Os algoritmos para estimativa e compensação de movimento têm virtudes e falhas ainda não corrigidas, mesmo depois de dois anos com esta tecnologia em uso.

Depois de praticamente dois anos no mercado, as novas TVs LCD com estimativa e compensação de movimento continuam a invocar prazer e desprazer na maioria dos usuários, sem que nada de concreto venha acontecendo para mudar este cenário.

Foi em fevereiro de 2010 que saiu publicada uma coluna sobre o assunto, e naquela época quase nenhuma observação da minha parte ainda tinha sido feita. Parte da culpa é minha, que não tenho conhecimento de engenharia nem muito menos equipamentos para testes e análises, e parte culpa da indústria, que pouco fez para ilustrar ou elucidar a influência do melhoramento e de seus ajustes.

Para o leitor ter uma ideia do que estou falando, naquela época entrei em contato com o suporte 0800 do fabricante, perguntando sobre o Auto Motion Plus 240 Hz da TV, e me informaram que se eu desligasse o ajuste perderia a varredura de 240 Hz, o que depois eu vi que não era verdade. Isto, sem falar que os pré-ajustes denominados Clear, Standard e Smooth não tinham explicação alguma nem no manual nem no suporte pelo telefone.

A verdade é que foi preciso o tempo passar, e a gente constatar que nada de muito novo desta tecnologia de fato mudou, e que algumas dessas explicações iriam aparecer na Internet, pela pressão que o usuário final faz nestas ocasiões, algumas das quais eu passo a relatar aqui. Antes, porém, é preciso conhecer o terreno onde a gente está pisando, porque o assunto em si é bastante confuso, até mesmo para os que se dedicam mais ao hobby.

Antes de mais nada, eu peço ao leitor a necessária tolerância, para manter alguns termos técnicos na sua língua de origem (inglês, neste caso), para não complicar muito as explicações dadas. Dito isto, vamos lá:

A natureza do “judder”

O judder, ou movimento brusco, é um fenômeno de captura da imagem em movimento. Nas câmeras de cinema, ele deriva da escolha de cadência do filme em 24 quadros por segundo, ocorrida pouco antes da introdução do cinema sonoro. Em movimentos repentinos da câmera ou de objetos do seu enquadramento, este número de quadros é insuficiente para registrar todas as variações de mudança de posição, e que resulta na imediata ausência de foco da imagem de transição.

O olho humano racionaliza o judder como “imagem cinematográfica”. Se ele for retirado, o observador perde a noção de que se trata de um filme de cinema.

Em tempos remotos, vários cineastas e técnicos se preocuparam com o judder, e aumentaram a cadência no filme na câmera e no projetor para 30 quadros por segundo. Alguns filmes em Todd-AO foram produzidos desta maneira, mas o processo foi abandonado por motivos diversos.

Em ambiente digital, a cadência é determinada no momento da captura e, portanto, eliminando facilmente o judder. Porém, muitos cineastas ainda preferem gravar em 24 qps, para não dar ao público a impressão de que a imagem não é cinema!

A origem do judder nas telas de TV

Nas telas de TV, o judder resulta da conversão de material de cinema rodado em 24 qps (23.98 qps), para um sinal de vídeo a 30 qps (NTSC, 29.97 qps). Esta conversão tenta driblar o fato de que 30 não é divisível por 24 sem dar uma fração (1.25). Como não existe 1.25 de um quadro, a solução é triplicar um quadro e duplicar o seguinte, dando assim um total de 5 quadros para cada 2 quadros em seqüência. Com isso, a divisão passa a ser 30 por 5, ou seja, 6 quadros completos. O processo é chamado de “3:2 pulldown” ou “telecine pulldown”. O processo gera o que se chama de “telecine judder”: a irregularidade da cadência 3:2 gera uma imagem que é igualmente irregular em reprodução de cenas em movimento.

A eliminação do judder na tela de TV

A eliminação do judder na tela de TV é possível pela eliminação do pulldown 3:2. Como este último só é necessário em telas com sinal padrão de 60 Hz (NTSC), a solução mais simples é aumentar a freqüência de varredura para um valor capaz de se obter o sinal de origem perfeitamente divisível com a cadência de tempo do sinal da tela.

Assim, em telas de 120 Hz, por exemplo, cada imagem é repetida cinco vezes (120 ÷24 = 5). Isto faz coincidir o número de quadros pela varredura: 24 quadros completos em 120 quadros por segundo. Em telas de 240 Hz o mesmo raciocínio se aplica, exceto que o número de quadros repetidos é de 10 vezes (240 ÷24 = 10), encaixando 24 quadros em 240 quadros.

Note o leitor que, ao se reproduzir filme em uma tela de TV, se está lidando com dois tipos distintos de judder: aquele que é originado na câmera de cinema, e o outro que resulta da conversão do filme para vídeo.

Ao aumentar a varredura para 120 Hz ou acima, o judder da tela é eliminado, mas sobra aquele que vem da imagem de origem. E é aí que entram em ação os algoritmos de estimativa e compensação de movimento, com a interpolação na tela de quadros que na realidade nunca existiram no momento da captura!

A origem do blur na tela de LCD

O blur (ou borrão ou mancha) é um fenômeno característico das telas de LCD exclusivamente. Ele é resultado da maneira como a tela de LCD constrói uma imagem:

Cada pixel ou subpixel da tela de LCD recebe uma informação elétrica para deixar ou não passar a luz do background para o painel da frente. Isto é feito com um endereçamento da informação para a matriz de cristal líquido com as coordenadas de cada ponto, onde o sinal irá encontrar o pixel ou subpixel desejado.

Uma vez recebida a informação o pixel ou subpixel ficam imóveis até que nova informação chegue ao mesmo endereço. O processo é chamado em eletrônica de “sample and hold” (“amostre e aguarde”).

Esta espera dura cerca de 1/60 do segundo (16.67 ms). Idealmente, imagens em movimento deveriam ser completamente reproduzidas na tela de TV em uma velocidade maior do que esta. Os circuitos e drives da TV LCD impedem que isto aconteça. O resultado é que o pixel acionado fica estacionário quando deveria estar mudando para uma imagem completamente nova, tudo isso em um período de tempo maior do que o necessário.

O olho humano tem capacidade de perceber pixels (pontos de luz) estacionários em uma imagem em movimento, quando ele se detém em rastrear (acompanhar) a imagem como um todo. O resultado é a percepção de áreas sem definição, e que se apresentam na forma de um borrão ou arraste na imagem (“blur”).

O borrão é tão mais perceptível quanto melhor for a qualidade da imagem. Em telas de alta definição ele é, portanto, melhor percebido, e é, por isso mesmo, chamado de “HDTV blur”. O seu principal efeito é diminuir a clareza global da imagem, quando então pequenos detalhes da mesma são completamente perdidos.

Mecanismos anti-blur

O borrão dos monitores LCD era pior nas primeiras telas, irrespectivo da resolução da mesma, e era considerado por muitos como intolerável. A primeira iniciativa para vencê-lo foi aumentar a velocidade de resposta do cristal líquido. Os fabricantes rapidamente descobriram que telas com tempo de resposta em torno de 8 ms exibiam excelente resultado na clareza da imagem.

Mas, tal mudança ainda iria estar longe de resolver por completo o problema. Existem detalhes da imagem que só aparecem quando a clareza aumenta, e isto só ficou claro na medida em que novos processadores anti-blur foram desenvolvidos.

Na realidade, testes feitos com diferentes telas de LCD trouxeram evidências quase que conclusivas de que o tempo de resposta de pixels em telas LCD deixaram de ser um problema já faz muito tempo. Abaixo de 8 ms, por exemplo, não deveriam haver indícios de borrões na tela.

A solução definitiva, porém, ou pelo menos a tentativa de fazê-la, viria com outros métodos e soluções.

A segunda iniciativa foi interpolar quadros sem imagem (escuros), forçando assim a tela LCD a alterar o estado estacionário dos pixels (diminuição do ciclo de “sample and hold”). A inserção de uma tela escura entre dois quadros sucessivos ilude o cérebro do espectador em pensar que a primeira das duas imagens não existe mais. Este método, porém, introduz um efeito negativo, que é o de diminuir o brilho característico da tela LCD e foi abandonado. A indústria partiu para outros métodos, para conseguir apagar a imagem, mas sem a perda de brilho da tela.

Em uma primeira e porque não dizer brilhante iniciativa neste sentido, a Philips introduziu um driver de vídeo capaz de apagar e acender o backlight (efeito estroboscópico), de maneira a interpolar uma nova tela e renovar a anterior, na cadência desejada, mas sem introduzir uma tela escura completa, como no método anterior.

O método é chamado de ClearLCD©, e está em uso até hoje, com a ajuda dos backlight de LED. Para fazê-lo funcionar, foi ainda preciso mudar a fonte de luz do backlight, para uma fluorescente de catodo quente (HCFL), mais próxima do modo de emissão dos tubos de raios catódicos (CRT). O efeito provoca uma exposição menor dos pixels afetados pela imagem estacionária, diminuindo assim o blur.

O ClearLCD trabalha ainda com drivers que controlam a velocidade funcionamento dos cristais de LCD (“Overdrive control”), para facilitar o seu uso a tela passa a ter uma taxa de 100/120 Hz. Na atualização dos modelos, a empresa optou por LED com escurecimento local (“local dimming”) e varredura de 100/120 Hz.

Outros fabricantes de tela seguiram o mesmo caminho, usando nomes diferentes. O efeito estroboscópico faz parte das construções das telas com LEDs nas bordas (“edge lit”), que apagam cada fileira na cadência desejada (120 ou 240 Hz).

Algoritmos anti-blur e anti-judder por compensação de movimento

A inserção de imagens de transição pode ter dois tipos específicos de efeitos nas telas LCD: a redução do judder e a redução do blur, com pequenas variações de atuação, como mostrado a seguir:

O olho humano é capaz de seguir movimento sem percepção de artefatos, desde que o movimento em si seja linear em relação ao tempo de percepção, ou seja, não poderá haver transições que não sejam as mais próximas possíveis na mudança de um objeto de um lugar para outro.

O objetivo dos mecanismos de estimativa e compensação de movimento é inserir tantos quadros quanto forem necessários, para que a mudança de movimento seja o mais linear possível.

Para conseguir isto, é preciso interpolar quadros de transição, resultantes da análise da diferença entre dois quadros sucessivos. Nas telas com varredura de 120 Hz e acima, apenas um quadro é necessário para compor uma dada imagem, os outros 4 (120 Hz) ou 9 (240 Hz) que sobram podem ser usados para compor imagens intermediárias entre aquele quadro e o quadro seguinte.

A inserção de quadros tem como objetivo eliminar o judder, trazendo à imagem em movimento uma transição uniforme, ou seja, linear. Esta mesma interpolação de quadros, uma vez aliada à freqüência de varredura do backlight, ajuda a eliminar o blur. Esta última é chamada de varredura dinâmica, pois funciona de acordo com o sinal de entrada.

Como existem agora duas variáveis separadas em ação – a primeira com a interpolação pura e simples de quadros de transição (“anti-judder”) e a segunda com a concatenação da interpolação com a varredura dinâmica do backlight (“anti-blur”) – é possível ter no painel da TV dois ajustes separados também.

Neste ponto, é interessante notar que telas de 240 Hz aparentam ter mais sensibilidade e performance aos ajustes, mas na prática cabe ao olho de quem vê discernir as diferenças. A este respeito, os vários testes publicados na Internet, mostram evidências que é difícil distinguir uma tela da outra.

O efeito principal destes dois tipos de ajuste é aumentar significativamente a claridade da imagem, aumentando o número de pequenos detalhes agora mais visíveis, e também a clareza nas transições entre regiões claras e escuras, e conseqüentemente, a percepção dos vários tons de cor.

Efeitos colaterais

A maior dificuldade no tratamento de imagens em movimento ocorre quando a fonte é capturada na cadência de 24 quadros por segundo, e, no caso, transposta integralmente em vídeos de alta definição, como é o caso do Blu-Ray.

A primeira coisa que se nota ao se acionar a estimativa e compensação de movimento para imagens deste tipo é o desaparecimento da percepção de imagem de cinema e a sua substituição pelo aspecto visual de uma imagem de vídeo, o chamado “soap opera effect” ou “efeito novela”. Mas, neste ponto, não haverá degradações específicas da imagem, pelo contrário, ela fica mais definida e mais clara.

Por outro lado, infelizmente, os ajustes para a eliminação de judder e blur atualmente em uso ainda não são perfeitos: o primeiro provoca um salto na imagem em movimento, de um quadro para outro, e de forma inesperada; o segundo provoca o que aparenta ser um fantasma da imagem em movimento ou então exibe uma aura nos contornos, parecendo um tipo de “mosquito noise” ou semelhante.

Parece não haver dúvida de que ambos os efeitos são resultado de uma atuação incompleta da interpolação de quadros. Estes artefatos afetam muito mais as fontes de sinal em 24 qps (filme passado para vídeo) do que 60 qps (transcrição de vídeo para vídeo). Nestes últimos, a deterioração é mais fácil de notar em imagens de alta definição.

Tentativas de eliminar os artefatos do ME/MC

Eu vou tomar como base os ajustes de compensação ME/MC do recurso “Auto Motion Plus 240Hz”, que é o único que eu posso usar como referência de experiência pessoal:

O AMP é usado em TVs Samsung. Ele permite estabelecer 3 pré-ajustes, a saber, “Clear”, “Standard”, e “Smooth”, nomes estes que não esclarecem ao usuário coisa alguma. A explicação como eles trabalham é achada não no manual, mas no site de suporte da empresa.

Em “Clear” o mecanismo anti-blur atua no máximo e anti-judder no mínimo. Em “Standard”, ambos os ajustes estão no meio de escala. E em “Smooth”, é a situação inversa da primeira, quando o anti-blur está no mínimo e o anti-judder no máximo.

Além dos pré-ajustes, a TV oferece ao usuário a possibilidade de ajustar escalas de 0 a 10 para anti-blur e anti-judder, se ele optar por “Custom”. Como cada ajuste tem escalas separadas, a combinação de seus valores permite um total de 55 ajustes diferentes, se os meus cálculos estiverem corretos.

A escala vai de desligado (0) até o máximo (10), e os resultados de cada ajuste dependerão muito da fonte de sinal. Não há necessidade de ajustar ambas as escalas em zero, já que o AMP 240 pode ser desligado totalmente por fora.

Teoricamente, o ajuste em 5/5 (meio de escala) deveria corresponder ao pré-ajuste “Standard”, mas na prática nota-se que o primeiro funciona com menos artefatos, para todas as fontes de sinal indistintamente, sem que haja, diga-se de passagem, uma explicação convincente a este respeito, dada pelo fabricante ou por analistas de sites diversos.

Como o AMP 240 também exibe artefatos, estes mesmos analistas preferem desligar o recurso por completo, para fontes de sinal em 24 qps. Ao fazer isto, porém, eles mesmos admitem que as principais virtudes do melhoramento de imagem conseguido pelo AMP 240 ficam totalmente perdidas, particularmente a resolução da imagem em movimento.

Uma outra alternativa proposta para sinais de 24 qps é desligar a sua transmissão na saída HDMI dos leitores, quando estes o permitem. Assim, o sinal passa a ser tratado como 60 qps, o que ajuda a minimizar os artefatos de imagem.

Pela Internet afora, um número significativo de usuários e analistas sugerem a customização do AMP 240 (ou de telas 120 Hz com o mesmo recurso) para 10/2 (10 para anti-blur e 2 para anti-judder). Os analistas preferem um ajuste ainda mais radical: 10/0.

Dentre os pré-ajustes, o que mais se aproxima desta proposta é “Clear”. Por isso, não causa surpresa a escolha do mesmo por muitos usuários que não querem se envolver em ajustes de escala.

Os ajustes em 10/0 ou 10/2 se baseiam no fato de que as varreduras de 120 Hz e 240 Hz eliminam “per se” o judder de fontes em 24 qps. Entretanto, a imagem sem correção de judder faz objetos em movimento ter transição grosseira.

Na minha experiência pessoal ajustes de 8/2 funcionam melhor com sinais de 24 qps (Blu-Ray) e ajustes de 5/5 com sinais de HDTV 1080i 60 Hz (transmissão de ar ou cabo/satélite). Para discos Blu-Ray especificamente, a solução que me ajudou a eliminar todos os saltos de movimento resultantes do ajuste anti-judder para 24 Hz acima citados foi a modificação da saída 1080p 24 Hz do leitor para 1080p 60 Hz. Neste caso, a conversão 24 para 60 quadros é feita previamente e a imagem na TV é tratada como 60 Hz nativo. Além do benefício da eliminação do artefato, fica mantido também o benefício dos ajustes AMP 240 Hz em 8/3, ou seja, consegue-se o melhor dos dois mundos, com uma única mudança.

Considerações gerais

O número de fórmulas espalhadas pela Internet sobre ME/MC é impressionante. A ausência de consenso nesses ajustes é compreensível: cada equipamento usado tem características de processadores e transmissão de sinal bastante diferente. Isto sem falar no fato de que em muitas instalações o sinal pode passar por um transmissor intermediário, geralmente um A/V receiver.

Para fazer o seu ajuste customizado, o usuário final deve ter em mente os efeitos de melhoramento, descontados os efeitos colaterais relativos aos mesmos: subindo a escala de anti-blur, há uma tendência em ter uma imagem cada vez mais nítida nos contornos, mas não ao ponto de introduzir o halo de ruído ou fantasma; subindo a escala de anti-judder há uma tendência de mostrar movimentos mais uniformes, mas não ao ponto de visualizar saltos nesses movimentos.

A subida ao topo da escala de anti-blur para o valor máximo de 10, que muitos usuários defendem na Internet, parece não oferecer artefatos visíveis, desde que o ajuste anti-judder seja mantido em um valor baixo. A explicação para isso eu não sei qual é.

A nossa percepção do que é cinema está, sem dúvida alguma, mudando! Em parte, a culpa é da modificação das salas de exibição, ao trocar projetores de película por equivalentes digitais. E outra parcela de culpa vem dos próprios cineastas, ao usarem câmeras digitais e depois modificar parâmetros que tornam o material registrado completamente diferente do mesmo material em película. É uma torre de babel, que tende a se diversificar ainda mais no futuro.

O Blu-Ray, que é nossa fonte de referência de material de filme em vídeo de alta resolução, usa a transcrição de 24 qps não só como forma de aumentar o espaço em disco, mas para diminuir a compressão, o que, por si só, diminui as chances de introdução de artefatos na imagem.

A solução para o tratamento definitivo da imagem obtida quando o sinal é transmitido a 24 qps está ainda no ambiente do aparelho de reprodução, sejam eles TV, monitor ou projetor. Embora seja possível converter o sinal em 24 qps para 60 qps em leitores Blu-Ray antes da saída, há um interesse implícito em evitar que isto seja feito, com o propósito de deixar todo o processamento e melhoramento de imagem no seu destino. Não sendo possível eliminar todos os artefatos de movimento provocados pela imagem 1080p 24 Hz, a solução de troca para 60 Hz passa a ser mais interessante.

Abandonar o processo ME/MC por completo me parece, salvo melhor juízo, uma proposta absurda. Ou, se quiserem, investir pesado em uma TV com o recurso, e depois jogá-lo fora não deixa de ser um contrassenso. Seria preferível, a meu ver, que os fabricantes fizessem um esforço no sentido de melhorar a análise e interpolação de quadros, sem introduzir artefatos de movimento.

Embora a eliminação do judder esteja ancorada nos altos valores de atualização de tela (120 Hz e acima), está cada vez mais claro de que só isto não é suficiente. Desligando-se o anti-judder do AMP por completo traz de volta os problemas originados no estágio de filmagem, e que não são corrigidos no laboratório.

Os tempos mudam e os conceitos também, e é possível que o nosso hábito de ver cinema em uma tela de TV venha a mudar completamente, em um futuro que chegará mais cedo que seríamos capazes de prever! Se nós aturamos cinema com judder em todos estes anos, porque não alguns artefatos nas TVs? [Webinsider]
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