波形監測儀基礎及應用

付 軍

（作者單位：貴州廣播電視臺）

在視頻領域無論是高清還是超高清，視頻技術的終極目標是不斷向人眼所看及所得目標邁進，超高清在分辨率和色域都有明顯提高，HDR高動態范圍足以證明色彩的重要性，了解色彩原理，配合儀器能更好調校色彩還原度，確保視頻系統不同信道間色彩基本保持一致。

1 彩色和色域

首先，來了解彩色。視頻是由三個彩色分量即紅綠藍（RGB）組成，這三個彩色分量各種組合構成我們看到的彩色，用色調、飽和度和亮度來描述彩色性質。將兩個圓錐體拼合后組成的彩色空間，就是人們在三維空間所看到的圖形，拼合后圓錐體頂點是白色，底端是黑色。沿由圓心向四周發出的射線上各點，它距圓心距離代表信號跡線在該點的色飽和度。越靠近圓周外邊緣，距圓心越遠，表示色度信號越強，即飽和度越高，顏色也更鮮艷。而該點所在射線圍繞圓心旋轉的角度，表示信號跡線在該點的色調。波形監測儀通常顯示信號（跡線點）與時間軸間坐標關系，而矢量儀是彩色（跡線點）XY坐標（色調）作角度分量在極坐標中顯示，且以距圓心（黑色）距離來代表信號幅度。

所謂色域，即是彩色一個范圍。在廣播電視中色域是由RGB（紅、綠和藍）信號值定義彩色重現的范圍。通過儀器色域顯示監測，如信號在某一指定視頻格式中沒超出信號電壓容限值，這樣的信號為合法廣播視頻信號。如在RGB信號通道中有任一通道超過上容限值或低于下容限值，那么該信號就超出色域范圍，超出色域容限違規使該信號“非法”。

2 色域監測

使用矢量儀有助于分析信號色調和色度電平，使彩色信號合法，且有助于消除不需要的色偏。在消除色偏時，攝像機靈敏度不一致或白平衡調整不當造成彩色不平衡，可用波形監測儀在監視圖像時進行校正，即通過調整使所有三個通道（紅、綠和藍）信號強度相等，以顯示出正確的自然色，即純黑、純白和純灰色。

“菱形”顯示圖1，是將節目視頻信號轉換為RGB分量色域信號顯示。

圖1 菱形顯示

它不僅可監測RGB分量信號是否超標（-35～735mv），RGB信號電壓數值如超出所規定電壓范圍即為色域越限，結果有可能導致信號限幅、串擾或其他形式失真。色域監測是監測數字節目分量信號不要超出規定電壓范圍而成為合法有效信號，來確保數字節目圖像質量。菱形顯示可有效監測色域內所有信號矢量都位于G-B和G-R合法菱形內。相反，如信號矢量超出菱形外，就是超限幅。

“分離菱形”顯示圖2：（在左下方菜單中選擇）是將菱形顯示圖上下兩部分分開一定距離顯示，這是為如有信號負向超標時，能更直觀判斷是RGB哪個分量信號負向超標，黑電平正確檢測。

在菱形顯示圖1中，由中心到顯示跡線外輪廓頂點垂直軸，表示是被測信號亮度分量，菱形顯示水平軸，指示當前信號中色度量，可使分離菱形顯示進行黑電平調整，這樣便于監測信號中是否有某些部分處于黑電平以下，有助于觀察黑電平的顯示情況。在菱形顯示跡線最高點處，即在信號跡線色域容限邊緣處出現了限幅或幅度過低，都可檢測到圖像太亮或亮度不夠，需對亮度電平進行控制。另外，在黑電平處如出現限幅或幅度過高，表示在中心黑電平較亮或過暗，造成畫面發灰或對比度加重，也要對黑電平進行合理控制。

圖2 分離菱形顯示

在狀態顯示功能中不僅可記錄超標信號類別，例如，R-r-G-g-B-b等，其中，大寫的R-G-B是分量信號正向超標，小寫的r-g-b是分量信號負向超標，還能詳細記錄超標信號產生的確切開始時間和結束時間，便于事后查看或處理。圖2正向超標主要是R G B色彩過亮和亮度密切相關。Rgb負向超標主要是色彩暗部或偏色引起，可通過報警提示做相應調整。同時，打開“超標信號突顯”功能后，Display Settings （顯示設定）→Picture Brightup On RGB Gamut Error （出現RGB色域錯誤時圖像突出顯示）選項中設置為On，圖像中超標部分YRGB信號像素顯示為馬賽克，這樣可辯別出畫面中哪些部位圖像信號超標，通過調整參數使指標合法有效。

RGB也可通過WFM波形顯示來進行監測，主要是監看RGB信號是否平衡，來調節RGB信號指標是否合法有效。黑電平和亮度電平監測，可通過波形選擇單獨監測黑電平和亮度電平更直觀。主要作視頻尋道實時監測畫面最有效，讓畫面始終保持在合理區間。亮度信號（Y）最大值103%（721mv）及最小值-1.0%（-7mv），黑底電平信號幅度0～50mv。箭頭顯示則是監測SDI信號轉換為模擬復合信號時，復合全電視信號是否超過規定模擬復合信號電平≤800 mv。音頻監測方式圖3，主要通過選擇電平表顯示或聲道間相位顯示，可單選某一項或雙選兩種模式。語言電平最大值（-12dBFS）及節目電平最大值（-6dBFS），（通常在-9 dBFS以下）,基準電平-20 dbfs。語言電平超過黃色菱形標尺后信號顯示為黃色光標，即音量超標。節目電平超過紅色菱形標尺后信號顯示為紅色光標，即音量超標。檢查信號相位關聯，注意以下情況：相位關聯表位于相應條形下方，在相位顯示下方還重復顯示一個相位關聯表。對相關信號指示器將顯示為綠色并移到右側。對不相關信號指示器將顯示為黃色并停留在中間位置。對反相關信號（一個信號向上而另一個向下），指示器將顯示為紅色并移到左側。當信號電平超出指定過載電平時（用戶可以設置），條形圖上方出現紅色“OVER”字樣，提醒使用者注意“Over”（過載），電平一般設置在-3dBFS左右。當信號被限幅時，條形圖上方出現“CLIP”（限幅），提醒使用者注意。一旦出現限幅指示，電平指示將到柱狀表頂端。如記錄電平超過滿刻度電平時，輸出信號就立刻被削波切掉，造成不可修復失真。

3 波形監測儀應用和誤區

節目前期準備可在相同光照條件下進行，使用同一種精密測試圖卡調整一臺攝像機矩陣設置。設置曝光電平、設置白平衡，然后用矢量儀對彩色進行校正。利用波形監測儀，憑借其CaptureVu TM特性，提供高級捕獲功能。將已校準攝像機與準備校準攝像機由CaptureVu捕獲數據跡線同時顯示以進行匹配調整。捕獲信號跡線（如波形顯示和鉆石顯示等）或呈現為圖像顯示，其他攝像機按此方法進行一致性調整，直至它們間實現準確匹配。

白場中底色失真對圖像質量有重大影響，白底色失真（調整）是對亮度或彩色中的錯誤進行電子補償過程，底色失真主要是由攝像機光學系統或時常更換鏡頭引起。當用一張帶有蘭色頻譜色調白紙或不均勻照度來調整攝像機白平衡時也會出現問題。白場圖像如偏離矢量顯示器中心則表示彩色不正確，色調類型決定于偏離角度。借助（如DSC Ambi照明設備的漫射板）波形監測儀按下并保持WFM按鈕以顯示菜單，配置波形顯示為RGB并列模式，確保所有通道均被選中，分別對RGB進行調校。在攝像機菜單上調整H和V Saw以使跡線盡可能平坦。然后，在攝像機菜單上調整H和V Par以使跡線盡可能地平坦，如圖4所示。

在鉆石顯示中，白底信號失真是在RGB色域中進行的，在灰度測試圖卡或照度均勻的白場中會在上、下鉆石顯示圖形中呈現為一條垂直線條，上下部份鉆石顯示中跡線略有偏離，表示藍綠通道和綠紅通道平衡狀況。偏向表示白底中帶有偏向方色調。攝像機中每一RGB通道中saw和par特性均需理想照明即照亮表面，任何不均勻照度均會引起幾何失真。同時，打開“超標信號突顯”功能后，Display Settings （顯示設定）→Picture Brightup On RGB Gamut Error （出現RGB色域錯誤時圖像突出顯示）選項中設置為On，圖像中超標部分YRGB信號像素顯示為馬賽克，可辯別出畫面中哪些部位圖像信號超標，通過調整參數使指標合法有效。

通過觀測分離菱形合法空間，光跡面積越大說明圖像顏色越豐富、色彩飽和度越好。綠色光跡面積越小，說明圖像顏色越不豐富、色彩飽和度、亮度低、色彩單調。綠色光跡越明亮地方說明圖像分量信號越集中（越多），圖像亮度層次和色彩飽和度越好。反之，圖像亮度層次和色彩飽和度越差。綠色光跡向外伸展越長、在標準線內伸展越遠，說明圖像某些分量信號幅度越大，反之，說明圖像某些分量信號幅度越小。

圖3 音頻電平表和相位顯示

圖4 白底失真RGB調整前后對比

波形監測儀在實際使用過程中會存在許多矛盾的地方，比如，實際運用中監測指標和畫面間的矛盾，最為明顯的實例是，在整個畫面亮度并沒有超限，可畫面中某個白點或高光部分造成超標，如為不超限而降低亮度到合法位置，整個畫面將變暗，碰到類似情況，我們是參考指標還是尊重人的客觀感受，從觀眾角度出發偏向保留大部分畫面而犧牲占比較小瑕疵。但如參加評比碰到類似問題，要么降低亮度到合法位置，要么直接剪掉，問題是降低亮度到合法位置主觀評分會很低，剪掉又影響節目完整性，左右為難。造成這些問題有多方面原因，牽涉到各工種，特別是舞美燈光，一臺節目晚會，各工種各自為戰，互不協調，節目質量可想而知，畫面質量很難讓人滿意，主觀評價和技術指標都不可能完全做到位。

一臺晚會或節目需所有參與工種在策劃前期提出各自的方案，討論存在的問題，達成共識，確保節目順利完滿。其中，視頻，燈光、舞美，音響、化妝造型、主持人服飾顏色搭配都對晚會成功與否以及視頻錄制畫面質量好壞起到關重要的作用。對視頻指標影響較大的黃色、綠色、白色須合理搭配，燈光色溫合理、照度均勻不至于影響整體效果。不能只顧節目現場效果而忽視對視頻制作質量的影響。在實踐中，我們的做法是調光師親自參與白平衡、RGB、色域調校，通過切換臺劃像，兩兩進行比較，主觀判斷加色域比較，使各通道減少色差，保持色彩平衡，畫面顏色基本保持一致。這樣既能保證節目效果，又能兼顧錄制質量，也為后期制作參評提供方便，減少工作量。

波形監測儀和矢量監測，都是用來監測節目信號指標是否合法有效的工具，在實際運用中要結合節目特點和要求，靈活運用，不能為指標論，也不能只看節目效果而忽視指標。隨著節目形式多元化，燈光、視音頻技術迅猛發展，必將顛覆我們的審美習慣，監測指標方式也將隨之改變，我們應密切關注監測技術發展動向，把握趨勢脈搏，牢牢抓住技術創新這一主線，將監測手段融入到節目制作的各個環節，更好把控節目質量關。