数字电视系统的分辨率

数字电视系统的分辨率 在高清晰度电视节目的制作流程中，数字电视的系统参数、压缩编码算法的取样结构以及节目拍摄时摄像机成像器件的像素数量、镜头成像质量等很多因素都与制作完成的高清节目清晰度(分辨率)有关。 数字电视系统的分辨率 高清晰度电视的分辨率是由数字电视系统规定的，图1示出了ITU-R709/SMPTE274M标准的幅度-频率特性。 ITU-R709/SMPTE 274M高清电视标准规定，每行亮度信号有效取样点数量1920个,每帧有效扫描行1080行，隔行扫描时亮度信号的取样频率为74.25MHz，亮度信号的0dB带宽30MHz(0.4Fs = 0.4 x 74.25MHz = 29.7MHz)，-12dB带宽37.125MHz，图1是ITU-R709/SMPTE 274M标准数字高清电视的通道特性。 根据尼奎斯特定理，亮度信号带宽的最大值为取样频率74.25MHz的1/2，即37.125MHz。对照上述技术标准可以看到，高清电视系统亮度信号的幅度在37.125MHz时只有30MHz的1/4(-12dB)。电视行业经常用绝对清晰度“线”或相对清晰度“电视线”达电视系统的清晰度，标清电视每1MHz带宽相当于107线或80电视线，高清晰度电视每1MHz带宽相当于52线或29电视线。以此计算0dB带宽30MHz对应的分辨率为1550线或870电视线，-12dB带宽37.125MHz对应的分辨率为1920线或1080电视线。 ITU-R709/SMPTE 274M规定的取样结构有两种，一种是基于RGB的4:4:4，主要用于高质量节目制作，另一种是基于Y CB CR的4:2:2，主要用于一般节目制作。 可以把高清数字电视系统的标准看作一个容器，这个容器的容量就是高清电视分辨率的上限，标准确定后电视节目清晰度的上限也就随之确定了。 压缩编码的取样结构 高清数字电视信号的信息量非常之大，在10比特量化4:2:2取样1080/60i时其码率大约为1.24Gbps，因此除了少数高质量制作以外，在大多数情况下记录、播出和发行时都采用了压缩编码技术以降低码率。对高清电视信号的分辨率来说压缩编码实际上也是一个容器，这个容器的最大值就是高清电视的标准，其分辨率和取样结构的下限则由各厂家或压缩编码的标准确定。因此，完成的电视节目清晰度不但受制于数字电视系统的标准，还受制于制作、播出和发行过程中采用的压缩编码算法。 图5示出了目前正在使用的几种高清设备的取样结构和分辨率，从中可以看到在现有设备中有只有HDCAM SR、D5HD和DNxHD压缩编码算法的分辨率和清晰度与数字电视系统相同，其它几种设备的压缩编码都采用了预滤波和亚取样技术，其取样结构和分辨率低于高清电视的技术标准。例如目前使用数量最多的HDCAM，其亮度信号的分辨率为1440x1080，色度信号的分辨率为960x1080，这就是我们通常所说的3:1:1取样结构;HDV、XDCAM HD和P2 HD(AVC Intra 50Mbps)的亮度信号分辨率与HDCAM相同都是1440x1080，其色度信号的分辨率为720x540，也就是所谓基于1440的4:2:0或3:1.5:0取样结构;DVCPRO HD的亮度信号分辨率为1280x1080，色度信号的分辨率为640x1080，也可以称为基于1280的4:2:2或2.6:1.3:1.3取样。 在高清电视节目的记录、制作和播出发行过程中，不论那个环节只要采用了上述几种应用了预滤波、亚取样的压缩编码，其完成的高清节目分辨率就会受到这种编码器分辨率的限制。 拍摄清晰度(分辨率) 拍摄清晰度主要取决于摄像机成像器件的像素数量以及镜头质量，一般来说成像器件的像素数量越多、镜头的锐度越高拍摄分辨率就越高。 像素数量 我们都有这样的经验，需要一张640x480(30万像素)分辨率的图片时如果用640x480像素的数码相机拍摄得到的图像质量并不理想，通常的做法是用像素数量高得多的数码相机拍摄，得到5百万甚至8百万像素照片后用软件把分辨率降低到640x480像素，这样经高分辨率文件下变换得到的30万像素图片清晰度比直接用30万像素照相机拍摄的照片高得多，其原因是拍摄时像素数量越多调越高，有效信息量越大，即使最终需要的成品图片分辨率并不高，但第一次拍摄取样时像素数量越高越好。 图8示出了三种不同像素数量成像器件的MTF(调制传输数)，分别是1920x1080像素的2/3英寸CCD，1440x1080像素的1/2英寸CCD和960x1080像素的1/3英寸CCD，这是目前三种典型的成像器件产品。从图中可以看到像素数量对调制度的影响非常大，当成像器件的水平方向有效像素数量与数字电视系统分辨率相同，也就是1920像素时30MHz调制度为43%左右，当像素数量为1920的3/4也就是1440像素时其30MHz调制度大约为22%，而像素数量为1920的1/2时其30MHz调制度只有不到3%。从三种不同像素数量成像器件的MTF可以知道，成像器件的像素数量越多能够提供的有效信息量越大，拍摄图像的清晰度(分辨率)就越高。 需要说明的是，像素数量与成像器件的尺寸并没有必然的关系，目前的技术已经可以在尺寸很小的芯片上制造出足够多数量的像素，例如在1/2和1/3英寸的CCD上同样可以集成1920x1080个有效像素。问是在相同的面积上像素数量越多每个像素的尺寸就越小， 其感光面积也就越小，灵敏度就越低，而灵敏度也是设计高清摄像机时需要考虑的重要因素之一。因此在实际的产品中成像器件的像素密度是不能无限提高的，这也是目前产品化的高清摄像机成像器件暂时还没有超过1920x1080像素的原因之一。 在像素数量有限的条件下有些摄像机采用了空间像素偏置技术提高调制度，即在水平或同时在水平和垂直方向上把R和B像素与G像素的空间位置偏置1/2个像素，如图9。空间像素偏置的原理是利用亮度方程Y=0.2126R+0.7152G+0.0722B的关系，把R与B的空间位置与G交错放置，这样在对空间频率比较高的物体拍摄时即使G像素“看不到”图像细节时R和B像素也能读出G“看不到”的部分，由于R与B的位置与G错开了1/2个像素的距离，相当于把有效像素密度提高了一倍。水平空间像素偏置可以提高水平方向的清晰度，水平和垂直都偏置时可以提高两个方向上的清晰度。根据亮度方程计算，拍摄黑白对象时空间像素偏置技术可以把亮度信号的调制度提高28% 左右。 采用空间像素偏置技术提高调制度有两个条件，一是输出信号是经过RGB矩阵得到的亮度信号Y，二是被拍摄物体是白色或灰色。很明显如果输出信号是RGB而不是亮度信号，空间像素偏置对提高调制度就毫无作用;如果拍摄的对象是绿、红、蓝或紫色(R+B)，空间像素偏置的效果也是零。由于被拍摄对象的色彩是不确定的，因此拍摄实际图像时空间像素偏置技术提高调制度的效果也是不确定的。 镜头质量 成像器件的尺寸越小镜头的口径也越小，在像素数量相同的情况下成像器件的尺寸越小像素密度越高，这就需要小口径镜头的MTF也随之提高。但由于成本的原因一般小口径镜头的MTF并不比大口径镜头高，因此相对来说小口径镜头的锐度比大口径镜头低。从镜头的角度来看，像素数量相同时成像器件的尺寸越大拍摄清晰度越高。 结束语 前面已经谈到，可以把高清电视标准和压缩编码算法比喻为容器。电视标准是最大的容器，压缩编码算法是在电视标准这个大容器内套着的“小”容器，它不可能比电视标准的容量更大，只能与电视标准相同或更小。选定了标准和压缩编码就相当于确定了容器的容量，就像1升的酒瓶只能装1升酒一样，多一点也不行。不过，我们虽然不能让这个容器装更多的酒，但可以提高酒精浓度，在不改变容量的条件下放入更多的有效成分。 高清电视节目的拍摄和制作也是这样，在确定了技术标准和压缩编码算法后，可以通过增加有效信息量的方法提高节目的清晰度，而增加成像器件的像素数量和提高镜头的调制度是增加有效信息量的最有效