Co to jest „skalowanie” w telewizorze i jak to działa?

Ponieważ 4K zastępuje HD w naszych domach, producenci ujawniają kilka interesujących terminów marketingowych, na przykład „skalowanie do Ultra HD” (UHD). Skalowanie w górę nie jest unikalną funkcją – pozwala telewizorom 4K pracować z formatami wideo o niższej rozdzielczości, takimi jak 1080p i 720p.

Wszystkie telewizory mają możliwość skalowania

Skalowanie w górę oznacza, że zawartość o niskiej rozdzielczości wypełnia cały ekran telewizora. Bez tego wideo o niskiej rozdzielczości zajmuje mniej niż połowę powierzchni ekranu. Jest to typowa funkcja we wszystkich telewizorach, w tym telewizorach 1080p, które mogły skalować zawartość 720p i wyświetlać ją w trybie pełnoekranowym.

Skalowanie do rozdzielczości UHD sprawia, że telewizor 4K działa jak każdy inny, mogąc pobierać treści o niższej rozdzielczości i wyświetlać je na całym ekranie 4K.

Skalowane treści 1080p na ekranie 4K często wyglądają lepiej niż treści 1080p na normalnym ekranie 1080p. Jednak skalowanie w górę to nie magia – nie uzyskasz tak ostrego obrazu, jak w przypadku prawdziwej, natywnej zawartości 4K. Oto jak to działa.

Rozdzielczość istnieje na poziomie fizycznym i wizualnym

Zanim przejdziemy do skalowania, musimy zrozumieć pojęcie rozdzielczości obrazu. Na pierwszy rzut oka jest to stosunkowo prosta koncepcja: obraz lub film o wysokiej rozdzielczości wygląda „lepiej” niż ten o niskiej rozdzielczości.

Jednak często zapominamy o kluczowych aspektach, a mianowicie różnicy między rozdzielczością fizyczną a rozdzielczością optyczną. Te aspekty współdziałają ze sobą, tworząc dobry obraz i stanowią podstawę zrozumienia skalowania. Omówimy również gęstość pikseli, starając się, aby wszystko było zrozumiałe i przystępne.

Rozdzielczość fizyczna: w specyfikacji telewizora rozdzielczość fizyczna jest po prostu nazywana „rozdzielczością”. To liczba pikseli na wyświetlaczu. Telewizor 4K ma więcej pikseli niż telewizor 1080p, a obraz 4K jest cztery razy większy niż obraz 1080p. Wszystkie wyświetlacze 4K, niezależnie od ich rozmiaru, zawierają tę samą liczbę pikseli. Chociaż telewizory o wysokiej rozdzielczości fizycznej mogą wykorzystywać dodatkowe piksele, aby oferować dodatkowe szczegóły, nie zawsze tak się dzieje. Rozdzielczość fizyczna jest zdana na łaskę rozdzielczości optycznej.

Rozdzielczość optyczna: dlatego zdjęcia ze starego jednorazowego aparatu wyglądają lepiej niż te z aparatu cyfrowego. Kiedy zdjęcie wygląda na ostre i ma wyraźny zakres dynamiczny, ma wysoką rozdzielczość optyczną. Telewizory czasami marnują swoją wysoką rozdzielczość fizyczną, wyświetlając wideo o słabej rozdzielczości optycznej, co prowadzi do rozmytych obrazów i słabego kontrastu. Czasami jest to wynikiem skalowania w górę.

Gęstość pikseli: odnosi się do liczby pikseli na cal na wyświetlaczu. Wszystkie wyświetlacze 4K zawierają tę samą liczbę pikseli, ale na mniejszych wyświetlaczach piksele są bliżej siebie, co skutkuje większą gęstością pikseli. Na przykład iPhone 4K ma większą gęstość pikseli niż 70-calowy telewizor 4K. Wspominamy o tym, aby podkreślić, że rozmiar ekranu nie jest równy rozdzielczości fizycznej, a gęstość pikseli nie definiuje jej.

Teraz, gdy rozumiemy różnicę między rozdzielczością fizyczną i optyczną, czas zająć się skalowaniem.

Zwiększenie rozmiaru sprawia, że obraz jest „większy”

Każdy telewizor zawiera algorytmy interpolacji, które służą do skalowania obrazów o niskiej rozdzielczości. Algorytmy te efektywnie dodają piksele do obrazu, aby zwiększyć ich rozdzielczość. Ale dlaczego warto zwiększać rozdzielczość obrazu?

Pamiętaj, że rozdzielczość fizyczna jest definiowana przez liczbę pikseli na wyświetlaczu i nie ma to związku z rzeczywistym rozmiarem telewizora. Ekran telewizora 1080p składa się z 2073600 pikseli, podczas gdy ekran 4K ma 8 294 400 pikseli. Jeśli wyświetlasz wideo 1080p na telewizorze 4K bez skalowania w górę, wideo zajmie tylko jedną czwartą ekranu.

Aby obraz 1080p pasował do wyświetlacza 4K, musi uzyskać 6 milionów pikseli w procesie skalowania (w tym momencie stanie się obrazem 4K). Jednak skalowanie w górę opiera się na procesie zwanym interpolacją, który w rzeczywistości jest grą w zgadywanie.

Skalowanie w górę zmniejsza rozdzielczość optyczną

Obraz można interpolować na kilka sposobów. Najbardziej podstawowa to interpolacja „najbliższego sąsiada”. W tym procesie algorytm dodaje do obrazu siatkę „pustych” pikseli, a następnie zgaduje, jaką wartość koloru powinien mieć każdy pusty piksel, patrząc na cztery sąsiednie piksele.

Na przykład pusty piksel otoczony białymi pikselami zmienia kolor na biały, podczas gdy pusty piksel otoczony białymi i niebieskimi pikselami może mieć kolor jasnoniebieski. Jest to prosty proces, ale prowadzi do wielu cyfrowych artefaktów, rozmycia i nierównych konturów. Innymi słowy, obrazy interpolowane mają słabą rozdzielczość optyczną.

Porównaj te dwa obrazy. Ten po lewej jest nieedytowany, a ten po prawej jest ofiarą procesu interpolacji najbliższego sąsiada. Obraz po prawej wygląda źle, mimo że ma taką samą rozdzielczość fizyczną jak ten po lewej. Dzieje się tak za każdym razem, gdy telewizor 4K używa interpolacji najbliższego sąsiada do przeskalowania obrazu.

„Poczekaj chwilę”, możesz powiedzieć. „Mój nowy telewizor 4K w niczym nie wygląda tak!” Cóż, to dlatego, że nie polega całkowicie na interpolacji najbliższego sąsiada – wykorzystuje mieszankę metod, aby przeskalować obrazy.

Zwiększanie rozdzielczości również próbuje rozwiązać problem rozdzielczości optycznej

Interpolacja najbliższego sąsiada to zbyt prosta metoda, która nie uwzględnia rozdzielczości optycznej. Dlatego telewizory używają dwóch innych form interpolacji obok interpolacji najbliższego sąsiada. Są one nazywane interpolacją dwuliniową (wygładzającą) i dwuliniową (wyostrzającą).

Dzięki interpolacji bicubic (wygładzającej) każdy piksel dodany do obrazu korzysta z informacji z 16 sąsiednich pikseli, co sprawia, że obraz jest zdecydowanie „miękki”. Z drugiej strony interpolacja dwuliniowa (wyostrzająca) dotyczy tylko najbliższych dwóch sąsiadów, co daje „ostry” obraz. Łącząc te metody – i stosując filtry dla kontrastu i koloru – telewizor może generować obraz, który nie wykazuje zauważalnej utraty jakości optycznej.

Oczywiście interpolacja jest nadal grą w zgadywanie. Nawet przy prawidłowej interpolacji niektóre filmy mogą nabierać efektu „duchów” po przeskalowaniu, zwłaszcza jeśli twój tani telewizor ma słabe algorytmy skalowania. Artefakty te stają się również bardziej widoczne, gdy obrazy o bardzo niskiej jakości (720p i niższe) są skalowane do rozdzielczości 4K lub gdy obrazy są skalowane na dużych telewizorach z małą gęstością pikseli.

Powyższy obraz nie jest przykładem skalowania z telewizora. Zamiast tego jest to przykład słabego skalowania dla wydania Buffy The Vampire Slayer HD DVD. To dobry przykład tego, jak słaba interpolacja może zrujnować obraz. Nie, Nicholas Brendon nie ma na sobie woskowego makijażu wampirów, to efekt skalowania.

Chociaż wszystkie telewizory oferują skalowanie w górę, niektóre z nich mogą mieć lepsze algorytmy skalowania niż inne, co przekłada się na lepszą jakość obrazu.

Skalowanie jest konieczne i rzadko zauważalne

Nawet pomimo wszystkich swoich wad, skalowanie jest pozytywnym zjawiskiem. Jest to proces, który przebiega zwykle bezproblemowo i umożliwia oglądanie różnych formatów wideo na tym samym telewizorze. Czy jest to doskonałe? Oczywiście nie. Dlatego niektórzy puryści filmowi i gier wideo wolą cieszyć się starą sztuką na jej przeznaczonym nośniku: starych telewizorach. Na razie jednak skalowanie nie jest czymś, czym warto się zbytnio przejmować.

Warto wspomnieć, że formaty wideo 8K, 10K i 16K są już obsługiwane przez część sprzętu, którego używamy na co dzień. Jeśli technologia skalowania nie nadąża za formatami o wysokiej rozdzielczości, może to spowodować znacznie większą utratę jakości, niż jesteśmy przyzwyczajeni.

Ponieważ producenci i serwisy streamingowe wciąż zbliżają się do 4K, może być za wcześnie, aby martwić się o 8K.