高清影像技术与造型

1、高清影像技术特点高清影像技术特点 2009年6月 什么是高清晰度电视 高清晰度电视是电视技术的最新发展，在此之前电视技术完成了从黑白到彩色、从模拟到数字的转变。 要想大幅度提高图像质量就必须改变电视基础参数标准，增加有效信息量 什么是高清晰度电视 在国际无线电咨询委员会CCIR报告中这样定义：高清晰度电视应使得一个正常视力的观众在距离显示图像高度约三倍距离处看到的图像质量达到和观看原始景物相同的感受。 高清电视在图像清晰度、屏幕尺寸、宽高比、声音方面都有所改进 什么是高清晰度电视 提高亮度分解力，即增强图像细节的清晰程度，HDTV在水平、垂直方向的空间分辨率是标准清晰度电视的2倍，即每帧行数不

2、少于1000行。 提高图像宽高比，16：9更符合人眼的视觉特性，视野宽，临场感强，宜使用大屏幕（对角线大于0.8米以上）显示图像 什么是高清晰度电视 扩展色域，使得电视彩色更加丰富，感染力更强。 配置高质量的环绕立体声，至少有4路数字伴音通道，伴音带宽达20KHz。 简言之，高清电视画面图像分辨率高，其清晰度高于现行标清电视画面的2倍，图像采用16：9构图，色域扩展，环绕声伴音。其画质精细，色彩还原优于标清电视，能够更丰富地表现画面细节。高清影像技术特点-像素 在电视时代人们用分辨率来表达影像清晰的程度 模拟时代摄像管和显像管都是通过扫描线的扫描产生和再现图像，所以用“线”或“电视线”表示清晰

3、度。 在计算机图像显示技术中，采用像素来表示清晰度。高清影像技术特点-像素 像素是组成图像的最小单位，当显示像素为方形像素，画幅比正好与水平垂直有效像素比数值相同，其好处是在图像制作生成处理的过程中无几何失真。 目前数字影像（包括数码相机等）和计算机图形处理的成像和显示器件都遵循ITU提出的方形像素通用图像格式。高清影像技术特点-像素 彩色图像需要RGB或Y/B-Y/R-Y三个独立的分量构成，因此每个像素实际上都是由3个单色像素组成的。高清影像技术特点-像素 目前数字电影和数字电视的摄像和显像都采用了有限像素的器件如CCD、CMOS、LCD、PDP、DLP、LED等，因此不论是数字影像还是电影

4、、电视都可以用像素表达清晰度 标清数字电视的清晰度可以表示为720 x 576，每帧画面的像素数量分别为41万。 高清数字电视的清晰度可以表示为1920 x 1080或1280 x 720（现在较少），每帧画面的像素数量分别为207万和92万 高清影像技术特点-像素 高清影像技术特点-逐行扫描和隔行扫描 电视采用扫描的方法把静止画面分解成若干行的扫描线，构成一幅完整画面的全部扫描线叫电视帧。 最简单的扫描方式是逐行扫描，每帧图像由电子束顺序地一行接着一行连续扫描而成，下一帧扫描线的位置与上一帧完全相同 隔行扫描是把一帧电视画面分两次交错扫描，下一场扫描线的位置与上一场相差一行，在空间上两个相邻

5、电视场的扫描线位置相隔一行。 高清影像技术特点-逐行扫描和隔行扫描逐行扫描的优点： 有利于图形和图像的计算机处理， 没有隔行扫描所特有的场间闪烁感， 长时间观看眼睛不易疲劳， 缺点： 与相同垂直扫描频率的隔行扫描方式相比数据量增大一倍。目前数字电影的拍摄和放映、计算机显示以及部分数字电视的制作和播出采用逐行扫描。高清影像技术特点-逐行扫描和隔行扫描隔行扫描的优点： 与相同垂直扫描频率的逐行扫描方式相比数据量只有逐行的一半，缺点： 场间闪烁感觉明显， 不利于图形和图像的计算机处理， 长时间观看眼睛容易疲劳 模拟电视采用2:1隔行扫描，是为了在有限的带宽资源条件下提高图像刷新率，增强画面动作的平滑

6、度 高清影像技术特点-逐行扫描和隔行扫描 高清电视采用逐行扫描拍摄和制作的原因之一是拍摄和显示器件的逐行化 PDP、LCD、DLP的图像显示原理与显像管完全不同，他们是有限像素的面阵列显示器件，这种采用XY寻址的显示方式不需要逐一驱动每个像素单元，既适用于隔行也适用于逐行显示 PDP、LCD、DLP等器件的电视显示的都是逐行扫描图像，即使输入的是隔行扫描信号也会在显示驱动电路中转换成逐行扫描 如果在拍摄、制作和显示等环节都采用逐行扫描方式，就可以避免信号的隔行逐行转换带来的图像质量损失 高清影像技术特点-扫描格式 数字电视格式的表达方法:在美国电影电视工程师协会SMPTE文件中1920 x 1

7、080/50/I表示每行取样点数量1920，每帧有效扫描行数1080，50场隔行扫描。1280 x 720/50/P表示每行取样点数量1280，每帧有效扫描行数720，50帧逐行扫描。最后的字母I表示隔行（Interlace）扫描，P表示逐行（Progressive）扫描 高清影像技术特点-扫描格式 数字电视格式的表达方法 在欧洲广播联盟EBU文件中1920 x 1080/I/25（简化表示为1080/I/25）表示每行取样点数量1920，每帧有效扫描行数1080，25帧（50场）隔行扫描。1280 x 720/P/50表示每行取样点数量1280，每帧有效扫描行数720，50帧逐行扫描。中间的

8、字母I表示隔行（Interlace）扫描，P表示逐行（Progressive）扫描。 高清影像技术特点-扫描格式 数字电视格式的表达方法 把SMPTE表示法简化使用 例如1920 x 1080/60/I表示为1080/60i 1280 x 720/60/P表示为720/60P采用简化表示法 美国的NTSC可表示为480/60i 欧洲和中国的PAL可表示为576/50i这是目前使用最多的表示法高清影像技术特点-扫描格式 几种常见的电视扫描格式 480i格式，和NTSC模拟电视清晰度相同，525条垂直扫描线，483条可见垂直扫描线，4：3 或16：9，隔行/60Hz 576i，是标准的PAL电视显

9、示模式，625条垂直扫描线，576条可见垂直扫描线，4：3或16：9，隔行/50Hz高清影像技术特点-扫描格式 几种常见的电视扫描格式 1080i格式，是标准数字电视显示模式，1125条垂直扫描线，1080条可见垂直扫描线，16：9，分辨率为19201080，隔行/50 Hz、隔行/60Hz 1080p格式，是标准数字电视显示模式，1125条垂直扫描线，1080条可见垂直扫描线，16：9，分辨率为19201080，逐行/24、25、30 Hz，逐行/50、60Hz，专业格式。 高清影像技术特点-扫描格式 几种常见的电视扫描格式 720p格式，是标准数字电视显示模式，750条垂直扫描线，720条

10、可见垂直扫描线，16：9，分辨率为1280720，逐行/60Hz 其中1080p被称为目前数字电视的顶级显示格式，这种格式的电视在逐行扫描下能够达到19201080的分辨率。目前世界上只有60英寸以上的显示屏才能够显示出19201080的信号 高清影像技术特点-扫描格式 格式的应用格式的应用： 1080/50i 电视节目 1080/25p 数字电影、电视剧 1080/24p 电影胶片 1080/60i 场频率为60的国家 720/576i 标清电视PAL 720/480i 标清电视NTSC高清影像技术特点-码率 码率是在单位时间内系统所能达到的最大数据量。传输数字电视信号时信道设备（如矩阵、光

11、端机等）的带宽必须大于通过该通道的码率 有效码率（视频有效码率）是在单位时间内与视频信号有关的数据量。因为在电视信号的水平和垂直消隐期间内没有视频信息，所以有效码率一般只是码率的60-80%。使用磁带、硬盘或光盘存储数字视频信号时可以只记录有效码率代表的视频信息。高清影像技术特点-码率 标准清晰度数字电视信号的有效码率标准清晰度数字电视信号的有效码率 在国际电信联盟ITU-R601数字电视标准中，采用8比特量化时576/50i（PAL）亮度信号的有效码率为每行的取样点数 x 有效扫描行数 x 量化比特数 x 帧频= 720 x 576 x 8 x 25 = 82.944Mbps 2个色差信号的

12、有效码率为2 x 360 x 576 x 8 x 25 = 82.944Mbps 总的有效码率为亮度信号有效码率 + 色差信号有效码率= 82.944 + 82.944 = 165.888Mbps（576/50i）高清影像技术特点-码率 480/60i（NTSC）总的有效码率与为576/50i（PAL）相同。 由于576/50i的有效扫描行数多场频低而480/60i的有效扫描行数少场频高，实际上两种信号的有效码率是相同的。高清影像技术特点-码率 高清晰度数字电视信号的有效码率高清晰度数字电视信号的有效码率 在美国电影电视工程师协会SMPTE 274M数字电视标准中，采用8比特量化时1080/6

13、0i 信号格式亮度信号的有效码率为 1920 x 1080 x 8 x 25 = 414.72Mbps 2个色差信号的有效码率为2 x 960 x 1080 x 8 x 25= 414.72Mbps 总的有效码率为 2 x 414.72= 829.44Mbps（1080/50i）高清影像技术特点-码率 1080/60i 信号格式的有效码率为1920 x 1080 x 8 x 30 x 2 = 995.328Mbps（1080/60i）高清影像技术特点-码率数据量大，制作、传输、存储占用较大的资源数据量大，制作、传输、存储占用较大的资源 高清829.4 Mbit/S=103 MB/S 标清165

14、.8 Mbit/S=21 MB/S 1080/50i的有效码率是576/50i (PAL)的5倍影响影响 设备对数据处理速度 高清信号传输带宽 硬盘占用容量： 每小时无压缩422处理的节目需要占用370GB硬盘 所以，需要经过压缩处理，才能记录、制作高清节目高清影像技术特点-数字化 包括电视信号在内的各种信息的原始形态都是模拟的， 电视信号的数字化就是把在时间轴和电平轴上连续变化的模拟电视信号在时间轴和电平轴上离散化，即用有限的取样点和有限的电平阶去表现在时间和电平上无限变化的模拟信号 高清影像技术特点-数字化 取样就是把电视信号在时间轴上离散化，用有限像素表现无限清晰的景物。就是用有限数量的

15、静止画面表达在空间上连续运动的景物。 量化就是把电视信号在电平（幅度）轴上离散化，用有限的灰度阶表现无限的灰度。8比特（256灰度阶）是再现图像连续灰度的最低要求，高质量记录和制作需要10比特（1024灰度阶）。低于8比特时人眼就会分辨出灰度层级中的灰度差，呈现版画感。 高清影像技术特点-数字化 在数字电视技术中经常用4:2:2、4:2:0等方式表达数字分量电视信号的取样结构，这种表示法的原始含义是亮度与色度信号的取样频率之比。还用于表示亮度与色度的清晰度就是取样点数量的比例。 高清影像技术特点-数字化 为了降低数字电视信号源的码率，电视制作时很少采用4:4:4的RGB全带宽取样结构，实际使用

16、的大多是Y/B-Y/R-Y取样，并对B-Y/R-Y色度信号采用了亚取样处理，使其取样点数量少于亮度信号。4:2:2取样结构，表示色度信号在水平方向上的取样点数量是亮度信号的1/2。 高清影像技术特点-数字化 把4:4:4经预滤波、亚取样转变成 4:2:2、4:1:1、3:1:1、4:2:0或3:1.5:0的目的是用不压缩的方法通过降低彩色分辨率的方式降低数字电视信号的码率 高清摄像机基本参数表主流广播级高清录像机技术规格机型机型格格 式式DVCPRO HDHDCAMD5 HDHDCAM SRHDCAM SR（4：4：4）视频视频取样频率取样频率R: 74.25 MHzY74.25 MHz74.

17、25 MHz74.25 MHz74.25 MHzG: 74.25 MHzR-Y/B-Y37.125 MHz37.125 MHz37.125 MHz37.125 MHzB: 74.25 MHz记录带宽记录带宽R: 30 MHzY20 MHz24 MHz30 MHz30 MHzG: 30 MHzR-Y/B-Y10 MHz7.5 MHz15 MHz15 MHzB: 30 MHz量化量化8bit8 bit10 bit10 bit音频音频取样频率取样频率48kHz48kHz48kHz48kHz量化量化16bit20bit24bit24bit通道数量通道数量8ch4ch8ch12ch记录码流记录码流30P

18、/60i约约167 Mb/s约约185 Mb/s约约301 Mb/s约约593 Mb/s25P/50i约约167 Mb/s约约155 Mb/s约约250 Mb/s视频码流视频码流30P/60i约约100 Mb/s约约140 Mb/s约约235 Mb/s约约440 Mb/s25P/50i约约100 Mb/s约约120 Mb/s约约195 Mb/s数据记录数据记录纠错纠错Reed SolomonReed SolomonReed SolomonReed Solomon掩错掩错Adaptive three-dimensional通道编码通道编码Scrambled NRZIScrambled NRZI8

19、14Scrambled NRZI磁迹磁迹/场场30P/6206121225P/52461212压缩算法压缩算法帧内压缩帧内压缩帧内压缩帧内压缩 DCT帧内压缩帧内压缩MPEG4 Studio Profile压缩比压缩比6.7:14.4:15.3:12.7:14.2:1主流高清非编压缩格式的码率比较AVIDDNxHD120SONYHDCAMPanasonicDVCPROHDAVIDDNxHD183PanasonicHD-D5SONYHDCAMSRAPPLEProResAPPLE ProRes HQ图像解晰度1280 x7201920 x10801920 x10801280 x7201920 x1

20、0801280 x7201920 x10801920 x10801920 x10801280 x7201920 x10801280 x7201920 x1080比特率8bit8bit8bit8bit8bit10bit10bit10bit10bit10bit亮色采样4:2:23:1:14:2:24:2:24:2:24:2:2/4:4:44:2:24:2:2码率120Mb135Mb100Mb185Mb235Mb440Mb145Mb220Mb高清摄录一体机-格式与信号码率 Sony HDCAM-SR高清摄像机 信号码率440Mbps HDC-1550/F950/SRW-1-1080 /50i /25

21、p /24p / 60i 应用 高质量电视制作 高质量数字母带高清摄录一体机-格式与信号码率 Sony HDCAM高清摄像机 信号码率135Mbps HDW-F900/F900R-1080 /50i /25p /24p / 60i HDW- 750P-1080 /50i /25p HDW- 700A-1080/60i 应用电视剧专题新闻体育高清摄录一体机-格式与信号码率松下 DVCPRO HD高清摄像机 信号码率100Mbps AJ-HDC 20-1080 /50i等 AJ-HDC 27- 720/60p 应用电视剧专题新闻体育高清摄录一体机-格式与信号码率 经济适用的高清 25Mbps码流

22、MPEG2 MPHL1440 帧间压缩 与DV/DVCAM相同的记录媒体 应用 新闻 突发事件报道高清摄录一体机-格式与信号码率主流非磁带记录媒体摄录机Sony XDCAM-HD高清摄像机 信号码率18/25/35Mbps PDW-700-1080 /50i /25p /24p / 60i蓝光盘记录 松下P2 DVCPRO HD高清摄像机信号码率100/50Mbps AG-HVX 3000MC -1080/50i/25p,720p 编码 AVC-INTRA / DVCPRO HD汤姆逊汤姆逊 infinity 信号码率75Mbps JPEG2000 硬盘、闪存卡、U盘主流高清非编压缩格式的码率

23、比较AVIDDNxHD120SONYHDCAMPanasonicDVCPROHDAVIDDNxHD183PanasonicHD-D5SONYHDCAMSRAPPLEProResAPPLE ProRes HQ图像解晰度1280 x7201920 x10801920 x10801280 x7201920 x10801280 x7201920 x10801920 x10801920 x10801280 x7201920 x10801280 x7201920 x1080比特率8bit8bit8bit8bit8bit10bit10bit10bit10bit10bit亮色采样4:2:23:1:14:2:2

24、4:2:24:2:24:2:2/4:4:44:2:24:2:2码率120Mb135Mb100Mb185Mb235Mb440Mb145Mb220Mb不同取样结构和量化比特的原始码率比较GRBYYYCbCrCbCbCrCr1920192019201080108010801920960960108010801080144010801080108048048010807207201440540540HD SDI 双链接4:4:4HD SDI 链接4:2:23:1:1(1440) 4:2:0高清与标清电视的差别 宽高比宽高比 标清电视屏幕的宽高比为4:3 高清电视屏幕的宽高比是16:9，16:9可以表示

25、为1.78:1，是参考遮幅宽银幕电影1.85:1的宽高比制定的。美国、欧洲和澳大利亚的部分标清数字电视也采用16:9，但在中国和其它大多数国家和地区只有高清采用16:9 高清与标清电视的差别 清晰度（分辨率）清晰度（分辨率） 高清晰度电视的分辨率有两种，一种是每帧画面1920 x1080像素，另一种是1280 x720像素，后者的水平和垂直方向像素数量分别是前者的2/3，总的像素数量是前者的4/9，不到一半 高清与标清电视的差别高清图像的水平像素1920 垂直像素1080标清图像的水平像素720 垂直像素576 高清系统的分辨率高于标清系统的两倍 高清标清格式变换制作 实现高清（HD）和标清（

26、SD）两种图像标准的格式变换，在标清高清过渡时期，可以实现高清、标清节目同播，满足不同消费群体的需要，是降低制作成本，进行高清电视和标清电视之间节目交换、素材共享的必要手段。1080/50i高清节目源格式与现行标清节目源576/50i 之间的上/下变换，包括图像幅型比的变换，即：高清16：9与标清4：3。 高清标清格式变换制作 高清至标清下变换有三种模式：信箱模式（上下遮黑，宽银幕）-原画面宽度不变切边模式（4：3满屏，左右两边各切去部分画面）-原画面高度不变挤压模式（4：3满屏，水平方向压缩）-原画面宽度高度都不变，画面变形格式下变换制作模式如图示，高清标清格式变换制作 高清至标清下变换高清

27、至标清下变换 信箱模式（上下遮黑，宽银幕）信箱模式（上下遮黑，宽银幕） 切边模式（切边模式（4 4：3 3满屏，左右两边各切去部分画面）满屏，左右两边各切去部分画面） 挤压模式（挤压模式（4 4：3 3满屏，水平方向压缩变形）满屏，水平方向压缩变形） 切边模式切边模式 信箱模式信箱模式 挤压模式挤压模式下变换高清标清格式变换制作 高清标清格式变换制作 标清至高清上变换标清至高清上变换 切边模式（左右遮黑）， 信箱模式（满屏，上下两边各切去部分画面） 挤压模式（4：3满屏，水平方向拉抻变形）挤压模式挤压模式切边模式切边模式上变换信箱模式信箱模式高清镜头 镜头也是一种动态技术，它可以有效地控制在摄

28、像机图像传感器上所呈现的目标图像，这种控制功能包括改变光亮度、焦点和焦距范围 高清镜头 -光学带宽 镜头对黑白相间图形的再现能力受到黑白线条间隔细度的影响，这种镜头输出特性在技术上我们称为“调制传递函数”（MTF）。 因为摄像系统是通过镜头把图像转化成电信号，所以调制传递函数被认为是评价镜头性能的好办法。 高清镜头 -光学带宽 标清电视的视频带宽是5.5MHz，高清电视1080/50i,60i，720/60p视频带宽是30MHz。 与镜头清晰度相关的因素 为了实现这种较好的光学性能，高清电视镜头在制造工艺上精度更高，这体现在，首先采用一个更佳的光学设计方案，仔细控制好光学设计工艺中的众多环节，

29、认真选好每个镜头单元所用的材料和涂层，严格控制好制造公差 整个图像平面内镜头分辨率 根据光学部件的特性，镜头单元的中央处分解像力最高，在图像平面内向边角呈现下降趋势 为了保证低色散、低像差，提高边缘性能，使整个画面保持清晰的图像，保证高光学调制传递函数，高清镜头使用了高质量的关键技术 整个图像平面内镜头分辨率 采用萤石、高折射率、高透光率、超低色散玻璃等特殊材料 采用最新光学技术设计和电脑模拟技术 内聚焦系统减少了侧向色差，提高了边缘光学特性 使用更精密的光学机械结构/组件/装配技术工具 整个图像平面内镜头边缘特性 100% HD-EC MTF NTSC 0 Center Corner edg

30、e image hight 比较高清和标清电视系统成像 第一要考虑高清16：9的画幅比，在CCD同样的着光面上，16：9画幅的面积减小，即减小了感光区域，高清镜头敏感区域缩小，造成了敏感度10%的差别。 4：3画幅的面积是 8.8x6.6=58.08mm, 16：9画幅的面积是 9.6x5.4=51.84mm, 4:3画幅16:9画幅高清系统与标清系统的比较 标清系统一帧画面里有576扫描行，而高清系统的扫描行数是大于标清系统的1.5倍，同样在2/3英寸的CCD器件上，高清系统具有更小的像素点， 高清系统扫描行密度更高，因为高清画幅比是16：9，比标清系统更宽 比较高清和标清电视系统成像 第二

31、要考虑高清系统的景深问题，高清的景深是标清的1/2，因此在操作摄像机时，应该把镜头的光圈值加大2倍，这样才能得到与标清系统相同的景深。这将使得敏感度降低到原来的1/4 比较高清和标清电视系统成像 景深有下列性质：景深与镜头光圈：随光圈数值的增大而增大，即光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大； 景深与镜头焦距随镜头焦距的增大而减小，即镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；广角镜头景深大，长焦镜头景深小。 景深与拍摄距离随景物距离的增大而增大，即距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。 高清影像造型高清影像造型 2009年6月 高清晰度电视节目以高清晰的特点、丰富的色彩和宽屏幕显示受到人们

32、欢迎，然而，高清晰的特点对电视灯光的要求与标清电视的不同，运用好灯光照明在高清影像摄制中发挥着重要作用 HDTV 的特点 画幅比为16：9，比较标清4：3更符合人们视觉习惯大场面拍摄有气势色还原真实 高清画面有1920 x1080个像素点，水平清晰度与垂直清晰度提高了2倍以上特写镜头对景物的细节的表现更接近35mm胶片的效果光比问题 运用技术手段调整参数，高清摄像机最大景物亮度范围可以达到8-9级光圈在正常曝光值基础上，增加2.5级光圈和减少5.5级光圈的范围内仍然能表现景物的灰度层次。由于画面清晰度高，暗部的感染力增强高清拍摄较暗部分细节的能力相对于标清有很大提高 光比问题 在曝光不足时，通过技术调整可以提高亮度层次的表现