高標清電視關(guān)鍵參數(shù)指標對電視畫面的影響

張國森

（中央電視臺技術(shù)管理中心，北京 100859）

當今是一個標準清晰度電視（以下簡稱“標清電視”或“標清”）與高清晰度電視（以下簡稱“高清電視”或“高清”）并存的時代。高清電視已經(jīng)進入了越來越多的家庭，人們對高清電視發(fā)展和高清節(jié)目制作的關(guān)注也日漸增加。與電視節(jié)目制作有關(guān)的工作人員，如照明、舞美、化妝、裝置等相關(guān)人員，應(yīng)該了解標清電視、高清電視的基本技術(shù)參數(shù)及二者的區(qū)別，在實際工作中重點把握各自關(guān)鍵特點，讓電視畫面更美、更生動。

1 高清電視與標清電視的技術(shù)指標差異

清晰度，顧名思義是指圖像的清晰程度，它是電視畫面的一個重要參數(shù)。高清電視的最大特點就是其清晰度遠高于標清電視。表1對比了標清電視與高清電視的技術(shù)指標。

兩者的區(qū)別在于：

（1）有效行取樣數(shù)、有效幀取樣數(shù)有很大的不同，標清電視是720×576；高清電視是1920×1080。這是兩者的本質(zhì)區(qū)別，標清電視與高清電視就是因此而得名。

（2）亮度取樣頻率、色度取樣頻率有很大的不同，如果亮度與兩色差信號取樣值按照4∶2∶2為例，從表1中可以看出，高清的取樣數(shù)值遠遠高于標清。

由于高清要處理的信息量遠大于標清，因此，高清要用更高的頻率去取樣才能保證高質(zhì)量的電視畫面。

（3）量化等級主要決定了電視畫面的灰度層次。標清、高清二者數(shù)值一樣，即二者的灰度層次相同。

（4）基準黑、白電平主要決定了電視畫面的動態(tài)范圍，或稱作對比度。標清、高清二者數(shù)值一樣，即二者的動態(tài)范圍或?qū)Ρ榷认嗤?/p>

需要說明的是，以上幾點區(qū)別和相同點是就電視節(jié)目制作環(huán)節(jié)而言。觀眾在實際觀看標清電視和高清電視時，還是會感覺到差異很大，這與很多因素有關(guān)，對此本文不做詳細討論。

表1 標清、高清技術(shù)指標對比（視頻采樣頻率4∶2∶2）

2 影響電視畫面清晰度的關(guān)鍵參數(shù)

下文分析電視畫面的清晰度與哪些因素有關(guān)。

2.1 像素點

清晰度受“像素點”的多少和大小影響。

人眼能否看清東西，與許多因素有關(guān)。一些廣場上的LED大屏幕，從遠處看，是連續(xù)的畫面，走近觀看，則是一個個的“點”。這說明，由許多“點”組成的畫面，與觀看距離有關(guān)：在一定的觀看距離外，人眼分辨不出兩點之間的距離時，畫面就變成連續(xù)畫面。另外，畫面還與“點”本身的大小有關(guān)，如果“點”越小，而且兩個“點”之間的距離越近，連續(xù)畫面的觀看距離就可以越近。對于同樣大小的畫面，“點”越小、越多就越清晰；同樣多的“點”，遠一些比近一些畫面清晰。

電視畫面就是由許多“點”組成的，只不過電視畫面上的“點”很小很小，以致在很近的距離看，畫面都是連續(xù)的。電視畫面的“點”通常稱為“像素點”。高清電視畫面的有效“像素點”有207萬個，標清電視畫面的有效“像素點”為41萬個，高清電視的“像素點”差不多是標清電視的5倍，因此，高清電視畫面的清晰度遠高于標清電視。

2.2 信噪比

信噪比也是影響圖像清晰度的一項重要指標。

2.2.1 信噪比的概念

所謂信噪比就是指有用信號功率S與噪聲功率N的比值，記作S/N。

圖像的清晰度與聲音的清晰度有相似之處。聲音是否能被聽得清楚，并不完全取決于音量的大小，還與環(huán)境的噪聲大小有關(guān)。學術(shù)上，把有用的聲音叫“信號”，無用的聲音叫“噪聲”。例如，一臺收音機，有用的聲音信號是500 mW，噪聲是5 mW，兩者相差100倍，這時聲音會很清楚；另一臺收音機，有用的聲音信號是1000 mW，噪聲是500 mW，兩者只相差2倍，雖然有用的聲音信號很大，但噪聲跟它很接近，因此就聽不清楚。

信號與噪聲的比值再取（以10為底的）對數(shù)稱為“貝爾”。由于“貝爾”這個單位較大，通常都用它的十分之一作單位，叫做分貝爾，簡稱“分貝”，標準單位符號為“dB”。信噪比用分貝表示有一個好處，如果用絕對比值表示，信噪比數(shù)值很大；用dB表示，數(shù)值會小很多。例如，如果信號是噪聲的100000（105）倍，用分貝表示為50 dB；信號是噪聲的500000（5×105）倍，用分貝表示為57 dB。也就是說，它把倍數(shù)很大的量變成了很小的量。

2.2.2 電視圖像的信噪比

電視圖像質(zhì)量的一個重要指標就是信噪比。與噪聲相似，電視圖像的無用信號叫“噪點”，如果信噪比是50 dB，圖像有少量噪點，但圖像清晰；如果信噪比是60 dB，則看不出噪點，圖像質(zhì)量優(yōu)良。

為了排除技術(shù)進步對標清、高清電視技術(shù)指標的影響，筆者將同一生產(chǎn)廠商在同年代生產(chǎn)的標清、高清、演播室用和便攜等各類攝像機的相關(guān)技術(shù)指標和參數(shù)進行匯總，見表2。

從表2可以看出，標清攝像機與高清攝像機最顯著的區(qū)別在于：

（1）“像素數(shù)”不同。其主要的主觀感覺是清晰度的不同。這是由標準規(guī)定的。

（2）“信噪比”不同。高清攝像機的信噪比明顯低于標清攝像機的信噪比。主要因為，高清攝像機“像素點”比標清電視小很多，在同等照度的情況下，每一個“像素點”產(chǎn)生的有用信號，高清攝像機比標清攝像機要小很多，而兩者產(chǎn)生的無用噪點卻基本一樣，從而造成兩者的信噪比差別較大。

2.3 景深

景深對畫面整體的清晰度也有影響。

2.3.1 景深的概念

圖1是幾何光學的成像原理示意圖。為了說明原理，本圖的局部比例比較夸張，并未按比例繪出。

表2 幾種攝像機的相關(guān)技術(shù)指標對比

圖1 幾何光學成像原理示意圖

圖2 光圈與景深的關(guān)系

圖3 標清攝像機與高清攝像機成像對比

圖1中，A、B、C為三個不同距離的景平面（幾何光學中通常稱為物平面）上的點，在鏡頭后面的三個焦平面（聚焦成像的平面）上成像為a、b、c點。當感光元件位于a點所在的焦平面上時，A點將準確聚焦在感光元件上，畫面將呈現(xiàn)一個清晰的“點”。而B點的焦點超前，如果在b點所處的焦平面上已經(jīng)準確聚焦，則在a點所在的焦平面上已經(jīng)擴散為一個圓。C點則是另外一種情況。C點的焦點滯后，如果在c點所在焦平面上才能準確聚焦，則在a點所在的焦平面還沒有完全聚焦只是一個還沒有完全聚攏的圓。這個已經(jīng)擴散的或還沒聚攏的圓稱為“彌散圓”。

任何感光元件的分辨率都不是無限的。當“彌散圓”的直徑小到一定程度，感光元件已經(jīng)分辨不出“彌散圓”和“點”的區(qū)別時，這個直徑就叫做“允許彌散圓直徑”。（一般135膠片的彌散圓直徑取1/30 mm=0.033 mm）

圖1中，當C點、B點在a點所在的焦平面上形成的“彌散圓”正好是“允許彌散圓”直徑。那么，C點所在景平面到B點所在景平面的距離就叫做“景深”。

2.3.2 影響景深的因素

鏡頭景深的大小受以下幾個因素的影響：

（1）鏡頭的光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。

（2）鏡頭的焦距：焦距越長，景深越小；焦距越短，景深越大。

（3）拍攝的距離：距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。

實際拍攝時，拍攝距離及鏡頭焦距都是由場景及景別決定的，光圈則根據(jù)照度和景深的需要而定。在正常曝光的情況下，攝像機的進光量是固定值，演區(qū)照度高了，攝像機的光圈就要縮小。光圈小了，景深就會加大。光圈與景深的關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，縮小光圈可以明顯加大景深。當然，景深沒有“突變”的界限，而是逐漸變化的。

除了鏡頭對景深的影響以外，攝像機的分辨率和靈敏度也影響景深的大小。為了簡化問題，在此只討論高、標清的區(qū)別。假設(shè)選定相同的鏡頭、同樣靈敏度的攝像機，拍攝相同的場景。這樣，就只有高、標清攝像機的感光器件的分辨率不同了。如果，用圖1表示標清攝像機的成像的景深狀態(tài)，那么，高清攝像機就會出現(xiàn)如圖3的情況。

據(jù)前文所述，高清電視的“像素點”幾乎是標清電視的5倍，因此，在感光元件面積基本一樣的情況下，高清攝像機每個“像素點”的面積約為標清的1/5。可以認為，感光元件單個“像素點”的面積是攝像機“允許彌散圓直徑”的重要依據(jù)。高清攝像機較小的“像素點”對應(yīng)了較小“允許彌散圓”的直徑，從而使得高清攝像機在外部條件相同的情況下，只能獲得較小的景深。

3 測試實例分析

3.1 測試條件

中央電視臺曾經(jīng)在基本條件相同的情況下，對高、標清攝像機進行了一次較客觀的對比測試。測試現(xiàn)場如圖4所示。基本測試條件如下：

圖4 測試現(xiàn)場

圖5 標清攝像機畫面

圖6 高清攝像機畫面

圖7 標清畫面局部截圖

圖8 高清畫面局部截圖

測試環(huán)境：在中央電視臺的800 m2演播室

測試用攝像機、鏡頭及測試儀器、儀表：

（1）高清攝像機1臺，型號：松下AK-HC930MC

（2）標清攝像機1臺，型號：池上HK-388PW

（3）使用鏡頭2只，型號：佳能HJ17e*7.7BIRSE

（4）高清標清監(jiān)視器BVM-D24，2臺；監(jiān)視設(shè)備使用波形矢量監(jiān)視器LV-5750（具有波形抓幀及存儲功能），1臺；照度表、色溫表、測距儀。

圖5為標清攝像機所拍畫面的抓幀，圖6為高清攝像機所拍畫面的抓幀。兩臺攝像機在相同場景、相同鏡頭，幾乎相同照度、相同光圈、相同位置的情況下進行拍攝。

從圖5、圖6來分析“景深”，兩個畫面的前景人物的面部、頭飾、衣著清晰，而后部人物有明顯差別：標清畫面中，后部人物依然清晰，而高清畫面就有明顯的虛化。對比人物背后的竹林畫面，兩者差別更加明顯。

圖7是圖5的標清畫面的局部截圖，圖8是圖6高清畫面的局部截圖。從兩圖來分析“信噪比”：圖7畫面的亮區(qū)和暗區(qū)基本一致，畫面正常，未見暗部有明顯噪點出現(xiàn)；圖8亮區(qū)畫面正常，但照度較低的背景部分則能夠看出明顯的噪點。這是由于高清攝像機的信噪比明顯低于標清攝像機的信噪比所致。

3.2 測試結(jié)論

通過對有關(guān)指標和設(shè)備參數(shù)的分析和實際圖像效果的對比，可以得出一些結(jié)論：

（1）由于單個像素面積差別較大，所允許的彌散圓的直徑相差就較大。在外界條件相同的情況下，高清攝像機的景深小于標清攝像機。要想獲得同樣的景深，高清攝像機就要縮小光圈。要得到正常的電平幅度，就必須增加照度。在獲得相同景深和相同信號電平幅度的前提下，高清對照度的要求高于標清。

（2）高清攝像機的信噪比小于標清攝像機。除非節(jié)目內(nèi)容的特殊需要，錄制高清節(jié)目時，應(yīng)盡量避免太低照度區(qū)域的出現(xiàn)，或減小畫面中低照度區(qū)在畫面中的比例。這又提高了對照度和供電量的要求。

（3）標清、高清的區(qū)別在于畫面的比例。在畫面高度與標清一致的情況下，高清的畫幅寬度為16∶9，比標清大很多。這對舞美設(shè)計、裝置擺放、布光面積、焦點調(diào)整、景深控制等方面都提出了更高的要求。

（4）高清清晰度的提高對化妝、制景等也提出了新的要求，要給予有別于標清的特殊處理。

總之，高清電視的普及推廣為電視觀眾帶來了更好的享受，同時也為電視節(jié)目制作人員提出了許多新問題。只有深入了解、認真思考和正確應(yīng)對這些問題，努力提高電視制作水平和節(jié)目質(zhì)量，才能為觀眾奉獻更多更好的電視節(jié)目。