困惑的HDTV——阴魂不散的隔行扫描

黄夏留

　　提起隔行扫描，似乎每一个对电视技术有所了解的人都能讲出一大堆毛病来，这也难怪，这几年来，无数的电视厂家的宣传已经给大家义务普及了有关隔行扫描与逐行扫描的知识，这架式，似乎要将不受欢迎的隔行扫描彻底斩尽杀绝，然而，在新的HDTV的标准中，我们又看到的隔行扫描的影子——1080I，这就让人感到困惑了，在全数字的HDTV系统中，为什么还会出现隔行扫描的呢？从理论上讲，在全数字的电视系统中，根本就不存在扫描的概念，那这个1080I中的I到底是什么东西呢？为什么隔行扫描的阴魂在当今的数字时代还是无法散尽呢？为了弄清楚这些问题，我们不得不追溯到隔行扫描的起源。

　　电视诞生在真空管电子时代，那时电子计算机还没有发明，也就根本不存在什么数字电路的概念，传送画面只能依靠纯模拟电路来实现。在电影系统中，画面的基本单位是帧，每一帧都是一个完整的画面，但模拟电路显然无法直接处理每帧画面中的二维图像，于是，人们将二维的图像分解为许多一维的行，用扫描的方式将每行中的明暗及色彩变化信息提取出来，并调制到载波上传送到远端的接收机上，由接收机再解调还原成一行行的明暗及色彩变化信息，最后用扫描的方式一行行地将这些信息在屏幕上还原出来，于是接收机的屏幕上就再现出来了一帧完整的画面。

　　电视系统的目的是为了传送动态画面，所以就必须连续地传送一帧帧的画面，由于人眼的视觉暂留特性，只要单位时间内传送的画面够多，人就会感到画面的变化连续的了。电影胶片放映的速度是24帧/秒，我们用24P来表示，这时人眼已无法区分每一帧单独的画面了，看到的是连续的动态画面。电视也可以采用24P的方式来传送画面信号，这时在接收端同样也可以看到连续的动态画面，但存在一个很严重的问题，画面闪烁得非常厉害，以至于根本无法正常观看，那为什么电影的24P就不闪呢？实际上，电影放映机在放映每一帧画面时，要遮一次光，每帧画面在银幕上被重复放映了两次，也就是说，观众的眼睛所看到的银幕上的放映速度是48P，所以没有闪烁感。

　　其实上述问题只存在于CRT显示设备，对于像LCD、PDP、DLP等固定像素显示设备，由于它们本身根本就不存在闪烁的问题，所以可以直接显示24P的画面信号，在数字时代，要解决上面的问题非常容易，可以先将24P信号存入一个帧缓冲器中，再由显示驱动电路以任意所需的刷新频率（如72Hz等）将帧缓冲器中的画面信息显示到屏幕上即可。

　　当然了，半个多世纪前是不可能采用上面的解决方案的，一切都必须采用模拟电路来实现，最简单的办法就是借鉴电影放映机的做法，提高画面的传送速度，使其达到48P甚到是60P，但这种方法会导致信号带宽成倍地增加，而在当时这将最终导致整个电视系统成本的急骤增加，于是，人们想出了一个绝妙的办法，将一帧画面分为两场来扫描，第一场扫描奇数行，称为奇数场，第二场扫描偶数行，称为偶数场，这样在接收端每帧画面也就被分成了两场来显示，从而大幅度减少了屏幕上画面的闪烁感。采用这种方法，由于单位时间内扫描的行数并没有增加，所以信号带宽也就没有增加，于是，隔行扫描也就应运而生了。不难看出，隔行扫描对于模拟电视系统的作用可以说是功德无量。

　　电视刚发明的时候还没有录像机，电影胶片是电视非常重要的节目载体，按理说电视系统所采用的画面传送速度应该与电影一致，由24P衍生出48I，但为什么会出现当前的NTSC的60I和PAL的50I呢？也许细心的人会注意到，在使用NTSC的北美和日本，使用的都是110V@60Hz的交流电，而使用PAL的欧洲和中国，使用的都是220V@50Hz的交流电，这之间难道会存在某种联系吗？现在的电视机设计人员在设计电视机电路时，根本不用考虑交流电源中的交流信号对内部电路的干扰，因为现在的电源完全可以将这种干扰滤除掉，但在半个多世纪前，电视机的电源还做不到这一点，而采用与交流电频率一致的垂直扫描信号，可以在很大程度上减少交流信号对其的干扰，所以也就出现当今的60I和50I。

　　斗转星移，电视伴随着着人类历史走过了半个多世纪，进入21世纪后，民用大屏幕显示设备蓬勃发展，原先隔行扫描在小屏幕电视机上并不明显的缺点在大屏幕显示设备上显得日益严重，行间闪烁、运动物体拖影等问题严重影响了人们的观看乐趣，于是，人们借助数字时代数字技术的威力来对隔行信号进行处理，倍线、倍频、I->P等等，各种令人眼花缭乱的所谓“精显”技术仿佛在一夜之前出现在了市场上。DVD电影碟上的信号由于是通过3-2下拉（NTSC格式）或2-2下拉（PAL格式）方式从电影的24P信号中获取的，所以通过对应的3-2下拉恢复或2-2下拉恢复可以获得与24P一样具有完整画面的60P信号，所以目前的“精显”电视机播放DVD影碟时都可以获得很好的效果，甚至还能有电影的那种“菲林感”。但对于电视信号来说，问题就复杂了很多，由于目前的绝大多数电视摄像机都是使用隔行格式（目前的数字摄像机根本就不存在扫描的问题，所以只存在信号的格式）进行信号处理的，由于隔行信号中的奇数场与偶数场并不位于时间轴上的同一个点（除非是支持24P的摄像机采用24P方式拍摄），所以从理论是无法用奇数场与偶数场来合成一帧完整画面的，所以目前所有针对电视信号的“精显”技术都不得不在信号的处理过程加入一些本来并不存在的数据，这就是为什么目前所有的“精显”电视在收看电视时画面都或多或少存在“数码味”的根本原因。

　　DVD是第一个民用数字视频产品（VCD是中国特色），本来它完全可以直接记录电影的24P信号，但不幸的是，它仍然未能摆脱隔行扫描的阴影。DVD诞生的时候，民用电视机还是CRT独统天下的时代，而且也还没有逐行扫描的概念，显然，别说那时，就算现在都没有支持24P的民用显示设备，为了兼容当时只能支持隔行信号输入的电视机，DVD播放机必须能输出60I或50I的视频信号，如果DVD碟片上记录的是24P信号，那么播放时就必须进行格式转换，而当时的DVD播放机的成本还是非常高的，为了降低成本，就直接在DVD碟片上记录60I或50I格式的信号，从而使得DVD播放机省去了转换工作。同样是基于兼容的原因，由于电视台不可能将所有只支持60I或50I信号的设备一次性全部替换成支持24P信号的设备，所以就算当前电视台已实现了全数字化，隔行扫描格式的信号仍然存在，虽然除了CRT显示设备以外再也看不到一件与扫描有关的设备了。

　　在当今数字时代的技术背景下，当初制约24P信号在电视系统中应用的因素早已不复存在，但由于历史遗留问题的制约，我们却还要为获得原始的24P信号而费尽周折。当今最理想的HDTV系统应该是这样的，节目源来自1920×1080@24P数字摄像机或数字电影信号，在整个节目的后期处理、制作、存储、播放、传输、接收过程中全部都使用数字24P信号，对于支持数字24P信号的固定像素显示设备，该信号可以直接用于显示，对于不支持24P或数字信号的显示设备，如目前广泛存在的CRT电视机以及不带数字视频接口的固定像素显示设备，可以通过机顶盒，将数字24P转换为60I/60P或50I/50P的模拟视频信号，从而实现对所接收到的数字24P信号的显示，这样的话，当前那些各种各样的“精显”技术也就彻底将成为历史，电视最终将又返朴归真地回归到24P的时代。

[ 本帖最后由 黄夏留 于 2006-9-12 16:02 编辑 ]

svideo

下面是引用FlexScan于2004-10-20 7:19 PM发表的 :
  其实1080/24p不过是为了能让数字时代的电影与电视能有一种必然的“联姻”，而产生的一种特殊的数字视频格式。

按照既定的目标，将来的D5端子对应的标准模式应该是：1080/60p（那么这个1080/24p是怎么来的呢？）

有电影人的推波助澜，更有电视人的不懈努力。
.......

D5端子不可能是未来的数字电视接口的方向，只能是个过渡，而且只限在日本的范围内使用。D端子完全是给模拟电视机设计的。1080/60p完全是对应模拟电视机而设计的。
未来的数字显示设备，据说目前已开始3200万象素的开发了。
看你的贴，应该是SONY公司的员工吧，有个问题想请教一下：
D3和D5端子提供的色差信号，其亮度带宽分别是多少呢？要技术上的权威数据。
谢谢。 [s:19]

yangjunior

支持 变频  但不支持AD DA

pinggoto

现在电视台的标清设备都数字化了。我所在电视台的设备，包括摄像机、录像机、字幕机、切换台、非编系统、光纤传输系统等都是标清数字设备，但都是隔行的，没有逐行的视频设备。电视台好象比较注重视频，调音台很多都是模拟的。
   因为历史原因，电视台的视频设备要全部转为逐行系统还有相当长的路要走。电视台的视频源头摄像机虽然都数字化了，但它的机头还是延用模拟系统的，换句话说，它的CCD扫描系统还是隔行的，因此后面一系列视频设备都只能是隔行的。

pengxiao

好久没有看到这么好的帖子了。顶起来

阿川

下面是引用yangjunior于2004-10-21 7:04 AM发表的 ---:
支持 变频  但不支持AD DA

AD/DA有问题吗？没有AD/DA有数字信号吗？

FlexScan

下面是引用svideo于2004-10-21 1:38 AM发表的 :
D5端子不可能是未来的数字电视接口的方向，只能是个过渡，而且只限在日本的范围内使用。D端子完全是给模拟电视机设计的。1080/60p完全是对应模拟电视机而设计的。
未来的数字显示设备，据说目前已开始3200万象素的开发了。
看你的贴，应该是SONY公司的员工吧，有个问题想请教一下：
D3和D5端子提供的色差信号，其亮度带宽分别是多少呢？要技术上的权威数据。
谢谢。 [s:19]

D3（1080/60i）的“Y”记录带宽应该是：20MHz。Ｒ－Ｙ／Ｂ－Ｙ的记录带宽是：10MHz

D5（1080/60P）的“Y”记录带宽应该是：30MHz。R-Y/B-Y的记录带宽是：15MHz。

另外可以提供R/G/B全带宽记录方式（也就是，三路记录带宽均为：30MHz）

你说的3200万像素的数字设备，是日本NHK所做的数字极限动态视频的可行性尝试的一个演示而已。

而数字电影的采集，传输，放映的标准已经制定了（并不需要3200万）。

美国广播业标准的“SMPTEC”成立的DC28（Digital Cinema 28）就是专门从事研究和制定数字电影标准的业内团队。

具体团队组成如下：
DC28.0 Technical Committee - 技术委员会
DC28.1 Steering - 统筹指导
DC28.2 Mastering - 母版制作
DC28.3 Compression - 压缩
DC28.4 Condition Access - 加密(有条件接收)
DC28.5 Transport - 传输
DC28.6 Audio - 音频
DC28.7 Theatre System - 剧院系统
DC28.8 Projection - 投影

具体制定规范如下：
* 母版清晰度 - 最低2K: 2,464 x 1,024，标准4K: 4,928 x 2,048
* 画面宽高比 - 2.4:1
* 帧频 - 24帧或更高
* 扫描方式 - 逐行扫描
* 彩色还原 - 与彩色胶片类似的扩展色域
* 声音 - 12声道，取样频率48KHz，量化24比特
* 服务器 - MPEG压缩，码率100Mbps以上
* 影院投影机 - 清晰度4K x 2K，对比度1,500:1，亮度输出12,000流明以上

未来的数字电影的采集，制作，放映的要求的标准就是：4K像素！


顺便声明，偶可不是SONY公司的！现在从事的工作与电视沾点边（只是在实习阶段在正宗的电视台“上视”干过）

黄夏留

　　对于FlexScan兄所提到的支持1080@60P的D5端子及24P信号的定位问题，我想在此谈谈个人的看法。

　　大家都知道，D系列视频端子是日本国内的一种视频接口标准，国际上并不通行，最重要的是D系列接口只支持模拟视频信号，不支持数字视频信号，这就注定了它是不可能有长久生命力的，只能是一种阶段性的过渡标准，从目前的趋势来看，支持HDMI和DVI这两种数字视频接口的设备越来越多，这才应该是今后视频接口的发展方向。

　　个人认为，1080@60P在可预见的将来是不可能成为广播电视标准的，因为它所占用的带宽比1080@60I足足高了一倍，目前也听说有任何支持1080@60P的摄像、录制、制作设备，个人理解1080@60P目前应该是一种接收端的后处理技术，即通过类似于像FAROUDJA的DCDi之类的数字视频处理技术将1080@60I处理成1080@60P，但我个人对这种技术的实用性表示严重地怀疑，因为目前还没有听说任何支持1080@60P信号的CRT电视机，而对于固定像素显示设备，这种技术纯属画蛇添足。

　　关于1080@24P，个人认为它绝不是一个过渡标准，只要电影还采用24帧/秒的标准，它就会继续存在下去，实际上，面对当前浩如烟海的基于24P电影资料，很难想象在可预见的将来24P会消失，相反，在今天以及今后相当长的时期内，1080@24P都将是画质最好的民用视频信号。

　　在这里顺便更正一下D兄前面帖子中一个错误，D兄提到“……但是对于运动画面，采用1/24秒的‘曝光’速度肯定不如1/50秒或者1/60秒，……”，很显然D兄误将24帧/秒推断成每帧的曝光时间只能是1/24秒，24帧/秒指的是画面的采集速度，但其中每帧画面的曝光时间则是根据拍摄时的光线强度和摄影/像机的光圈值来决定的，是个变化的值，当然了，不能慢于1/24秒。 [s:30]

　　其实在隔行信号这个问题的观点上，我的观点与D兄并无本质上的差异，我想表达的主要观点就是，在条件具备的情况下，HDTV系统应尽可能地采用24P格式的信号，不管怎样，24P信号在占用了甚至比60I/50I信号还要少的带宽的情况下提供了反而比60I/50I更好的画质。目前使用24P格式最大的障碍在于，过去积累的数量巨大的电视节目都是基于60I/50I的。我们知道，24P信号通过3-2/2-2下拉可以无损地获得60I/50I信号，这种隔行信号不同于由摄像机产生的隔行信号，前者的奇偶两场在时间轴上位于同一个点，所以通过简单的3-2/2-2下拉恢复就可以无损地还原为24P或升格为60P/50P信号，而后者的奇偶两场在时间轴上位于不同的点，所以从理论上就无法无损地转换为24P信号，而原来的525@60I或625@50I的标清信号，通过简单地二次取样，就可以无损地转换为1080@60I/50I格式（注意！仅仅是信号格式的变化，清晰度无变化），因此，为了兼容过去大量的60I/50I格式的节目，HDTV系统不得不仍然采用60I/50I隔行格式的信号。

　　难道在进入了HDTV时代后我们还要继续忍受隔行信号的缺点吗？难道就没有一点解决这一历史遗留问题办法了吗？个人认为，办法还是有的，电视台在有条件的情况下，尽可能采用支持24P的摄像机来拍摄节目，然后通过3-2/2-2下拉将24P信号转换为60I/50I信号，再利用现有的隔行信号处理设备进行后期制作、存储、传输、广播等，在接收端通过简单的3-2/2-2下拉恢复就可以无损地获得60P/50P信号，从而再现原始24P信号优异的画质，特别是对于体育转播这类以动态画面为主的节目。这样，只需通过对电视系统中摄像端和接收端两头的改进，就可以享受到24P信号犹如电影般的画面了，而无需影响到中间庞大的系统环节，这恐怕是目前最好的折中办法了。

[ 本帖最后由 黄夏留 于 2005-10-25 15:17 编辑 ]

wxx-01

好贴啊

yekai

给各位老大推波助澜一下。

1080I和720P之一决雌雄
http://yekaionline.wx-e.com/ht/1080ivs720p.htm

换一个角度看，为什么1080I和720P各有优劣，而1080I更具优势呢？这要分不同的节目内容来说。

1、电视节目、电影等

特点：主要还是静态的画面多，画面的背景也是静态的。

这样，在1080I中，在奇数场获得540行的静态信息，在偶数场获得540行的信息，再利用视觉暂留，获得1080行的图像静止清晰度。而在720P中，虽然明明知道静止的图像画面和背景是相同的或者高度相关的，还是还传输同样的信息。这就是讲，在高度相关的图像内容上，720P的冗余度远远高过1080I的冗余度。

2、体育节目

特点：关注的对象是运动目标；如果聚集在运动目标，则背景在快速运动；总之，画面中在变化的内容较多。在这样的画面中，前后两场的相关性就比较低，冗余度也低。720P就充分利用传输的信息，获得高质量的720行动态图像清晰度。而1080I则由于前后两场极大的不同，而只有540行的动态清晰度。

因此，在表现普通电视节目、电影时，1080I更好；而在表现体育节目时，720P更优。这也就是为什么美国的专门体育频道ESPN要坚持采用720P的原因。当然，考虑到更多的节目是普通电视节目或者电影，更多的电视频道采用了1080I。

chenke

1080I 的动态显示确实有点差

下的TS文件，静态画面的解析度非常高， 但动起来就模糊一片了

D端子(pj2001)

在这里顺便更正一下D兄前面帖子中一个错误，D兄提到“……但是对于运动画面，采用1/24秒的‘曝光’速度肯定不如1/50秒或者1/60秒，……”，很显然D兄误将24帧/秒推断成每帧的曝光时间只能是1/24秒，24帧/秒指的是画面的采集速度，但其中每帧画面的曝光时间则是根据拍摄时的光线强度和摄影/像机的光圈值来决定的，是个变化的值，当然了，不能慢于1/24秒。

谢谢黄兄的指正。其实我这里原来想要表达的是24个画面和60个画面的比较，所以这里的曝光我是加了引号的。我之所以要比较24个画面和60个画面的问题，目的是要强调，采用24P不是因为他对图像的贡献大，而是交换的方便，只要明白这个道理，其它的也就容易明白了。从24个画面通过算法变换到60个画面和原本就CAPTURE60个画面是完全不同的。至于黄兄说的电视台究竟采用24P还是60HZ或者50HZ，则完全是一个综合考虑的问题。首先电视台不会采用24P的格式进行广播，只能沿用关于过去的60HZ或者50HZ，那么前期摄录设备在不考虑今后国际交流的情况下，肯定是直接采用60HZ或者50HZ更为方便。电视台不采用24P广播也是综合考虑的问题，我想全世界那么多专业工作者不会不想到这些问题的吧。

D端子(pj2001)

下面是引用svideo于2004-10-21 1:38 AM发表的 :
D5端子不可能是未来的数字电视接口的方向，只能是个过渡，而且只限在日本的范围内使用。D端子完全是给模拟电视机设计的。1080/60p完全是对应模拟电视机而设计的。
未来的数字显示设备，据说目前已开始3200万象素的开发了。
看你的贴，应该是SONY公司的员工吧，有个问题想请教一下：
D3和D5端子提供的色差信号，其亮度带宽分别是多少呢？要技术上的权威数据。
谢谢。 [s:19]

迷思啊，数字的迷思。我觉得S端子可能走入了误区，你再找几年大概也找不到D端子的带宽数据。模拟带宽和数字带宽是完全不同的概念，模拟带宽是视频信号的最大频率和最小频率的差值，频率越高，说明黑白变化的次数越多，分辨率也就越高。整个视频通带的瓶颈并不在CABLE和JACK，同轴电缆理论上可以传送1GHZ的信号，普通的几百MHZ是很随便的事情，就算1080P，其模拟亮度带宽才多少？几时MHZ而已。所以，模拟视频接口通常是不定义带宽的。数字带宽指的是单位时间里的数据通过量，譬如HDMI的5.5Gbps，当然根据香农定理，和频率有一定的对应关系，但是这和模拟带宽完全是两个概念。
如果你希望了解的是D3和D5对应的1080I和1080P这两种信号格式的模拟亮度带宽，FlexScan兄已经回答了你，不过我认为这些是你早就知道的。

yekai

下面是引用chenke于2004-10-22 10:56 AM发表的 :
1080I 的动态显示确实有点差

下的TS文件，静态画面的解析度非常高， 但动起来就模糊一片了

这应该和你的设备有关系。不是1080I的“原罪”。

chenke

下面是引用yekai于2004-10-22 1:36 PM发表的 :

这应该和你的设备有关系。不是1080I的“原罪”。

PC上用VLC MEDIA PLAYER放的TS文件
码率15M，1920*1080i

我的显卡是9700，设备绝对达到要求的，除非是TS文件的问题，但这个TS文件是直接截的卫星信号

截图在这里
http://www.jd-bbs.com/read.php?tid=396152