電視清晰度的悄然進化

馬亞乾

【摘 要】 對事物的逼真清晰再現是人類奮斗的目標。電視清晰度悄然發生進化，高清電視已經實現，超清、超高清已然眼前。

【關鍵詞】 電視清晰度 數字技術 實現

一、傳統模擬電視制式的清晰度概念

清晰度是人眼對觀察場景的最直觀感覺，清楚逼真就是清晰度高。可以定義為一定距離和單位尺度內人眼能分辨的最小單元數或最細條紋數的相對多少。

1.清晰度的生理學來源：人眼觀察和分辨圖像細節的能力也就是視覺銳度可以用能觀察清楚的兩個點的視角θ來表示，假設畫面高度為H，在垂直方向上有在距離為L處可以分辨清楚的條紋數是M，則視敏角θ可表示為：θ=h/L（弧度），因為每條線的寬度為h=H/M，則有θ=H/（LM）（弧度），將弧度化為角度后，則為θ=3438H/（LM）（分），也就是M=3438（H/Lθ）。

顯然，清晰度是一個相對的概念，隨著觀察距離、圖像高度的不同而不同。相對圖像尺寸或顯示屏幕大小來說，能分辨的細節就越多，單位尺度范圍內條紋數越多，圖像就越清晰，也就是清晰度就越高。大屏幕電視尤其是LED屏近距離看清晰度是非常糟糕的，而高清手機屏雖只有幾英寸，近看卻是相當清晰的，原因就在于此。

試驗表明，人眼的視敏角是1--1.5分，觀看圖像的最佳距離是畫面高度的4倍至5倍時，總視角約為15度，可以保證人眼不轉動就能看到完整的畫面。這個距離，既可以避免因過近觀看時眼球需要不停地轉動而引起眼疲勞，又可以避免過遠觀看時對圖像辨別能力的降低，以及防止畫面以外的景像進入視野中。如果選擇觀看距離L為畫面高度H的5倍，即L=5H，將其與視敏度θ=1.5分一起代入上式后，則為：M=3438×（1/5）×（1/1.5）=458（線）。這就是在最佳觀察距離內正常人眼分辨力458線的來源。

2.電視清晰度的技術來源：電視圖像是對過去事物或遠距離事物的技術再現，其逼真程度就是電視清晰度。嚴格定義是：圖像在等于屏幕高度的尺寸范圍內可顯示的條紋數。無論在水平方向還垂直方向都是一樣的，不過在水平方向叫水平清晰度，垂直方向叫垂直清晰度。國際標準規定，采用標準測試卡或具有100%幅度正弦波的復合測試信號（在屏幕上表現為黑白像點）來測定圖像的水平清晰度。只要在屏幕上確定最高可分辨的正弦波頻率f，也就是帶寬，那么水平清晰度H就是（2fT）/k（式中k是圖像寬高比或叫幅型比，T是行掃描正程期）。我國使用的PAL-D制式標準是1秒內625行50場隔行掃描，就是說行頻是625*50/2=15625Hz，T=52，k=4：3，屏幕上水平方向可分辨的條紋數是104f，水平清晰度H=78f。這就是1MHz帶寬約等于80線的由來，PAL制圖像信號的最高頻率為6MHz，因此PAL制彩色電視的標準信號可提供的最高水平清晰度為468線。

垂直清晰度也可描述為在垂直方向顯示的可分辨的最大黑白條紋數，理論上可理解為一條正程掃描線就是一條紋，那么按照我國PAL-D制式標準，共有625行掃描線，但除去逆程掃描49行，理論上的有效行為576行，由于隔行掃描和孔斕效應，最后能實現的垂直清晰度只能430線左右。

二、數字電視制式的清晰度概念

從節目采集、節目制作、節目傳輸直到用戶端都以數字方式處理信號的方法就是數字電視技術，當原始的模擬信號轉換為數字信號時，取樣樣點構成數字圖像的最小單元，也叫數字圖像的像素，水平方向即每行的總樣點數乘垂直方向的總樣點數或有效行數也就是一幅數字圖像的分辨率。以PAL制電視來講，行頻為15625Hz/s，如果以帶寬6MHz作為圖像信號最高頻率，那么每行能顯示ft=6000000/15625=384周。如果正半周為白，負半周為黑，每個行周期能顯示768條黑白線。理論上的有效掃描行是576行，768×576就是常規電視最高分辨率，也就是數字電視技術規定的標清電視最高分辨率。但由于顯示屏制造工藝流程和電視制式的原因，標清電視分辨率是720×576。

那么數字圖像的分辨率就是它的清晰度嗎？根據前面的討論，顯然不是一回事，分辨率是對圖像的采樣結果，或是顯示屏整體像素結構，清晰度卻是人眼的主觀感覺，但高分辨率一定是高清晰度的前提條件。如我們常見視頻分辨率：VCD是350×280，DVD是720×576，小高清電視是1280×720，真高清是1920×1080，清晰度就是依次升高的。

三、數字化（攝像、處理、壓縮、傳輸和還原）技術的突破

近年來，由于數字電路技術和大規模集成電路技術的高速發展，高清電視攝像、處理、傳輸及還原再現技術日益成熟，而且另辟蹊徑發展一套完全有別于傳統電視制式的電視節目收發體制，即數字電視或IP電視，不僅改變了過去被動收看為節目點播和互動參與，還使過去難以想像的高清電視現已基本普及，并將向更高清晰度超清電視邁進。上世紀80年代，日本公司投巨資研究高清模擬電視，美國則另辟溪徑，著手研究高清數字電視。結果日本的投資打了水漂，白白浪費了寶貴時間、金錢和精力，10年后還得走數字化電視這條路

傳統電視不管采用什么制式，一個頻道都要占用6-8Mhz帶寬，在寶貴的常規頻道資源中也只能傳輸幾十套節目。按照前文的計算，如果要達到1000線的水平清晰度，將需要13.5Mhz帶寬。如果是逐行掃描，則需要30MHz的帶寬，從頻道資源上來說，這將是巨大的消耗和不可承受之重。而采用數字傳輸制式，其數字帶寬就是數字模式下數碼率，亦即在單位時間內系統傳送的數據量。這樣就避開了傳統頻道和帶寬的限制。又如一張分辨率為1920×1080的高清彩色照片約有6MB的數據量，如果按電視制式播放每小時將產生540GB數據量，而播放標清電視需要數據流量才108GB。高清電視傳輸和播放需要的數據流量是標清電視的五倍以上，這么大的數據流量是常規電視體制難以承受的。

隨著數字壓縮技術的發展，這個問題得到完美解決。如對傳統電視的數字化改造，在有線數字電視系統，在一個8MHZ的頻道可以傳輸標清節目7套；如果要加一套高清，那也可以傳輸3套標清節目。更有前途的數字電視發展的另一方向就是交互式網絡視頻，只要網絡寬帶允許，不管標清、高清、甚至超清都不是問題。如現在家用寬帶網絡20M帶寬已能實現標清和高清電視的正常收看。

結束語：真實再現不是夢，隨著5G技術的發展和成熟，將以數百倍于當前網絡傳輸速度實現萬物互聯，高清、超高清視頻的實時傳輸和再現將成為現實。