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1、像素组成图像

图像是由连续快速出现的静止图片组成的,当我们讲图像的分辨率的时候是指组成图像的像素。想一想绘图用的文格纸,当你在每格中填充相应的颜色,你就得到一幅图片。像素点组成行,行组成一幅图片,很多幅图片连续起来就组成活动的图像。

2、垂直清晰度

由于“垂直清晰度”这个名词更容易理解,我们就从简单的入手。“垂直清晰度”就是一幅图像从上到下由多少像素组成。由于每一根水平扫描线形成一个垂直方向的像素,因此我们也可以讲,“垂直清晰度”就是一幅图像由多少条“水平扫描线组成”(见图2)。一幅图像有多少条水平扫描线是由信号格式决定的,因此只要信号格式确定了,垂直清晰度就确定了。对于PAL制来说,不管你看的是电视节目、录像机、VCD、LD还是DVD,你最后看到的垂直分辨率都是625。进一步讲,我们看到的一幅画面并不是由所有的625行组成。实际上,在场消隐期间,还有49行用于传输其它信息,比如闭合字幕、图文、测试信号等,同时当电子束从最底部回到最上部来开始扫描下一幅图像还需要一些时间。去掉这些我们“看不到”的行数,我们看到的一幅画面实际上最多由576行组成。这也是PAL制的最高垂直分辨率。更进一步,由于显像的原因和人的视觉特性,这576行只是理论上的分辨率而已。实际你“看到”的图像的垂直分辨率还必须乘以一个小于1的修正系数,这个系数称为Kell系数。对于隔行扫描,Kell系数0.7,因此对于PAL制来说,最后显示出来的图像的垂直清晰度是400线左右。实际观看测试图的时候,由于不考虑Kell系数,观察得到的垂直清晰度通常可以达到450线左右。图3就是标准的清晰度测试图,,既可以测试垂直清晰度也可以测试水平清晰度。(见图2、3)

3、水平分辨率

正如我们前面讲到的,垂直清晰度完全由信号格式决定,这非常易懂。而水平清晰度却是最容易令人混淆的概念,其中最大的问题就是因为水平清晰度有多种表达方式。我也认识一些IT业人士,他们对电脑分辨率了如指掌,却不知道在家庭影院里应该如何使用“分辨率”这个名词。这就是由于多种表达方式可以由很多种数据来表达,在不同的场合,相同的数据可能就表示完全不同的性能。

计算机领域在计算机行业中经常使用组成图像的像素的多少来表示分辨率,即水平像素数×垂直像素数。如:VGA:640×480;SVGA:800×600;XGA:1024×768。

但在视频领域,我们更习惯使用“每图像高度”的像素多少来表示水平清晰度,并称之为“电视线”。这种习惯的由来要追溯到电视机诞生的60年前。当时,由于信号的格式已经决定了图像的垂直清晰度,因此专家们的想法是用和垂直清晰相关的方式来表示水平清晰度。也就是说,到底是水平方向更清晰还是垂直方向更清晰,通过这个相对的清晰度表示就可以一目了然。图4为水平清晰度和垂直清晰度的比较关系。由于这个原因,水平清晰度(电视线)被定义为:在和屏幕高度相等的水平方向上可以显示的像素数(见图5)。在这种定义下得到的清晰度就叫做“电视线”。所以,当仍然听到别人讲视频信号有多少清晰度的时候,它并不是指从图像最左边到最右边有多少像素组成,而是指在和图像高度相同的水平宽度上有多少像素。(见图4、5)

请看一下你的电视机或电脑显示器,你会发现它们并不是四四方方的,其显示比例是4:3的。也就是说,要得到垂直清晰度相同的水平清晰度,水平方向的像素要达到垂直清晰度的4/3倍。对于DVD来讲,NTSC制是720×480像素,PAL制是720×576像素。NTSC和PAL制的水平清晰度都是720×3/4=540线。在NTSC制的DVD上,水平清晰度高于垂直清晰度(540线>480线);在PAL制的DVD上,水平清晰度略低于垂直清晰度(540线>576线)。

4、清晰度的决定因素

图像清晰度=信号源的图像质量×处理电路的处理水平×显示方式的显像质量。这三个因素都同等重要地决定最终的图像质量,一个都不能少(如图6)。任何一个环节差都将导致最后图像的水平清晰度下降(如图7)。即使有的产品提高了处理电路性能或显像性能,但是如果没有相应的信号源配合,也不能显著提高图像质量(如图8、9)。

5、带宽和像素的关系

如果是模拟信号,要在数字显示设备上显示出来,我们首先要进行模拟→数字的转换;而如果是数字信号,要在模拟显示设备上显示出来,我们首先要进行数字→模拟的转换。

在模拟信号领域里,我们用带宽来表示信号的质量。在数字信号领域里,我们用组成图像的像素数来表示图像的质量。PAL制信号的视频带宽是6MHz。经过标准的数字采样后,得到720×576的图像,这两种说法都表示同样质量的图像。就像我们形容一盘美食,汉语讲“好吃”,英语讲“delicious”,意思都是一样。

6、从像素计算水平清晰度

VGA(640×480,4:3屏幕):480电视线;SVGA(800×600,4:3屏幕):600电视线;XGA(1024×768,4:3屏幕):768电视线;720P(1280×720,16:9屏幕):720电视线;1080I(1920×1080,16:9屏幕):1080电视线。


7、从带宽计算水平清晰度

清晰度H=2×T÷A×F。其中T为水平扫描正程时间,对某一电视图像格式,它是固定的;A为显像管的宽高比(4:3或16:9),F为电视机的信延带宽,T和A为常数。

以PAL制来讲,这度信号的最大带宽为6MHz,行频为15625Hz/s。如果图像信号是最高频率6MHz单频,那么每行能显示6000000/15625=384周。如果正半周为白,负半周为黑,每个行周期能显示768条黑白线。每一个行周期又分为正程和逆程,只有正程对分解力有贡献。PAL制的水平逆程为18%,所以每行正程最多能显示的黑白线总数不会超过768×0.82=629.76。也就是说,PAL制的水平分解力的极限是630条黑白线,换算成电视线的说法就是470电视线左右。当然不必每次都这么复杂地计算,可以用一个经验算法来计算:1MHz带宽=81电视线。这样不难求出——VHS录像机:3MHz带宽,240线左右;NTSC制电视:4MHz带宽,320线左右;PAL制电视:6MHz带宽,480线左右;DVD:6.75MHz,540线左右。

8、流行数据和名词解释

1250线、31250线、30MHz带宽、200万像素、超精细显像管,这些就是推销员“推销”给你的流行数据和名词,如果在没有看本文之前,你可能一头雾水。现在有了前面的知识做铺垫,我们就可以来揭开这些数据名词和面纱。同样是“线”这个字,可能是讲“水平扫描线”(垂直清晰度),也可能是讲水平方向整个屏幕上一共有多少线,还可以是讲在屏幕高度的水平宽度上有多少线(电视线)。

1250线这是倍频扫描电视机的专用名词。由于倍频扫描讲场扫描的频率提高了一倍,原来每帧扫描的625行,现在就成了1250行,因此称作1250线,这里的“线”是指水平扫描线。

31250线这是一个唬人的数据,指的是在一秒钟内,倍频电视机一共扫描了31250线,这和每一帧扫描1250线是同一个意思(31250/秒=1250线/帧×25帧/秒)。这个说法如果再进一步的话,就是200万线,当然这里的200万线指的是每分钟扫描的线数(31250线/秒×60秒/分钟)。这里的“线”也指水平扫描线。

30MHz带宽按照前面我们介绍过的方法,可以计算得到30MHz带宽就是1920×1080。需要注意的是,对于PAL制的信号源,带宽只有6MHz,这时用30 MHz的处理带宽显像是一种浪费,且工不能提高图像质量。因为即使有了30 MHz带宽,还必须要有30 MHz的信号源(高清电视),和能够显示1920×1080的显像管,没有这两者的支持,30MHz只是一个唬人的数据而已。

200万像素某些品牌的电视机号称200万像素处理,声称可以如何如何提高图像清晰度。这“200万像素”从何而来呢?这些电视机的数字处理电路部分采用了1920×1080的HDTV处理方式,因此每幅画面就有“200万像素”了。

但是,请再看看上面的图8,如果电视机的信号源是720×576(41.5万像素),即使处理性能再好,最后的图像仍然是720×576(41.5万像素)。在“200万像素”处理中,每5个像素实际上是完全相同的一个像素。而且别忘了,我们前面计到的图像清晰度的三要素中的显示方式这一条,虽然进行了200万像素的处理,可是最终的显像管还是普通的显像管,还是只能显示720×576(41.5万像素),所以即使是2亿像素处理,也丝毫不能提高图像质量。图10为200万像素处理:在左边的图中,每一个黑点由4个小黑点组成,灰点也由四个小灰点组成,这个图像的实际观看效果和右边的完全一样。实际上,显像管中的每一个点由红、绿、蓝三个小点组成,而每个小点又由数不清的荧光粉组成,这些数不清的荧光粉点显示的是“同一个像素”,但是我们显然不能称分辨率是由“这些数不清的荧光粉点”组成的。

所以,30MHz带宽和200万像素处理是同一个意思。只不过30MHz沿用了传统模拟信号处理的称呼,而200万像素是“数字新贵”的流行用语。这两个名词实际上表达的是同样的一个性能指标。
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