Na czym polega skalowanie obrazu?

Masz telewizor 4K albo monitor QHD i zastanawiasz się, na czym polega skalowanie obrazu? Z tego tekstu dowiesz się, jak działa upscaling w telewizorach, grach i amplitunerach. Poznasz też różnice między upscalingiem a downscalingiem oraz ich wpływ na jakość obrazu.

Co to jest skalowanie obrazu?

Skalowanie obrazu to proces, w którym urządzenie wideo zmienia rozdzielczość materiału, aby dopasować go do rozdzielczości ekranu. Może to być zarówno upscaling, czyli podnoszenie rozdzielczości, jak i downscaling, czyli jej obniżanie. Celem jest zawsze to, aby obraz wyglądał możliwie najlepiej na danym wyświetlaczu, niezależnie od jakości źródła.

Gdy telewizor ma matrycę 4K o rozdzielczości 3840 × 2160 pikseli, a sygnał pochodzi w jakości Full HD lub nawet SD, nie da się go wyświetlić 1:1. Procesor obrazu w telewizorze musi wtedy „dorobić” brakujące piksele i wypełnić wolne miejsca. Robi to na podstawie informacji z sąsiednich punktów, analizując kształty, kontrast i kolory. Dlatego nowoczesne skalowanie obrazu tak mocno wpływa na odbiór starszych filmów, programów TV czy materiałów z YouTube’a.

Na czym polega upscaling?

Upscaling polega na przekształceniu materiału o niższej rozdzielczości do wyższej, takiej jak HD, Full HD, 4K, a nawet 8K. Przykładowo film nagrany w 1920 × 1080 zostaje przeliczone do 3840 × 2160. Telewizor nie tylko powiększa obraz. Zastosowane algorytmy interpolacji starają się przewidzieć, jak mogłyby wyglądać detale, gdyby zostały nagrane w wyższej jakości. Analizują linie, krawędzie, tekstury i ruch, a następnie generują dodatkowe piksele, które mają przypominać brakujące informacje.

W praktyce oznacza to, że materiał SD lub HD wyświetlany na ekranie 4K staje się ostrzejszy, ma mniej widocznych szumów i artefaktów kompresji. Stare nagrania z DVD czy archiwalne seriale przestają wyglądać jak rozciągnięta mozaika. Widać lepiej kontury twarzy, napisy, detale tła, a krawędzie obiektów nie są już tak postrzępione jak przy prostym powiększeniu pikseli bez zaawansowanego upscalingu.

Na czym polega downscaling?

Downscaling działa odwrotnie. Tu sygnał o wyższej rozdzielczości, na przykład 4K, jest zmniejszany do rozdzielczości panelu, na przykład 2560 × 1440 lub 1920 × 1080. Zjawisko dotyczy głównie monitorów komputerowych i projektorów, ale pojawia się również w grach wideo. Komputer lub konsola może renderować obraz w 4K, a następnie skaluje go w dół do natywnej rozdzielczości wyświetlacza. Efektem jest bardzo ostry obraz z lepiej wygładzonymi krawędziami.

Dla użytkownika monitora QHD czy Full HD downscaling bywa ciekawym kompromisem. Można włączyć renderowanie gry lub filmu w wyższej rozdzielczości i liczyć na poprawę jakości, nawet jeśli ekran nie jest fizycznie 4K. W praktyce przypomina to zaawansowane wygładzanie krawędzi, bo zmniejszenie obrazu z wyższej rozdzielczości maskuje poszarpane linie i drobne artefakty.

Jak działa upscaling w telewizorach 4K i 8K?

Współczesne telewizory 4K i 8K nie tylko wyświetlają więcej pikseli niż starsze modele. Mają też zaawansowane procesory obrazu, które stale analizują każdą klatkę wideo. Te układy, nazywane często „procesorami AI” lub „procesorami obrazu”, odpowiadają za skalowanie obrazu w czasie rzeczywistym, redukcję szumów, poprawę kontrastu i nasycenia kolorów.

Gdy uruchamiasz kanał TV nadający w 720p na telewizorze 4K, urządzenie najpierw rozpoznaje wejściową rozdzielczość. Następnie algorytmy interpolacji obliczają położenie nowych pikseli między istniejącymi. Dla każdej linii, dla każdego fragmentu obrazu dobierane są wartości jasności i barwy tak, aby przejścia między pikselami były możliwie gładkie, a krawędzie jak najmniej postrzępione.

Sztuczna inteligencja i procesory obrazu

Producenci tacy jak Samsung, LG, Sony, Panasonic wyposażają swoje modele premium w procesory wykorzystujące uczenie maszynowe. Procesor AI Quantum w telewizorach Samsung Neo QLED 8K został wytrenowany na ogromnych bazach materiałów wideo. Dzięki temu potrafi rozpoznać typ sceny, fragmenty twarzy, napisy czy elementy tła i zastosować inne reguły poprawy obrazu dla każdego typu obiektu.

Telewizory Sony Bravia XR z procesorem Cognitive Processor XR idą o krok dalej. Analizują obraz tak, jak robi to ludzki mózg, czyli skupiają się na obszarach, gdzie zwykle patrzy widz. Taki procesor potrafi wzmocnić ostrość wokół oczu i ust, rozjaśnić ważne detale w centrum kadru, a jednocześnie zredukować szumy w mniej istotnych częściach sceny. W efekcie upscaling nie polega tylko na dodaniu pikseli, ale na nadaniu obrazowi struktury bliższej temu, jak widzimy rzeczywistość.

Jakie efekty poprawia skalowanie?

Różnica między prostym powiększeniem obrazu a upscalingiem z użyciem sztucznej inteligencji jest duża. Starsze telewizory po prostu rozciągały sygnał, co kończyło się mydlaną plamą i ząbkowanymi krawędziami. W nowych konstrukcjach obraz jest nie tylko ostrzejszy, ale też bardziej „czysty” wizualnie. Znikają drobne ślady po kompresji, tło nie migocze, a ziarno nie odciąga uwagi od głównej akcji.

W typowym scenariuszu zaawansowany upscaling potrafi:

• wygładzić ziarno i szumy,
• zredukować artefakty kompresji z transmisji TV i streamingu,
• poprawić kontrast lokalny i nasycenie barw,
• wyostrzyć napisy, rysy twarzy, fakturę ubrań i elementy tła.

Takie działanie sprawia, że nawet filmy nakręcone dawno temu w standardzie SD czy HD wyglądają znacznie lepiej na ekranach 4K i 8K. Nie jest to oczywiście cudowne odzyskanie utraconych szczegółów, ale inteligentne uzupełnienie informacji sprawia, że seans jest znacznie przyjemniejszy dla oka.

Na czym polega skalowanie obrazu w grach?

W grach upscaling ma jeszcze jeden, bardzo istotny wymiar – wydajność. Kiedy karta graficzna musi renderować każdy kadr w rozdzielczości 4K, liczba wyświetlanych klatek na sekundę potrafi drastycznie spaść. Skalowanie obrazu rozwiązuje ten problem w sprytny sposób. Gra renderuje scenę w niższej rozdzielczości, a dopiero później algorytmy podnoszą ją do 4K. Dla użytkownika efekt to często gładka animacja przy wciąż wysokiej jakości obrazu.

Na rynku dominują obecnie dwie technologie skalowania obrazu w grach: AMD FSR (FidelityFX Super Resolution) i NVIDIA DLSS (Deep Learning Super Sampling). Obie działają na podobnej zasadzie, choć różnią się szczegółami implementacji oraz zakresem obsługiwanych kart graficznych.

FSR – FidelityFX Super Resolution

Technologia FSR od AMD jest dostępna na szerokiej gamie sprzętu. Nie wymaga specjalnych rdzeni AI, dlatego działa także na wielu starszych kartach graficznych i układach innych producentów. FSR renderuje obraz w niższej rozdzielczości, a następnie za pomocą algorytmów rekonstrukcji przelicza go w górę, poprawiając przy tym ostrość i kontrast krawędzi.

Dzięki temu karta graficzna wykonuje mniej pracy na etapie renderowania, co przekłada się na wzrost liczby FPS. W niektórych tytułach można zobaczyć nawet dwukrotny przyrost płynności w porównaniu z natywną rozdzielczością. Oczywiście jakość zależy od wybranego trybu FSR i konkretnej gry, ale dla wielu użytkowników to atrakcyjny kompromis między detalami a płynnością.

DLSS – Deep Learning Super Sampling

DLSS to rozwiązanie NVIDII zarezerwowane dla kart GeForce RTX. W jego przypadku skalowanie obrazu opiera się na sieciach neuronowych trenowanych w centrach danych NVIDII. Karta graficzna korzysta z tych wytrenowanych modeli i przy użyciu dedykowanych rdzeni Tensor rekonstruuje obraz z niższej rozdzielczości do wyższej, często z bardzo wysoką jakością.

Najnowsza wersja DLSS 3.5 idzie jeszcze dalej, bo wykorzystuje tzw. renderowanie neuronowe. AI potrafi generować brakujące piksele oraz całe klatki, co jest szczególnie przydatne w scenach z ray tracingiem, gdzie obciążenie sprzętu jest ogromne. Dobrze zaimplementowany DLSS pozwala grać w tytuły z włączonym śledzeniem promieni na kartach, które bez tej technologii nie udźwignęłyby stabilnego klatkażu.

W grach skalowanie obrazu za pomocą FSR i DLSS często umożliwia włączenie maksymalnych ustawień graficznych oraz ray tracingu, nawet jeśli komputer lub konsola nie są najwyższej klasy.

Gdzie jeszcze stosuje się skalowanie obrazu?

Upscaling kojarzy się głównie z telewizorami i kartami graficznymi, ale pojawia się w wielu innych urządzeniach. W domowym kinie to częsta funkcja amplitunerów AV, odtwarzaczy Blu-ray, a nawet niektórych streamerów multimedialnych. Takie rozwiązanie pozwala podłączyć starsze źródła obrazu do nowoczesnego telewizora bez widocznej utraty jakości.

Przykładem są amplitunery Yamaha z serii MusicCast RX-Ax80. Urządzenia te potrafią przyjąć sygnał HDMI w rozdzielczości Full HD i przeskalować go do 4K przed wysłaniem do telewizora. Użytkownik nie musi więc wymieniać całej kolekcji płyt czy odtwarzacza, aby skorzystać z nowego ekranu. Podobnie działają liczne odtwarzacze Blu-ray od Sony czy Panasonica, które oferują funkcję 4K upscaling płyt DVD i Blu-ray.

Upscaling a przepuszczanie sygnału 4K

W opisach amplitunerów AV często pojawiają się dwa określenia: przepuszczanie sygnału 4K (4K passthrough) i skalowanie do 4K. To nie są te same funkcje. Przepuszczanie 4K oznacza, że amplituner przesyła sygnał wideo praktycznie bez zmian, zachowując jego oryginalną rozdzielczość i parametry. Warunkiem jest zgodność całego łańcucha z normą HDCP 2.2 i obsługa 4K przez źródło, kabel HDMI i telewizor.

Skalowanie do 4K działa inaczej. Gdy źródło wysyła sygnał w niższej rozdzielczości, amplituner przelicza go w górę i dopiero potem przesyła do ekranu. Dzięki temu także starsze odtwarzacze czy konsole z wyjściem Full HD mogą wyglądać lepiej na nowym telewizorze. W efekcie cały system kina domowego jest bardziej uniwersalny i pozwala korzystać ze starszych urządzeń przy nowoczesnym wyświetlaczu.

Jakie są zalety i ograniczenia skalowania obrazu?

Czy upscaling może zastąpić natywną rozdzielczość? To pytanie pada często przy zakupie telewizora lub karty graficznej. Skalowanie obrazu daje bardzo dużo, ale ma też naturalne granice. Wszystko zależy od jakości materiału źródłowego, mocy procesora obrazu i zastosowanych algorytmów. Zbyt słabe źródło nie stanie się nagle referencyjnym materiałem, nawet na drogim ekranie.

Skalowanie obrazu w nowoczesnych urządzeniach ma jednak długą listę zalet:

• poprawia ostrość starszych filmów i transmisji TV,
• zmniejsza widoczność szumów i kompresji w streamingu,
• pozwala korzystać z telewizora 4K/8K także przy materiałach HD i SD,
• w grach pozwala zwiększyć liczbę FPS przy zachowaniu dobrej jakości obrazu.

Ograniczenia wynikają z prostego faktu: upscaling nie przywraca szczegółów, których nigdy nie zarejestrowano. Jeśli film powstał w niskiej rozdzielczości i ze słabą kompresją, nawet najlepszy algorytm nie zamieni go w perfekcyjne 4K. Z kolei w grach zbyt agresywne skalowanie w dół może powodować utratę drobnych detali i lekkie rozmycie obrazu, szczególnie w trybach maksymalnego oszczędzania wydajności.

Najlepsze efekty skalowania obrazu widać wtedy, gdy dobrej jakości materiał HD trafia na mocny procesor obrazu w telewizorze 4K lub na kartę graficzną z dopracowaną technologią upscalingu.

Dzięki połączeniu upscalingu, downscalingu i inteligentnych procesorów możesz dziś oglądać większość treści w jakości znacznie lepszej niż to, w jakiej zostały pierwotnie przygotowane. Różnicę widać szczególnie na dużych ekranach, gdzie brak skalowania natychmiast ujawnia wszystkie wady niskiej rozdzielczości.