高清影像技術特點

2009年6月

什么是高清晰度電視

高清晰度電視是電視技術的最新發(fā)展，在此之前電視技術完成了從黑白到彩色、從模擬到數(shù)字的轉變。要想大幅度提高圖像質(zhì)量就必須改變電視基礎參數(shù)標準，增加有效信息量

什么是高清晰度電視

在國際無線電咨詢委員會CCIR報告中這樣定義：高清晰度電視應使得一個正常視力的觀眾在距離顯示圖像高度約三倍距離處看到的圖像質(zhì)量達到和觀看原始景物相同的感受。高清電視在圖像清晰度、屏幕尺寸、寬高比、聲音方面都有所改進

什么是高清晰度電視

提高亮度分解力，即增強圖像細節(jié)的清晰程度，HDTV在水平、垂直方向的空間分辨率是標準清晰度電視的2倍，即每幀行數(shù)不少于1000行。提高圖像寬高比，16：9更符合人眼的視覺特性，視野寬，臨場感強，宜使用大屏幕（對角線大于0.8米以上）顯示圖像

什么是高清晰度電視

擴展色域，使得電視彩色更加豐富，感染力更強。配置高質(zhì)量的環(huán)繞立體聲，至少有4路數(shù)字伴音通道，伴音帶寬達20KHz。簡言之，高清電視畫面圖像分辨率高，其清晰度高于現(xiàn)行標清電視畫面的2倍，圖像采用16：9構圖，色域擴展，環(huán)繞聲伴音。其畫質(zhì)精細，色彩還原優(yōu)于標清電視，能夠更豐富地表現(xiàn)畫面細節(jié)。高清影像技術特點---像素

在電視時代人們用分辨率來表達影像清晰的程度模擬時代攝像管和顯像管都是通過掃描線的掃描產(chǎn)生和再現(xiàn)圖像，所以用“線”或“電視線”表示清晰度。在計算機圖像顯示技術中，采用像素來表示清晰度。高清影像技術特點---像素

像素是組成圖像的最小單位，當顯示像素為方形像素，畫幅比正好與水平垂直有效像素比數(shù)值相同，其好處是在圖像制作生成處理的過程中無幾何失真。目前數(shù)字影像（包括數(shù)碼相機等）和計算機圖形處理的成像和顯示器件都遵循ITU提出的方形像素通用圖像格式。高清影像技術特點---像素

彩色圖像需要RGB或Y/B-Y/R-Y三個獨立的分量構成，因此每個像素實際上都是由3個單色像素組成的。高清影像技術特點---像素

目前數(shù)字電影和數(shù)字電視的攝像和顯像都采 用了有限像素的器件如CCD、CMOS、LCD、 PDP、DLP、LED等，因此不論是數(shù)字影像還是 電影、電視都可以用像素表達清晰度標清數(shù)字電視的清晰度可以表示為720x 576，每幀畫面的像素數(shù)量分別為41萬。高清數(shù)字電視的清晰度可以表示為1920x 1080或1280x720（現(xiàn)在較少），每幀畫面的 像素數(shù)量分別為207萬和92萬

高清影像技術特點---像素

高清影像技術特點---逐行掃描和隔行掃描電視采用掃描的方法把靜止畫面分解成若干行的掃描線，構成一幅完整畫面的全部掃描線叫電視幀。最簡單的掃描方式是逐行掃描，每幀圖像由電子束順序地一行接著一行連續(xù)掃描而成，下一幀掃描線的位置與上一幀完全相同

隔行掃描是把一幀電視畫面分兩次交錯掃描，下一場掃描線的位置與上一場相差一行，在空間上兩個相鄰電視場的掃描線位置相隔一行。

高清影像技術特點---逐行掃描和隔行掃描逐行掃描的優(yōu)點：有利于圖形和圖像的計算機處理，沒有隔行掃描所特有的場間閃爍感，長時間觀看眼睛不易疲勞，

缺點：與相同垂直掃描頻率的隔行掃描方式相比數(shù)據(jù)量增大一倍。 目前數(shù)字電影的拍攝和放映、計算機顯示以及部分數(shù)字電視的制作和播出采用逐行掃描。高清影像技術特點---逐行掃描和隔行掃描

隔行掃描的優(yōu)點：與相同垂直掃描頻率的逐行掃描方式相比數(shù)據(jù)量只有逐行的一半，

缺點：場間閃爍感覺明顯，不利于圖形和圖像的計算機處理，長時間觀看眼睛容易疲勞

模擬電視采用2:1隔行掃描，是為了在有限的帶寬資源條件下提高圖像刷新率，增強畫面動作的平滑度

高清影像技術特點---逐行掃描和隔行掃描高清電視采用逐行掃描拍攝和制作的原因之一 是拍攝和顯示器件的逐行化

PDP、LCD、DLP的圖像顯示原理與顯像管完全不同， 他們是有限像素的面陣列顯示器件，這種采用XY尋址的 顯示方式不需要逐一驅動每個像素單元，既適用于隔行 也適用于逐行顯示PDP、LCD、DLP等器件的電視顯示的都是逐行掃描圖 像，即使輸入的是隔行掃描信號也會在顯示驅動電路中 轉換成逐行掃描如果在拍攝、制作和顯示等環(huán)節(jié)都采用逐行掃描方式， 就可以避免信號的隔行逐行轉換帶來的圖像質(zhì)量損失

高清影像技術特點---掃描格式

數(shù)字電視格式的表達方法: 在美國電影電視工程師協(xié)會SMPTE文件中 1920x1080/50/I表示每行取樣點數(shù)量1920， 每幀有效掃描行數(shù)1080，50場隔行掃描。 1280x720/50/P表示每行取樣點數(shù)量1280， 每幀有效掃描行數(shù)720，50幀逐行掃描。最后 的字母I表示隔行（Interlace）掃描，P表示逐 行（Progressive）掃描

高清影像技術特點---掃描格式

數(shù)字電視格式的表達方法在歐洲廣播聯(lián)盟EBU文件中1920x1080/I/25（簡化表示為1080/I/25）表示每行取樣點數(shù)量1920，每幀有效掃描行數(shù)1080，25幀（50場）隔行掃描。1280x720/P/50表示每行取樣點數(shù)量1280，每幀有效掃描行數(shù)720，50幀逐行掃描。中間的字母I表示隔行（Interlace）掃描，P表示逐行（Progressive）掃描。

高清影像技術特點---掃描格式

數(shù)字電視格式的表達方法把SMPTE表示法簡化使用例如1920x1080/60/I表示為1080/60i1280x720/60/P表示為720/60P 采用簡化表示法美國的NTSC可表示為480/60i歐洲和中國的PAL可表示為576/50i 這是目前使用最多的表示法高清影像技術特點---掃描格式

幾種常見的電視掃描格式

480i格式，和NTSC模擬電視清晰度相同，525條垂直掃描線，483條可見垂直掃描線，4：3或16：9，隔行/60Hz576i，是標準的PAL電視顯示模式，625條垂直掃描線，576條可見垂直掃描線，4：3或16：9，隔行/50Hz高清影像技術特點---掃描格式

幾種常見的電視掃描格式

1080i格式，是標準數(shù)字電視顯示模式，1125條垂直掃描線，1080條可見垂直掃描線，16：9，分辨率為1920×1080，隔行/50Hz、隔行/60Hz1080p格式，是標準數(shù)字電視顯示模式，1125條垂直掃描線，1080條可見垂直掃描線，16：9，分辨率為1920×1080，逐行/24、25、30Hz，逐行/50、60Hz，專業(yè)格式。高清影像技術特點---掃描格式

幾種常見的電視掃描格式

720p格式，是標準數(shù)字電視顯示模式，750條垂直掃描線，720條可見垂直掃描線，16：9，分辨率為1280×720，逐行/60Hz其中1080p被稱為目前數(shù)字電視的頂級顯示格式，這種格式的電視在逐行掃描下能夠達到1920×1080的分辨率。目前世界上只有60英寸以上的顯示屏才能夠顯示出1920×1080的信號

高清影像技術特點---掃描格式

格式的應用：1080/50i 電視節(jié)目1080/25p 數(shù)字電影、電視劇1080/24p 電影膠片1080/60i 場頻率為60的國家720/576i 標清電視PAL720/480i 標清電視NTSC高清影像技術特點---碼率碼率是在單位時間內(nèi)系統(tǒng)所能達到的最大數(shù)據(jù)量。傳輸數(shù)字電視信號時信道設備（如矩陣、光端機等）的帶寬必須大于通過該通道的碼率

有效碼率（視頻有效碼率）是在單位時間內(nèi)與視頻信號有關的數(shù)據(jù)量。因為在電視信號的水平和垂直消隱期間內(nèi)沒有視頻信息，所以有效碼率一般只是碼率的60-80%。使用磁帶、硬盤或光盤存儲數(shù)字視頻信號時可以只記錄有效碼率代表的視頻信息。高清影像技術特點---碼率標準清晰度數(shù)字電視信號的有效碼率在國際電信聯(lián)盟ITU-R601數(shù)字電視標準中，采用8比特量化時576/50i（PAL）亮度信號的有效碼率為 每行的取樣點數(shù)x有效掃描行數(shù)x量化比特數(shù)x幀頻

=720x576x8x25=82.944Mbps2個色差信號的有效碼率為

2x360x576x8x25=82.944Mbps總的有效碼率為 亮度信號有效碼率+色差信號有效碼率

=82.944+82.944=165.888Mbps（576/50i）高清影像技術特點---碼率480/60i（NTSC）總的有效碼率與為576/50i（PAL）相同。由于576/50i的有效掃描行數(shù)多場頻低而480/60i的有效掃描行數(shù)少場頻高，實際上兩種信號的有效碼率是相同的。高清影像技術特點---碼率高清晰度數(shù)字電視信號的有效碼率在美國電影電視工程師協(xié)會SMPTE274M數(shù)字電視標準中，采用8比特量化時1080/60i信號格式亮度信號的有效碼率為1920x1080x8x25=414.72Mbps2個色差信號的有效碼率為

2x960x1080x8x25=414.72Mbps總的有效碼率為2x414.72=829.44Mbps（1080/50i）高清影像技術特點---碼率1080/60i信號格式的有效碼率為

1920x1080x8x30x2=995.328Mbps（1080/60i）高清影像技術特點---碼率 數(shù)據(jù)量大，制作、傳輸、存儲占用較大的資源高清829.4Mbit/S=103MB/S標清165.8Mbit/S=21MB/S1080/50i的有效碼率是576/50i(PAL)的5倍 影響設備對數(shù)據(jù)處理速度高清信號傳輸帶寬硬盤占用容量：每小時無壓縮422處理的節(jié)目需要占用370GB硬盤所以，需要經(jīng)過壓縮處理，才能記錄、制作高清節(jié)目高清影像技術特點---數(shù)字化

包括電視信號在內(nèi)的各種信息的原始形態(tài)都是模擬的，電視信號的數(shù)字化就是把在時間軸和電平軸上連續(xù)變化的模擬電視信號在時間軸和電平軸上離散化，即用有限的取樣點和有限的電平階去表現(xiàn)在時間和電平上無限變化的模擬信號

高清影像技術特點---數(shù)字化

取樣就是把電視信號在時間軸上離散化，用有限像素表現(xiàn)無限清晰的景物。就是用有限數(shù)量的靜止畫面表達在空間上連續(xù)運動的景物。量化就是把電視信號在電平（幅度）軸上離散化，用有限的灰度階表現(xiàn)無限的灰度。8比特（256灰度階）是再現(xiàn)圖像連續(xù)灰度的最低要求，高質(zhì)量記錄和制作需要10比特（1024灰度階）。低于8比特時人眼就會分辨出灰度層級中的灰度差，呈現(xiàn)版畫感。

高清影像技術特點---數(shù)字化

在數(shù)字電視技術中經(jīng)常用4:2:2、4:2:0等方式表達數(shù)字分量電視信號的取樣結構，這種表示法的原始含義是亮度與色度信號的取樣頻率之比。還用于表示亮度與色度的清晰度就是取樣點數(shù)量的比例。

高清影像技術特點---數(shù)字化

為了降低數(shù)字電視信號源的碼率，電視制作時很少采用4:4:4的RGB全帶寬取樣結構，實際使用的大多是Y/B-Y/R-Y取樣，并對B-Y/R-Y色度信號采用了亞取樣處理，使其取樣點數(shù)量少于亮度信號。4:2:2取樣結構，表示色度信號在水平方向上的取樣點數(shù)量是亮度信號的1/2。

高清影像技術特點---數(shù)字化

把4:4:4經(jīng)預濾波、亞取樣轉變成4:2:2、4:1:1、3:1:1、4:2:0或3:1.5:0的目的是用不壓縮的方法通過降低彩色分辨率的方式降低數(shù)字電視信號的碼率

高清攝像機基本參數(shù)表主流廣播級高清錄像機技術規(guī)格機型格式DVCPROHDHDCAMD5HDHDCAMSRHDCAMSR（4：4：4）視頻取樣頻率R:74.25MHzY74.25MHz74.25MHz74.25MHz74.25MHzG:74.25MHzR-Y/B-Y37.125MHz37.125MHz37.125MHz37.125MHzB:74.25MHz記錄帶寬R:30MHzY20MHz24MHz30MHz30MHzG:30MHzR-Y/B-Y10MHz7.5MHz15MHz15MHzB:30MHz量化8bit8bit10bit10bit音頻取樣頻率48kHz48kHz48kHz48kHz量化16bit20bit24bit24bit通道數(shù)量8ch4ch8ch12ch記錄碼流30P/60i約167Mb/s約185Mb/s約301Mb/s約593Mb/s25P/50i約167Mb/s約155Mb/s約250Mb/s視頻碼流30P/60i約100Mb/s約140Mb/s約235Mb/s約440Mb/s25P/50i約100Mb/s約120Mb/s約195Mb/s數(shù)據(jù)記錄糾錯ReedSolomonReedSolomonReedSolomonReedSolomon掩錯Adaptivethree-dimensional通道編碼ScrambledNRZIScrambledNRZI8～14ScrambledNRZI磁跡/場30P/6206121225P/52461212壓縮算法幀內(nèi)壓縮幀內(nèi)壓縮DCT幀內(nèi)壓縮MPEG4StudioProfile壓縮比6.7:14.4:15.3:12.7:14.2:1主流高清非編壓縮格式的碼率比較

AVIDDNxHD120SONYHDCAMPanasonicDVCPROHD

AVIDDNxHD183PanasonicHD-D5SONYHDCAMSRAPPLEProResAPPLEProResHQ圖像解晰度1280x7201920x10801920x10801280x7201920x10801280x7201920x10801920x10801920x10801280x7201920x10801280x7201920x1080比特率8bit8bit8bit8bit10bit10bit10bit10bit10bit亮色采樣4:2:23:1:14:2:24:2:24:2:24:2:2/4:4:44:2:24:2:2碼率120Mb135Mb100Mb185Mb235Mb440Mb145Mb220Mb高清攝錄一體機------格式與信號碼率SonyHDCAM-SR高清攝像機信號碼率440MbpsHDC-1550/F950/SRW-1------1080/50i/25p/24p/60i應用高質(zhì)量電視制作高質(zhì)量數(shù)字母帶高清攝錄一體機------格式與信號碼率SonyHDCAM高清攝像機信號碼率135MbpsHDW-F900/F900R------1080/50i/25p/24p/60iHDW-750P------1080/50i/25p HDW-700A------1080/60i應用 電視劇 專題 新聞 體育高清攝錄一體機------格式與信號碼率松下DVCPROHD高清攝像機信號碼率100Mbps

AJ-HDC20-------1080/50i等AJ-HDC27------720/60p應用

電視劇 專題 新聞 體育高清攝錄一體機------格式與信號碼率經(jīng)濟適用的高清25Mbps碼流MPEG2MP@HL1440

幀間壓縮與DV/DVCAM相同的記錄媒體應用新聞突發(fā)事件報道高清攝錄一體機------格式與信號碼率

主流非磁帶記錄媒體攝錄機SonyXDCAM-HD高清攝像機信號碼率18/25/35Mbps

PDW-700------1080/50i/25p/24p/60i

藍光盤記錄

松下P2

DVCPROHD高清攝像機信號碼率100/50Mbps

AG-HVX3000MC------1080/50i/25p,720p編碼AVC-INTRA/DVCPROHD湯姆遜

infinity信號碼率75MbpsJPEG2000硬盤、閃存卡、U盤主流高清非編壓縮格式的碼率比較

AVIDDNxHD120SONYHDCAMPanasonicDVCPROHD

AVIDDNxHD183PanasonicHD-D5SONYHDCAMSRAPPLEProResAPPLEProResHQ圖像解晰度1280x7201920x10801920x10801280x7201920x10801280x7201920x10801920x10801920x10801280x7201920x10801280x7201920x1080比特率8bit8bit8bit8bit10bit10bit10bit10bit10bit亮色采樣4:2:23:1:14:2:24:2:24:2:24:2:2/4:4:44:2:24:2:2碼率120Mb135Mb100Mb185Mb235Mb440Mb145Mb220Mb不同取樣結構和量化比特的原始碼率比較GRBYYYCbCrCbCbCrCr1920192019201080108010801920960960108010801080144010801080108048048010807207201440540540HDSDI雙鏈接4:4:4HDSDI鏈接4:2:23:1:1(1440)4:2:0高清與標清電視的差別寬高比

標清電視屏幕的寬高比為4:3

高清電視屏幕的寬高比是16:9，16:9可以表示為1.78:1， 是參考遮幅寬銀幕電影1.85:1的寬高比制定的。 美國、歐洲和澳大利亞的部分標清數(shù)字電視也采用16:9，但在中國和其它大多數(shù)國家和地區(qū)只有高清采用16:9

高清與標清電視的差別清晰度（分辨率）高清晰度電視的分辨率有兩種，一種是每幀畫面1920x1080像素，另一種是1280x720像素，后者的水平和垂直方向像素數(shù)量分別是前者的2/3，總的像素數(shù)量是前者的4/9，不到一半

高清與標清電視的差別高清圖像的水平像素1920垂直像素1080標清圖像的水平像素720垂直像素576高清系統(tǒng)的分辨率高于標清系統(tǒng)的兩倍

高清標清格式變換制作實現(xiàn)高清（HD）和標清（SD）兩種圖像標準的格式變換，在標清高清過渡時期，可以實現(xiàn)高清、標清節(jié)目同播，滿足不同消費群體的需要，是降低制作成本，進行高清電視和標清電視之間節(jié)目交換、素材共享的必要手段。1080/50i高清節(jié)目源格式與現(xiàn)行標清節(jié)目源576/50i之間的上/下變換，包括圖像幅型比的變換，即：高清16：9與標清4：3。

高清標清格式變換制作高清至標清下變換有三種模式：信箱模式（上下遮黑，寬銀幕）--原畫面寬度不變切邊模式（4：3滿屏，左右兩邊各切去部分畫面）--原畫面高度不變擠壓模式（4：3滿屏，水平方向壓縮）--原畫面寬度高度都不變，畫面變形格式下變換制作模式如圖示，高清標清格式變換制作

高清至標清下變換信箱模式（上下遮黑，寬銀幕）切邊模式（4：3滿屏，左右兩邊各切去部分畫面）擠壓模式（4：3滿屏，水平方向壓縮變形）切邊模式信箱模式擠壓模式下變換高清標清格式變換制作高清標清格式變換制作標清至高清上變換切邊模式（左右遮黑），信箱模式（滿屏，上下兩邊各切去部分畫面）擠壓模式（4：3滿屏，水平方向拉抻變形）擠壓模式切邊模式上變換信箱模式高清鏡頭鏡頭也是一種動態(tài)技術，它可以有效地控制在攝像機圖像傳感器上所呈現(xiàn)的目標圖像，這種控制功能包括改變光亮度、焦點和焦距范圍高清鏡頭---光學帶寬鏡頭對黑白相間圖形的再現(xiàn)能力受到黑白線條間隔細度的影響，這種鏡頭輸出特性在技術上我們稱為“調(diào)制傳遞函數(shù)”（MTF）。因為攝像系統(tǒng)是通過鏡頭把圖像轉化成電信號，所以調(diào)制傳遞函數(shù)被認為是評價鏡頭性能的好辦法。

高清鏡頭---光學帶寬標清電視的視頻帶寬是5.5MHz，高清電視1080/50i,60i，720/60p視頻帶寬是30MHz。與鏡頭清晰度相關的因素為了實現(xiàn)這種較好的光學性能，高清電視鏡頭在制造工藝上精度更高，這體現(xiàn)在，首先采用一個更佳的光學設計方案，仔細控制好光學設計工藝中的眾多環(huán)節(jié)，認真選好每個鏡頭單元所用的材料和涂層，嚴格控制好制造公差整個圖像平面內(nèi)鏡頭分辨率

根據(jù)光學部件的特性，鏡頭單元的中央處分解像力最高，在圖像平面內(nèi)向邊角呈現(xiàn)下降趨勢為了保證低色散、低像差，提高邊緣性能，使整個畫面保持清晰的圖像，保證高光學調(diào)制傳遞函數(shù)，高清鏡頭使用了高質(zhì)量的關鍵技術整個圖像平面內(nèi)鏡頭分辨率

采用螢石、高折射率、高透光率、超低色散玻璃等特殊材料采用最新光學技術設計和電腦模擬技術內(nèi)聚焦系統(tǒng)減少了側向色差，提高了邊緣光學特性使用更精密的光學機械結構/組件/裝配技術工具整個圖像平面內(nèi)鏡頭邊緣特性

比較高清和標清電視系統(tǒng)成像第一要考慮高清16：9的畫幅比，在CCD同樣的著光面上，16：9畫幅的面積減小，即減小了感光區(qū)域，高清鏡頭敏感區(qū)域縮小，造成了敏感度10%的差別。4：3畫幅的面積是 8.8x6.6=58.08mm,16：9畫幅的面積是9.6x5.4=51.84mm,4:3畫幅16:9畫幅高清系統(tǒng)與標清系統(tǒng)的比較標清系統(tǒng)一幀畫面里有576掃描行，而高清系統(tǒng)的掃描行數(shù)是大于標清系統(tǒng)的1.5倍，同樣在2/3英寸的CCD器件上，高清系統(tǒng)具有更小的像素點，高清系統(tǒng)掃描行密度更高，因為高清畫幅比是16：9，比標清系統(tǒng)更寬

比較高清和標清電視系統(tǒng)成像第二要考慮高清系統(tǒng)的景深問題，高清的景深是標清的1/2，因此在操作攝像機時，應該把鏡頭的光圈值加大2倍，這樣才能得到與標清系統(tǒng)相同的景深。這將使得敏感度降低到原來的1/4

比較高清和標清電視系統(tǒng)成像景深有下列性質(zhì)：景深與鏡頭光圈：隨光圈數(shù)值的增大而增大，即光圈越大，景深越?。还馊υ叫?，景深越大；

景深與鏡頭焦距隨鏡頭焦距的增大而減小，即鏡頭焦距越長，景深越??；焦距越短，景深越大；廣角鏡頭景深大，長焦鏡頭景深小。

景深與拍攝距離隨景物距離的增大而增大，即距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。

高清影像造型

2009年6月

高清晰度電視節(jié)目以高清晰的特點、豐富的色彩和寬屏幕顯示受到人們歡迎，然而，高清晰的特點對電視燈光的要求與標清電視的不同，運用好燈光照明在高清影像攝制中發(fā)揮著重要作用

HDTV的特點

畫幅比為16：9，比較標清4：3更符合人們視覺習慣大場面拍攝有氣勢色還原真實高清畫面有1920x1080個像素點，水平清晰度與垂直清晰度提高了2倍以上特寫鏡頭對景物的細節(jié)的表現(xiàn)更接近35mm膠片的效果光比問題運用技術手段調(diào)整參數(shù)，高清攝像機最大景物亮度范圍可以達到8-9級光圈在正常曝光值基礎上，增加2.5級光圈和減少5.5級光圈的范圍內(nèi)仍然能表現(xiàn)景物的灰度層次。由于畫面清晰度高，暗部的感染力增強高清拍攝較暗部分細節(jié)的能力相對于