. 3.3.0209

Настройки Apacer AL460

Настройки Apacer AL460

Digma HDMP-550 (Realtek RTD1185), FW v. 1.7.0.29

Настройки Digma HDMP-550

iconBIT XDS1003D (Realtek RTD1186), FW v10.1.1 r9788 (частота процессора 750 МГц, выпущен в начале 2012 года)

Настройки iconBIT XDS1003D

AVerLife ExtremeVision (Sigma Designs SMP8655), FW v. 01.15.40

Настройки AVerLife ExtremeVision

Dune HD TV-101 (Sigma Designs SMP8671), FW 121018_0846

Настройки Dune HD TV-101

KWorld M120 (Boxchip F10)

Настройки KWorld M120

Как ни странно, в медиаплеере могут отсутствовать все необходимые частотные режимы (во всяком случае, в меню настроек). Теоретически это может обернуться тем, что в случае несовпадения выходной частоты плеера с кадровой частотой фильма возникнет рассинхронизация с видеопотоком, и как только она превысит длительность одного кадра вертикальной частоты развертки, произойдёт либо дублирование кадра, либо его пропуск для синхронизации в зависимости от значений текущих частот плеера и видео. Проиллюстрируем это на примере вывода видео 23,976 кадра/с на несоответствующей частоте 24,00 Гц.

Рассинхронизация потока видео с выходной частотой

Рассинхронизация, равная длительности одного кадра 1/24=41,67 мc, «накапливается» за (1/24)/((1/23,976)-(1/24))=999 кадров развертки, и на 1000-м кадре (другими словами, каждые 1000*(1/24)=41,67 с) должно происходить дублирование кадра для синхронизации с видеопотоком.

Внимательные читатели могут задаться вопросом о целесообразности размещения нескольких примеров настроек, на которых частотные режимы либо не представлены вовсе, либо дублируются с предыдущими. Ответом на этот вопрос является наличие (либо, как ни странно, полное отсутствие в одном из устройств) пунктов меню под названиями «1080P 24 Hz», «Auto Sync», «Авто частота кадров» и так далее, как раз и отвечающих за совпадение выходного сигнала с 23,976-кадровым источником.

Насколько хорошо эти настройки справляются со своими обязанностями, мы и рассмотрим на практике. Для этого воспользуемся тестовым набором MotionBars, специально созданным участником AVScience Forum под ником HokeySmoke для демонстрации передачи движения. Для чистоты эксперимента отключим все «улучшайзеры» в ТВ (технологии «100Гц» и «уплавнения» движения).

При тестировании использовались указанные выше проигрыватели и несколько телевизоров. В качестве основного ТВ для тестов был выбран LG LD550, имеющий режим 24p RealCinema. Для выяснения некоторых тонкостей отображения также пригодились Philips PFL5405 и Samsung LE40B530P7W. Проверка 3D-режима производилась на Panasonic ST50.

Отсутствие результатов KWorld M120 в дальнейшем объясняется тем, что эта модель, как выяснилось, физически неспособна к корректному выводу 23,976 кадра/с.

1.1. Режим 24p. Воспроизведение файла с кадровой частотой 23,976 кадра/с (MotionBars_1080p23.976.m2ts) прошло без артефактов на Dune HD TV-101, AVerLife ExtremeVision и Digma HDMP-550, но на iconBIT XDS1003D и Apacer AL460 возникают подёргивания картинки с интервалом 41,6 с (субъективно воспринимается как кратковременное замирание).

Дублирование кадра при выводе 23,976кадра/с на частоте 24,00Гц

1.2. Режим 24p. Воспроизведение файла с кадровой частотой 24 кадра/с (MotionBars_1080p24.000.m2ts) прошло без артефактов на Dune HD TV-101, AVerLife ExtremeVision, iconBIT XDS1003D и Apacer AL460, но у Digma HDMP-550 возникают подёргивания картинки с интервалом 41,6 с (субъективно воспринимается как небольшой скачок).

Пропуск кадра при выводе 24,00 кадра/с на частоте 23,976 Гц

1.3. Режим 3D. Воспроизведение файла с кадровой частотой 23,976 кадра/с (MotionBarsSBS_1080p23.976.m2ts) на iconBIT XDS1003D в режиме 3D SideBySide — возникают подёргивания картинки с интервалом 41,6 с.

Дублирование кадра в 3D при выводе 23,976 кадра/с на частоте 24,00 Гц

2. Режим 60p. Воспроизведение файлов 23,976 и 24,00 кадра/с прошло без явных артефактов на всех плеерах, но с оговоркой — при отображении на Philips PFL5405, на LG LD550 же заметна незначительная периодическая сбивчивость движения. Как выяснится ниже, у iconBIT XDS1003D и Apacer AL460 на файле 23,976 кадра/с каждые 8,3 с происходит сбой вывода кадров, а у Digma HDMP-550 то же самое наблюдается на файле 24 кадра/с, только в зависимости от ТВ на одних моделях сбой в чередовании паттернов 3-2 никак не проявляется и лишний кадр-дубль (у Digma пропуск кадра) длительностью 1/60 с действительно незаметен, тогда как на некоторых других моделях ТВ это всё же приводит к незначительному подёргиванию.

Отображение сбоя последовательности кадров в режиме 60 Гц на Philips PFL5405
Отображение сбоя последовательности кадров в режиме 60 Гц на LG LD550

3. Режим 60р. Дополнительно было проверено воспроизведение файлов с частотой 59,94 кадров/с (MotionBars_1080p59.940.m2ts) и 60 кадров/с (MotionBars_1080p60.000.m2ts). Мелкие запинания на 59,94 кадров/с имеются у iconBIT XDS1003D и Apacer AL460, на 60 кадров/с у Digma HDMP-550. Периодичность 16,6 с.

4. Режим 50p. Файл 50 кадров/с (MotionBars_720p50.000.m2ts) воспроизводится без артефактов на всех плеерах.

Тестирование показывает, что плееры на Realtek RTD1073 и RTD1186 некорректно работают с файлами 23,976 кадра/с и 59,94 (29,97) кадров/с, плеер на Realtek RTD1185 — с 24 кадра/с и 60 кадров/с. Субъективно выявленные подёргивания изображения могут быть заметны в режиме 24p на равномерно движущихся объектах, динамичных сценах, панорамных съемках, титрах и т. п. Все было не так страшно, но для любителей плавной картинки с включенными «улучшайзерами» телевизора ситуация может резко поменяться в худшую сторону, в результате чего, даже в режиме 60 Гц практически невидимое до этого невооружённым глазом подёргивание приводит к хорошо заметным сбоям «уплавнения».

Рывок при выводе 23,976 кадра/с на частоте 24,00 Гц с «уплавнением» в ТВ
Рывок при выводе 23,976 кадра/с на частоте 60,00 Гц с «уплавнением» в ТВ
Замирание в 3D при выводе 23,976 кадра/с на частоте 24,00 Гц с «уплавнением» в ТВ

Помимо синтетического теста на XDS1003D и Apacer AL460, дополнительно был проигран файл The Hong Kong Connection, состоящий из панорамных съемок, и вот что из этого получилось.

Замирание при выводе 23,976 кадра/с на частоте 24,00 Гц
Рывок при выводе 23,976 кадра/с на частоте 24,00 Гц с «уплавнением» в ТВ
Рывок при выводе 23,976 кадра/с на частоте 60,00 Гц с «уплавнением» в ТВ

Особенность, подтверждающая неслучайный характер артефактов, состоит в том, что подёргивания случаются в одних и тех же местах конкретно взятого файла после запуска воспроизведения (без пауз) с начала при заданном видеорежиме.

На высокоскоростной съемке видно, что визуально наблюдаемые подёргивания есть не что иное, как замирание последовательности кадров, то есть имеет место быть «вынужденное» дублирование кадра, а в случае с плеером на RTD1185 возникает пропуск кадра.

Ответом на происходящее в конкретном случае у плееров на RTD1186 и RTD1073 является отсутствие поддержки видеорежимов 1080p@23,976 Гц и 1080p@59,94 Гц, вместо которых плеер работает на несоответствующих 24,00 либо 60,00 Гц в зависимости от выбранного режима. Это обстоятельство подтверждается строгой периодичностью артефактов, совпадающей с проведенным выше расчетом. Плеер на RTD1185 наоборот поддерживает режимы 1080p@23,976 Гц и 1080p@59,94 Гц, но лишен 24 и 60 Гц. Примечательно, что подобные периодические «застревания» удалось сымитировать на Dune HD TV-101, вручную задав несоответствующие проигрываемому файлу режимы (случай выставления 50 Гц в расчет не берем, так как режим не рассчитан для работы с 24p материалом в принципе).

Как смотрится видео в тот момент, когда во время плавного движения возникает повтор одного кадра, каждый может оценить самостоятельно, скачав ролик с искусственными кадрами-дублями.

Более детальный поиск информации по проблеме воспроизведения 23,976 кадра/с на медиаплеерах подтверждает, что подобная особенность присутствует на многих плеерах с чипами Realtek начиная ещё с 2009 года (подтверждения #1, #2, #3, #4, #5).

В то же время по плеерам на базе Realtek RTD1055/1185 информация об артефактах практически отсутствует, что связано с крайне ограниченным распространением материала, имеющего 24 кадра/с. Не миновала чаша сия и плееры на чипе Sigma. Например, iconBIT HD400L (Sigma Designs SMP8634) имеет исправление былой проблемы автоопределения режима 23,976 Гц в прошивках 2.26 и 2.29, а вот ещё один найденный пример недоработки прошивки у другого производителя, приводящей в свое время к аналогичным результатам.

По снятым с производства чипам известны лишь единичные исправления в плеерах DViCO TVIX HD M-6600 series (RTD1283) и TVIX HD N1 (RTD1073) в FW 2.0.5.

Что мешало изначально реализовать полноценную поддержку всех необходимых режимов в плеерах на чипе Realtek, неизвестно, но в наше время, когда многие устройства, выходящие на рынок, построены на одних и тех же программно-аппаратных платформах с изменениями (зачастую минимальными) в графических интерфейсах, не просматривается причин, препятствующих поддержке дробных частот, если они не кроются в аппаратной части.

Одним из первых производителей, частично решивших проблему для чипа RTD1186, можно назвать HiMedia, выпустившую ещё в декабре 2011 года для плеера HD900 прошивку v1.0.1.13, впоследствии послужившую программистам-энтузиастам в кулуарах нашего форума, так сказать, сырьём для «лекарства». Им оказался видеодрайвер, подменив которым штатный драйвер прошивки другого устройства на базе этого же чипа, можно было активировать заветные 23,976 и 59,94 Гц. На практике же обнаружились некоторые издержки использования «чужих» драйверов, связанные с аппаратными особенностями каждой модели: наблюдалась незначительная нестабильность выходной частоты (при работе плеера без активного охлаждения), приводящая, опять же, к артефактам, хоть и более редким, в некоторых случаях возникали проблемы со звуком DD/DTS в битстрим-режиме, при серьезных различиях в аппаратной части случались непрогнозируемые перезагрузки плеера. Сама по себе прошивка HiMedia v1.0.1.13 просуществовала в доступе недолго, и по неизвестным причинам в последующих версиях исправления в видеодрайвере были убраны.

Следующим шагом в решении проблемы был выход прошивки 1.0.3.9 от Micca, в которой поддерживаются режимы 23,976 и 59,94 Гц, правда по информации от представителя Micca, исправления работали только в новой партии плееров EР950/EP600 G2. Со временем версия «новых партий» подтвердилась, стало известно, что плееры на основе RTD1186 выпускаются с некоторыми изменениями (одним из таковых является недокументированная (!) тактовая частота чипа 800 МГц), позволяющими корректно воспроизводить 23,976/59,94 кадра/с в 2D-режиме. Этот факт производителями не афишировался, тем не менее, по отзывам пользователей можно заключить, что появляться в продаже они стали во второй половине 2012 года. В то же время артефакты в 3D-режиме устранены не были. Однако работы некоторых вендоров над исправлением 3D-режима не прекращаются по сей день, в частности, проблему не скрывают и работают в контакте с пользователями по внедрению прошивок на новом SDK такие производители, как Micca (#1, #2) и Mede8er (бета-версию прошивки v2.0.0 можно найти здесь)

В качестве наиболее показательного примера исправления не только этого, но и других недостатков, силами самих пользователей можно привести пользовательские прошивки Bast Castle от участника нашего форума под ником Секаторушка, в которых реализована поддержка и автоопределение режима 23,976/24 Гц для всех чипов Realtek (!). В частности, в них полностью устранена проблема на плеерах с RTD1186 независимо от ревизии аппаратной платформы для 2D-режима, в чём мы смогли убедиться, установив прошивку на плеер iconBIT XDS1003D из первых партий.

Подведём итоги

0. Особенности человеческого восприятия движущегося изображения и вовлечённость в происходящее на экране в случае обычного пользователя, далёкого от мира видео и компьютерных технологий, во многих случаях компенсируют описанный выше негативный эффект вплоть до полной субъективной незаметности. Таким счастливчикам наш материал строго противопоказан, дабы не пополнять ими список умноживших печали от случайного умножения знаний. Если же говорить серьёзно, читателям, которых полностью устраивает качество работы имеющихся у них устройств, не стоит бросаться выискивать артефакты. Тем же, кто только задумывается о приобретении медиаплеера, эта статья может послужить информацией для размышления.

1. Недостатки воспроизведения видео с кадровой частотой 23,976 медиаплеерами на чипах Realtek, как правило, не являются необратимо аппаратными и вполне могут быть сведены на нет производителями либо энтузиастами. Более того, уже известны заведомо лишённые таких недостатков модели, например, кроме вышеупомянутых Micca EР950/EP600 G2 и Mede8er MED600X3D / MED1000X3D, на момент выхода статьи подтверждена нормальная работа в 2D Inext HD-1 и Inext 3D Kid новых ревизий с частотой процессора 800 MГц. Похоже, за прошедший год в Realtek поработали над устранением недостатков RTD1186 в 2D-режиме на аппаратном уровне, в силу чего выпускаемые в настоящее время модели с большой вероятностью таковых не имеют изначально или позволяют исправить их соответствующими обновлениями прошивок. Так что пострадали только наиболее требовательные обладатели плееров первых ревизий RTD1186. Тем не менее, с 3D-режимом вопрос пока остается открытым.

2. Современные медиаплееры на чипах Sigma Design, как правило, не имеют проблем с воспроизведением такого материала, тем более только в них на текущий момент реализована полноценная автоматическая синхронизация частоты кадров на выходе с частотой кадров материала. Однако информации о нюансах работы процессоров нового поколения пока недостаточно, в частности, Popcorn Hour A-400 на базе Sigma 8911 имеет проблемы с выводом MotionBars_1080p59.940 и MotionBars_1080p60.000 при включенной опции «adaptive deinterlacing & film cadence detection» (опция не переведена на русский).

3. При покупке бюджетных плееров на малораспространённых чипах типа Boxchip F10 вероятность столкнуться с некорректным воспроизведением видео с кадровой частотой 23,976 без какой-либо возможности исправления очень высока. Аналогичная ситуация наблюдается со многими медиацентрами на основе операционной системы Android, с набором достаточной для исследования базы мы постараемся рассмотреть этот вопрос более детально.

4. Корректность воспроизведения видео с кадровой частотой 23,976 зависит не только от проигрывателя, но и в некоторых случаях от модели телевизора/проектора и их настроек. Более того, своё влияние может оказывать и ресивер (!). Так, проблемы со встроенным коммутатором в новых ресиверах от Onkyo (NR818) были обнаружены еще в прошлом году. При подаче на вход материала 23,97 кадра/с на выходах обеспечивались исключительно 24,00 кадра/с вплоть до 28 февраля 2013 когда, когда было выпущено соответствующее исправление. Не исключено, что подобный эффект может встретиться у ресиверов других серий/производителей, поэтому для исключения влияния промежуточных устройств рекомендуется подключать проигрыватель непосредственно к ТВ или проектору.

5. Большинство компьютерных мониторов в принципе не имеет поддержки 23,976 кадров/с на входе, поэтому тестирование корректности вывода такого материала на них не представляется возможным.

В завершение хотелось бы ещё раз напомнить о том, что дробные частоты для цифрового видео фактически стали наследием эпохи аналогового телевещания, которое оказалось проще перенести в новую эру без изменений, нежели пойти на радикальный шаг и отказаться от их поддержки. Однако прогресс не стоит на месте, первые попытки перехода на 48 и 60 кадров в секунду начались ещё в эпоху плёночного кино (выходящие за рамки этого материала подробности о технологии ShowScan от Дугласа Трамбулла несложно найти в сети), совсем недавно на киноэкраны вышел первый высокобюджетный кинофильм «Хоббит: Нежданное путешествие» (The Hobbit: An Unexpected Journey), изначально снятый именно для показа с 48 кадров/с и задуманный (пусть и не без помощи освоивших простую арифметику «2 фильма принесут меньше денег, чем 3» продюсеров) как первая часть трилогии. Несмотря на то, что однозначно тёплого приёма HFR (High Frame Rate) в силу ряда факторов съёмка среди зрителей не получила, не исключено, что со временем распространение её разновидностей на носителях сможет стать одной из причин окончательного решения проблем с воспроизведением 23,976-кадрового материала на бытовых устройствах. Тем не менее, позволим себе поверить в то, что производители медиаплееров успеют раньше.

Автор выражает искреннюю благодарность
участнику форума под ником NanoElement и
всем остальным, помогавшим в подготовке этого материала

Дополнительно

ВИКТОРИНА TT

Материнские платы какого форм-фактора можно устанавливать в корпус Thermaltake Versa C22 RGB Snow Edition?

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.