实战高清晰时代 视频输出的革命

谈谈信号传输的种种格式


对于视频信号来说，目前的完美的信号输出还是DVI，不过这对于大多数人的硬件设备来说都是不合实际的。无论是电脑还是电视我们更多打交道的都是模拟输出的种种，下面我们分别看看这些输出的理论，并帮助大家分析他们对于还原视频信号的影响。

什么是色差信号？

色差信号英文叫做Component Video或者 Color Difference Video。谈到它就必须从黑白电视说起，在黑白转彩色电视时为不影响黑白电视的信号，而又能收到彩色信号，因此电视信号除了传送原来的灰度信号Y以外，再用次载波（3.58MHZ）来传送色差信号B-Y(读做B减Y)及R-Y，而不是传送RGB三原色信号。那么这些信号表示什么呢？现在我们分别用4种颜色（100%白，100%红，100%蓝，100%绿）来说明Y与B-Y及R-Y之间的关系。

当100%白色时：
我们由黑白摄影机摄得100%白色时我们得到1个单位的电压；再把白光中的蓝与绿用滤光镜过滤掉得到纯红色的光，这时候黑白摄影机上感应到的电压是0.3；以相同的方法分别得到纯蓝光及纯绿光在黑白摄影机上感应到的电压分别为0.11及0.59所以我们得到的Y及R-Y . B-Y信号电压分别如下表：


在彩色电视中，我们以此种色差信号来分别传送辉度信号Y及次载波(3.58MHZ)的上下旁波带来分别用相位调变方式来载送B-Y及R-Y的彩色信号；如此一来既不影响黑白电视的Ｙ信号的收视，又可将彩色信号RGB信号传送给彩色电视的最佳方式。

色差信号Y,R-Y,B-Y信号一般通称为Y, Cr,Cb; 习惯上Y,Cr,Cb为数字(PCM)的色差信号，模拟的色差信号则称Y,Pr,Pb，所以我们常在DVD Player的内部看到Y,Cr,Cb而在DVD Player的外部看到色差输出标示为Y,Pr,Pb或YUV；YUV则是在欧洲电视系统PAL中的色差信号的通称，包含数字及模拟的色差信号都称YUV，所以当您看到YUV时您就要联想到它是PAL系统中的Y,R-Y,B-Y信号，它可能是数字（PCM）的YUV，也可能是模拟的YUV。

在色差信号由模拟转换成数字的Y,Cr,Cb(或称ITU-R BT.601信号,简称Rec.601信号)的过程中涉及了取样(Sampling)技术；在Rec.601中，我们用13.5mhz的取样频率将4.75MHZ频宽的Y信号分成每秒13.5M次的8位员或10位的PCM（pulse code　Modulation）信号来表示模拟的振幅（Amplitude）大小。

相同的，如果我们也采用13.5MHZ的取样频率来分别将B-Y及R-Y转换成8 bit或10 bit的PCM信号则称为4：4：4, 但如此则数据量太大；由于人的眼睛在结构上对于彩色信号的解析辨识率低于黑白的辉度信号，所以让我们得以用较低的频宽来表现色度信号（Chroma），同时也可用较低的取样频率6.75mhz（13.5MHZ的一半）来取样B-Y及R-Y；而这种以13.5MHZ取样Y信号及6.75MHZ取样的Cr,Cb信号我们称之为4：2：2。

在MPEG Ⅱ中为进一步压缩，将B-Y及R-Y的频宽再减一半，取样频率也由6.75MHZ再进一步减为3.375MHZ，也就是每取样4次辉度信号才分别取样一次Cr或Cb信号如下图：

这种取样方式我们称之为4：2：0，也就是MPEG Ⅱ中的Y,Cr,Cb的数字取样方式.
　
什么是复合信号？

复合信号又称composite Video，是电视上最常见的信号输入系统。

色差信号Y,Cr,Cb的色度信号Cr,Cb也就是R-Y及B-Y的信号经3.58MHZ的次载波用相位调变的方式将Cr与Cb合而为一的色度信号C（Chroma），再加上单独的Y信号,两种个别的信号合而为一个的端子叫Y/C信号；再进一步的将3.58MHZ的C信号调变到Y信号合而为一种信号成为6MHZ频宽的复合信号以方便电视信号的传送，这种复合信号我们称为Composite Video或简称Video，一般Video的输出或输入都采用与音响相同的梅花形RCA端子并以黄色以区别于音响的红色与白色的左右声道。

S-Video如何来

在彩色的电视信号是将R-Y及B-Y(或称”Chroma”色度信号)以3.58MHZ的次载波载送在Y信号里，这时我们称之为复合信号（Composite Video），这时我们需要一个滤波器将3.58MHz的 Chroma信号由复合信号中分离出来成为Y.C信号或称S-Video。

而这个滤波器由于内部的形状长的像二个面对面的梳子,所以我们称之为梳形滤波器(Comb filter)，它的功能就是将复合信号中的Y信号及C信号（B-Y.R-Y）分离; 分离的越好，画面会越清晰，色彩更鲜明，所以一般越大尺寸的电视采用的梳形滤波器越高级越精密，以期得到更好Y/C分离信号，相同的也可取得更精准的ＲＧＢ三原色信号。

从上面的种种理论中，我们得知这几种模拟视频信号的处理方式中，因为对于模拟信号来说衰减是不可避免的现象，所以信号分离度越高的信号清晰度就越高。因为色差信号是视频输出质量最好的，而且要实现480P的视频质量，就必须通过色差信号；而S-video就差了很多，至于复合信号，则是最差的。后面的实验章节我们将用对比图详细的说明这个问题。
实验：信号输出质量的实际对比

有些朋友看了这么多的理论，开始疑问了，你说的这么多的差异，但是我们实际观看的时候，真的可以看出来差异么？那么，就让我们开始一次实测对比吧。

这一次的测试的平台和以前的不同，不是来自电脑系统，而是来自我们日常使用的电视，这款型号为V3426的电视是国内坚定走HDTV数字电视路线的厂商厦新之产品，也是我们同事家里购买的支持HDTV ready的新品，因此被我们征用来做视频信号测试用。

所有的测试画面都是用索尼F717相机从电视上直接拍摄的，我们没有对其作任何有改变画质的后期处理。确保画面效果的原汁原味。

第一战：家用DVD机

我们测试用了一台普通的家用DVD分别采用不同的输出方式在电视显示一幅来自于THX的标准测试图。

全图效果如上

从左到右分别是：色差信号、S-Video、复合信号

在家用DVD输出的这几种信号中，我们可以看出，色差信号的图形色彩的分离度最好，在S-Video和复合信号都出现了的色彩的衍散（注意粉色和绿色的交叉处）在色差信号中就不可见。而且其色彩的准确度和观感都是最好的。S-Video的色彩还原和复合信号相比稍微好一些，不同颜色之间的干扰也比复合信号要轻。

而且因为色差信号实现的是真正的480P的逐行输出，我们可以看到和仅仅只能输出480i的S-Video和复合信号相比，它的各种线条的还原都是最完美的，圆得圆，直的直，饱满而厚实。（注意观察白色线条和中间的白色圆点）S-Video在细节处稍好于复合信号。

总体看来，在家用DVD播放器上色差信号的输出质量的优势非常的明显。而我们一贯认为不错的S-Video虽然比复合信号有进步，但是效果和色差信号比起来就是被落下好大一截了。

不过，当我们用这些图来比较在电脑上直接数字截图生成的基准图的时候，我们会发现即使最好的模拟信号色差信号输出与真正完美的数字输出还是有较大差距，看来DVI数字信号还真是未来一切High Definition视频信号的终极之路。
第二战：Play Station 2

作为Sony家庭娱乐终端的PS2自然也支持包括色差信号在内的种种信号输出方式。不过实验以前我们先要解释一点：因为PS2游戏本身编写的原因，大部分PS2游戏不支持逐行的480p色差信号输出，所以我们选择了PS2回放DVD影碟来对比他的信号质量。我们来看看对比图，用的影碟是《终结者2》极限版的同一帧截图对比。

这是色差信号的画面

这是S-Video的画面输出

这是复合信号的画面

色差信号在这里的优势是非常明显的，不用比较线条细节，单单是色彩还原的效果就让S-Video和复合信号无地自容了。至于S-Video和复合信号的差别，大家在这种图上可能看不出来，没关系，我们下面给出局部截图。

左图为复合信号、右图为S-video


说实话，在局部截图中我也不大可以看得出S-video比复合信号的优势，不过整体色彩和细节上S-Video的确艰难的稍胜复合信号一点。

• 
  第三战：电脑显卡视频输出
  
  这几年来，电脑显卡的视频输出已经成为了标准配置，但是其方式仅仅局限于S-Video和复合信号。我们一直听说有通过标准DVI转换或者VGA接口转换成为色差信号的设备，但是一直没有得见。
  
  上图是ATi所展示的适用于镭系列显卡的种种色差输出设备。但是在国内我们都无法获得这些产品，因为电脑显卡的高质量画质，所以其是非常适合作高清晰视频的输出实验，不过没有线材我们该怎么办呢？
  
  
  但是随着X800系列显卡在国内的上市，我们发现转机来了。上图中我们看到针对R9700和9800系列有一种专用的A/V OUT 色差的线，只要插在视频输出接口上，就可以直接输出色差信号。
  
  
  我们在送到评测室的盈通X800Pro的配件中发现了这根宝贵的配件，立即欣喜若狂，开始了我们的显卡测试。
  
  
  显卡测试我们就利用了网页输出来观察信号质量，结果证明这种大量文本的画面非常适合比较各种信号的品质，请看：
  
  
  这是复合信号，你能看清什么？很吃力，这种网页显示质量几乎没有可读性。
  
  S-Video给人感觉好了很多，真的有很大的进步，起码我可以依稀辨认这些字是什么了。但是比较我们日常用的显示器，饶了我吧，这样的画面也许更适合浏览图片，看网页和文本还是算了。
  
  恩？这是什么，你在给你的显示器拍照么？非也，这就是在HDTV Ready的电视上，用色差信号显示的480P的网页效果，怎么样，如果不说的话，你能看出这是视频输出的信号么？色差信号让显卡的视频输出有了真正的用武之地，配合准系统，我们可以考虑在客厅巨大的电视上和全家一起看看清晰的DVDRip，浏览一下照片（如下图）：
  
  也可以抄起家伙在电视上和朋友来一仗警匪大战，因为电视对于色彩还原和尺寸的优势，其实玩游戏的效果比小小的显示器爽快多了，而有了色差输出，连信号质量也不差了。
  
  
  看到了色差给我们的巨大的视觉震撼后，我们发现这台HDTV Ready的电视还有一个标准的VGA接口，那么这个VGA输出和色差信号相比又如何呢？我们来看看，同样的网页的截图：
  
  经过VGA输出的信号在电视上达到了分辨率800x600的水平，这比较色差的720x480的确要更精细了一些，但是我们发现色彩还原好像却不如色差艳丽（养眼）了。不信看看下面的图片和色差信号的比一下。
  
  VGA给人的感觉是精细，但是感觉整体的色温升高了。和色差信号的感觉可以说是各有所长，就看你的爱好了。不过VGA的好处是，任何显卡都可以直接输出信号，不用再费力去找那根罕见的色差信号接头了。
  
  通过各种不同设备的视频输出到电视的信号的比较，我们可以看出色差信号的效果的确是传统的模拟输出中最优秀的。完全应该作为组建当前情况下的家庭影院或者电脑数字媒体中心的首选连接方式，而用PS2、Xbox这样高档游戏机的朋友也要考虑换用色差信号线，配合高清晰度的电视，可以感受到格外鲜活的动感画面。
  
  至于S-Video和复合信号，他们放放VCD，配合老款的游戏机信号质量还勉强可以接受，但是在这个DVD无比普及和DTV、HDTV Ready满天飞的时代，还是让我们忘了他们吧。
  
  
  不过，除了信号输出的方式以外，最终影响我们的视觉观感的参数还有色温，亮度，对比度等等，因为这些参数即可以应用于电视机也可以是用于我们的电脑显示屏，所以我们也在最后章节写出来，给大家做个比较详细的参考说明，并且帮助大家更科学的调节自己的显示设备。
  什么是色温? 色温对我们的视觉有什么影响？
  
  色温的单位是度K， 也就是绝对温度的单位，摄氏--273度C是绝对温度0度K，所以说水的冰点是273度K，沸点是373度K。
  
  色温是自然界的一种现象，当宇宙在没有太阳，没有任何发光体的恒星时，这时的温度是0度K，就是如黑洞一般任何物质都是黑色的；当物质被加热(如太阳燃烧到表面温度的5000度K)时物质所辐射出的能量，其中就包含可现光的频谱红.澄.黄.绿.蓝.靛.紫及红外线.紫外线.γ.β射线等等不同的频谱。
  
  色温是发光体表面的温度，所产生出的频谱与光源的强度大小无关，也就是说，此光源照到一张白纸时看起来的感觉; 如在钨丝灯光下看一张白纸就是红红的，在日光灯下(4,500度K)就有点偏黄，在日正当中时有点偏紫，所以在赤道地区的风景海水特别的湛蓝，蓝到有点偏紫(约13000度K~15000度K) 。
  
  以钨丝灯泡来说，钨丝被通电加热到约2,200度K，其所产生的光线是近于红色; 日光灯是用电子撞击荧光体，其撞击时所产生的色温是约4500度K ；标准CRT电视的P22荧光体被电子撞击时所产生约7,300度K的色温。而我们中国人习惯的电脑显示器的色温则是9300度K。
  
  色温是人眼对发光体或白色反光体的感觉，这是物理学.身理学与心理学的综合复杂因素的一种感觉，也是因人而异的。色温在电视(发光体)或摄影(反光体)上是可以用人为的方式来改变的，例如在摄影上我们用3,200度K的白炙热灯(3,200度K)，但我们在镜头上加上红色滤光镜滤通过一点红光线使照片看起来色温高一点；相同的道理，我们也可以在电视上减少一点红色(但减太多多少也会影响到正常红色的表现)让画面看起来色温高一点。
  
  在色温上的喜好是因人而定的，这跟我们日常看到景物景色有关，例如在接近赤道的人，日常看到的频均色温是在11000度K(8000度K(黄昏)~17000度K(中午))，所以比较喜欢高色温(看起来比较真实)，相反的，在纬度较高的地区(平均色温约6000度K)的人就比较喜欢低色温的(5600 度K或6500度K)，也就是说如果您用一台高色温的电视去表现北极的风景，看起来就感觉偏青；相反的若您用低色温的电视去看亚热带的风情，您会感觉有点偏红，所以这也是摄影师要用他的摄影机去做一些色温上的调和工作的时候，选择滤光镜及底片或VCAM摄影机上的色温选择并考虑到观众的显示设备(如电视或电影放映机上的色温)来做调和，便观众能到最接近实际景色的感觉。
  
  话说回来，电视或者显示屏的色温是如何界定的呢?因为在中国的景色一年四季平均色温约在8000度K~9500度K之间，所以电视台在节目的制作都以观众的色温为9300度K去摄影的。但是欧美因为平时的色温和我们有差异，以一年四季的平均色温约6000度K为制作的参考的，所以我们再看那些外来的片子时，就会发现5600度K~6500度K最适合观看。当然这种差异使我们也会因此觉得猛的看到欧美的电脑或者电视的屏幕时感觉色温偏红，偏暖，有些不大适应。
  　
  
  
  LCD与CRT哪一种色彩还原能力强?
  
  这个问题玩电脑的朋友们觉得答案好像理所当然的应该是CRT。但事实呢？
  
  LCD的发光体是冷阴极管加上RGB滤光器分别滤出RGB的光谱后，可以看出因为过滤出的频谱并不很纯正，所以色再生能力约在30%(Note Book)~50%(LCD Monitor)，在电视专用的LCD面板方面，在冷阴极管及滤光镜改良后色传真度则可达75%~85%(NTSC制式)，传统CRT则约在65%~75%之间。在SONY的特丽珑，因为初衷是为专业美工设计的，所以色再生能力可达85%以上，色偏也很小，再加上后天上专业的校色则可达95%的色再生能力及更小的色偏。
  
  相对而言，色彩还原能力电视用LCD已经在普通的CRT电视之上了，不过珑管在色彩还原的方面的造诣还是无出其右的，所以它是一切印刷与美工必备的设备。
  
  不过虽然各种显示设备的色彩还原能力离完美差的比较远，但是因为人的眼睛对色彩差异的敏感度很差，所以实际感觉上差异不会那么大。因此即使是30%-50%的电脑LCD我们也看得津津有味。
  
  
  什么是Gamma值曲线?
  
  我们在显卡的调节属性里或者游戏的选项中总是看到一个属性叫做Gamma值，但是你知道这个值的具体含义么？
  
  Gamma值是用曲线表示的，这是一种人的眼睛对光的一种感应曲线，其中包括了物理量、身理感官及心理的感知度。
  
  在物理量方面是比较单纯的度亮单位cd/㎡; 但在生理上则因人而异，例如小孩、青年、中年人及老年人甚至色弱的人或色盲的人所看到的同一画面都会不同，对应的曲线也会有所不同;在心理的感受上，则会更复杂的牵涉到环境的背景亮度。对一个正常人来说，人的眼睛对光的感应曲线是一“非线性”的曲线，而且对我们显示器上的三种发光体RGB也分别感应出三种不同的曲线，所以在设计显示器的RGB三个发光体的时，同时我们就做了三种的Gamma曲线来分别对应三种RGB的发光体，去分别对人的眼睛内的三种感光细胞，这就是发光体的Gamma值。
  
  显卡设置中总能看到这样一条曲线，就是Gamma曲线。
  在心理感知度上，由于我们常人的眼睛最大能分辨的差异(阶层)是1/100，也就是说在100烛光的画面中您最大可能分辨的是99烛光或101烛光，但当您在暗的环境下看暗的画面 例如1烛光时，则此时您可以分辨出0.01烛光的差异，也就是说在一烛光以下我们常人还可以分出100个以上的阶层，但由于显示器无论是PDP或LCD在全暗的画面时最低能表现的只有0.4~0.8烛光，所以我们所谓的对比，是指最亮除以最暗。所以如果一个显示器若要完整的表现出高度真实的画面(无论是高亮度的画面或低亮度的画面)，则显示器的对比很少必须5000:1以上，而我们的显示器由于成本的考虑，我们只能做出500~1000:1时，我们就必须用Gamma修正来作补偿，也就是在较暗的影片我们选择较高的Gamma值(如2或3，甚至4)，以牺牲部分亮部的层次来获取更多的暗部层次;相反的在一些较亮的影片(外景较多)则我们则选择较低的Gamma值(如0，-1甚至-2)以牺牲部分的暗部层次，来使得亮部层次(如云层)能更分明。
  
  在实际的景色环境中，您极少可能从很亮的画面瞬间进入很暗的画面，但在电影或电视和游戏画面上则我们经常会突然从很亮的画面进入很暗的画面，或从很暗的画面进入很亮的画面，因此正确的Gamma曲线设定可以帮助我们获得最真实的视觉感受。
  
  对比与亮度
  
  我们买显示设备时，对比和亮度是两个对观感很重要的数值，但是在规格上对比与亮度是很不客观的，各厂牌的标示都没有统一。
  
  由于PDP等离子显示器上有一紫外线滤光镜，加上此滤光镜后一般来说，亮度会下降的45~55%，对比也会下降约10~20%，再加上环境灯光的反射，对比值会更为降低，所以一般对比后面都会有注明是在全暗的环境下测得的。
  
  以亮度来说，厂商一般标示的是最大亮度，但此种标示方式是非常含糊不清的，因为最大亮度是在所有出厂的显示器中只测到一台能达到还是99%能达标厂商们一向讳莫如深。总之，亮度与对比值的标示方式总是暧昧不清，所以最好大家最好购买显示器还有电视的时候自己去看实验，看看能否达到让你满意的效果在做决定。
  
  一般来说LCD Monitor的对比大约是250cd/㎡~350 cd/㎡电视大约是400~550 cd/㎡，自然界的景致在日正当中时约1700 cd/㎡~2500 cd/㎡。在对比方面，LCD Monitor的对比大约是350:1~500:1，电视大约是500:1~900:1，自然界景色最大的差异约在5000:1。
  [写在最后]
  
  本文是我们第一次尝试写电脑硬件之外的应用文章，但是对于和大家息息相关的电视，以及面对铺天盖地的HDTV数字电视的宣传，我想大家一样需要向指导选购电脑硬件般的详细地技术指导文章。
  
  DTV数字电视和HDTV Ready是目前市场的主流，而真正的高清晰度HDTV是未来的必然趋势，也是英特尔微软号召的数字家庭中不可或缺的一个部分，我想大家花力气读了这篇文章，在现在或者未来面对数字时代的电视的选择时，能够有所主见。而对于现在那些想构建自己的高质量多媒体卧室的朋友，我想说，大家也可以充分的发挥现有资源的效果，色差信号真是一个好东西。花几十元改进一下信号线，获得的视觉回报却是成倍的，何乐不为呢？
  
  笔者在写此文的时候，也是参考了大量的技术资料，从HDTV官方论坛和国内著名的家电论坛那里学到了很多相关得知识，但是毕竟有些现学现卖的意味，希望大家可以将不足的地方指出。以便我们日后更进一步。
  
  [附录：ATi显卡使用色差信号输出的控制面板简介]
  
  当我们用色差信号接口连接好电视和显卡的时候，我们就可以在显示属性的控制面板里看到YPbPr的色差面板自动打开了。但然如果你不想使用电视或者监视器其中的一者，也可以利用控制面板显示设备名称左上角的按钮，手动关闭其中的某个设备。
  
  格式选项可以设定你的显卡能支持的解像度输出。这里除了HDTV的标准分辨率之外，还多了一个夹在中间的540P。不过这个设定请大家针对自己的电视量力而为，因为一旦启用了720P或者1080i模式，恐怕没有几台CRT HDTV Ready电视真正的支持这么高的物理分辨率，所以花屏可能会是等待你的唯一结果。
  
  调整可以根据你的需要调节显卡的色彩输出和效果，这样就能充分的针对不同的显像管的特性设定出有针对性的最佳效果了。
  
  最后的高级选项，可以微调节电视画面的位置，保证输出画面能够处于电视的屏幕上你满意的位置。而勾选保持纵横比，可以稳定画面的比例不变形。