高标清电视关键参数指标对电视画面的影响

张国森

（中央电视台技术管理中心，北京 100859）

当今是一个标准清晰度电视（以下简称“标清电视”或“标清”）与高清晰度电视（以下简称“高清电视”或“高清”）并存的时代。高清电视已经进入了越来越多的家庭，人们对高清电视发展和高清节目制作的关注也日渐增加。与电视节目制作有关的工作人员，如照明、舞美、化妆、装置等相关人员，应该了解标清电视、高清电视的基本技术参数及二者的区别，在实际工作中重点把握各自关键特点，让电视画面更美、更生动。

1 高清电视与标清电视的技术指标差异

清晰度，顾名思义是指图像的清晰程度，它是电视画面的一个重要参数。高清电视的最大特点就是其清晰度远高于标清电视。表1对比了标清电视与高清电视的技术指标。

两者的区别在于：

（1）有效行取样数、有效帧取样数有很大的不同，标清电视是720×576；高清电视是1920×1080。这是两者的本质区别，标清电视与高清电视就是因此而得名。

（2）亮度取样频率、色度取样频率有很大的不同，如果亮度与两色差信号取样值按照4∶2∶2为例，从表1中可以看出，高清的取样数值远远高于标清。

由于高清要处理的信息量远大于标清，因此，高清要用更高的频率去取样才能保证高质量的电视画面。

（3）量化等级主要决定了电视画面的灰度层次。标清、高清二者数值一样，即二者的灰度层次相同。

（4）基准黑、白电平主要决定了电视画面的动态范围，或称作对比度。标清、高清二者数值一样，即二者的动态范围或对比度相同。

需要说明的是，以上几点区别和相同点是就电视节目制作环节而言。观众在实际观看标清电视和高清电视时，还是会感觉到差异很大，这与很多因素有关，对此本文不做详细讨论。

表1 标清、高清技术指标对比（视频采样频率4∶2∶2）

2 影响电视画面清晰度的关键参数

下文分析电视画面的清晰度与哪些因素有关。

2.1 像素点

清晰度受“像素点”的多少和大小影响。

人眼能否看清东西，与许多因素有关。一些广场上的LED大屏幕，从远处看，是连续的画面，走近观看，则是一个个的“点”。这说明，由许多“点”组成的画面，与观看距离有关：在一定的观看距离外，人眼分辨不出两点之间的距离时，画面就变成连续画面。另外，画面还与“点”本身的大小有关，如果“点”越小，而且两个“点”之间的距离越近，连续画面的观看距离就可以越近。对于同样大小的画面，“点”越小、越多就越清晰；同样多的“点”，远一些比近一些画面清晰。

电视画面就是由许多“点”组成的，只不过电视画面上的“点”很小很小，以致在很近的距离看，画面都是连续的。电视画面的“点”通常称为“像素点”。高清电视画面的有效“像素点”有207万个，标清电视画面的有效“像素点”为41万个，高清电视的“像素点”差不多是标清电视的5倍，因此，高清电视画面的清晰度远高于标清电视。

2.2 信噪比

信噪比也是影响图像清晰度的一项重要指标。

2.2.1 信噪比的概念

所谓信噪比就是指有用信号功率S与噪声功率N的比值，记作S/N。

图像的清晰度与声音的清晰度有相似之处。声音是否能被听得清楚，并不完全取决于音量的大小，还与环境的噪声大小有关。学术上，把有用的声音叫“信号”，无用的声音叫“噪声”。例如，一台收音机，有用的声音信号是500 mW，噪声是5 mW，两者相差100倍，这时声音会很清楚；另一台收音机，有用的声音信号是1000 mW，噪声是500 mW，两者只相差2倍，虽然有用的声音信号很大，但噪声跟它很接近，因此就听不清楚。

信号与噪声的比值再取（以10为底的）对数称为“贝尔”。由于“贝尔”这个单位较大，通常都用它的十分之一作单位，叫做分贝尔，简称“分贝”，标准单位符号为“dB”。信噪比用分贝表示有一个好处，如果用绝对比值表示，信噪比数值很大；用dB表示，数值会小很多。例如，如果信号是噪声的100000（105）倍，用分贝表示为50 dB；信号是噪声的500000（5×105）倍，用分贝表示为57 dB。也就是说，它把倍数很大的量变成了很小的量。

2.2.2 电视图像的信噪比

电视图像质量的一个重要指标就是信噪比。与噪声相似，电视图像的无用信号叫“噪点”，如果信噪比是50 dB，图像有少量噪点，但图像清晰；如果信噪比是60 dB，则看不出噪点，图像质量优良。

为了排除技术进步对标清、高清电视技术指标的影响，笔者将同一生产厂商在同年代生产的标清、高清、演播室用和便携等各类摄像机的相关技术指标和参数进行汇总，见表2。

从表2可以看出，标清摄像机与高清摄像机最显著的区别在于：

（1）“像素数”不同。其主要的主观感觉是清晰度的不同。这是由标准规定的。

（2）“信噪比”不同。高清摄像机的信噪比明显低于标清摄像机的信噪比。主要因为，高清摄像机“像素点”比标清电视小很多，在同等照度的情况下，每一个“像素点”产生的有用信号，高清摄像机比标清摄像机要小很多，而两者产生的无用噪点却基本一样，从而造成两者的信噪比差别较大。

2.3 景深

景深对画面整体的清晰度也有影响。

2.3.1 景深的概念

图1是几何光学的成像原理示意图。为了说明原理，本图的局部比例比较夸张，并未按比例绘出。

表2 几种摄像机的相关技术指标对比

图1 几何光学成像原理示意图

图2 光圈与景深的关系

图3 标清摄像机与高清摄像机成像对比

图1中，A、B、C为三个不同距离的景平面（几何光学中通常称为物平面）上的点，在镜头后面的三个焦平面（聚焦成像的平面）上成像为a、b、c点。当感光元件位于a点所在的焦平面上时，A点将准确聚焦在感光元件上，画面将呈现一个清晰的“点”。而B点的焦点超前，如果在b点所处的焦平面上已经准确聚焦，则在a点所在的焦平面上已经扩散为一个圆。C点则是另外一种情况。C点的焦点滞后，如果在c点所在焦平面上才能准确聚焦，则在a点所在的焦平面还没有完全聚焦只是一个还没有完全聚拢的圆。这个已经扩散的或还没聚拢的圆称为“弥散圆”。

任何感光元件的分辨率都不是无限的。当“弥散圆”的直径小到一定程度，感光元件已经分辨不出“弥散圆”和“点”的区别时，这个直径就叫做“允许弥散圆直径”。（一般135胶片的弥散圆直径取1/30 mm=0.033 mm）

图1中，当C点、B点在a点所在的焦平面上形成的“弥散圆”正好是“允许弥散圆”直径。那么，C点所在景平面到B点所在景平面的距离就叫做“景深”。

2.3.2 影响景深的因素

镜头景深的大小受以下几个因素的影响：

（1）镜头的光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。

（2）镜头的焦距：焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。

（3）拍摄的距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

实际拍摄时，拍摄距离及镜头焦距都是由场景及景别决定的，光圈则根据照度和景深的需要而定。在正常曝光的情况下，摄像机的进光量是固定值，演区照度高了，摄像机的光圈就要缩小。光圈小了，景深就会加大。光圈与景深的关系如图2所示。从图2可以看出，缩小光圈可以明显加大景深。当然，景深没有“突变”的界限，而是逐渐变化的。

除了镜头对景深的影响以外，摄像机的分辨率和灵敏度也影响景深的大小。为了简化问题，在此只讨论高、标清的区别。假设选定相同的镜头、同样灵敏度的摄像机，拍摄相同的场景。这样，就只有高、标清摄像机的感光器件的分辨率不同了。如果，用图1表示标清摄像机的成像的景深状态，那么，高清摄像机就会出现如图3的情况。

据前文所述，高清电视的“像素点”几乎是标清电视的5倍，因此，在感光元件面积基本一样的情况下，高清摄像机每个“像素点”的面积约为标清的1/5。可以认为，感光元件单个“像素点”的面积是摄像机“允许弥散圆直径”的重要依据。高清摄像机较小的“像素点”对应了较小“允许弥散圆”的直径，从而使得高清摄像机在外部条件相同的情况下，只能获得较小的景深。

3 测试实例分析

3.1 测试条件

中央电视台曾经在基本条件相同的情况下，对高、标清摄像机进行了一次较客观的对比测试。测试现场如图4所示。基本测试条件如下：

图4 测试现场

图5 标清摄像机画面

图6 高清摄像机画面

图7 标清画面局部截图

图8 高清画面局部截图

测试环境：在中央电视台的800 m2演播室

测试用摄像机、镜头及测试仪器、仪表：

（1）高清摄像机1台，型号：松下AK-HC930MC

（2）标清摄像机1台，型号：池上HK-388PW

（3）使用镜头2只，型号：佳能HJ17e*7.7BIRSE

（4）高清标清监视器BVM-D24，2台；监视设备使用波形矢量监视器LV-5750（具有波形抓帧及存储功能），1台；照度表、色温表、测距仪。

图5为标清摄像机所拍画面的抓帧，图6为高清摄像机所拍画面的抓帧。两台摄像机在相同场景、相同镜头，几乎相同照度、相同光圈、相同位置的情况下进行拍摄。

从图5、图6来分析“景深”，两个画面的前景人物的面部、头饰、衣着清晰，而后部人物有明显差别：标清画面中，后部人物依然清晰，而高清画面就有明显的虚化。对比人物背后的竹林画面，两者差别更加明显。

图7是图5的标清画面的局部截图，图8是图6高清画面的局部截图。从两图来分析“信噪比”：图7画面的亮区和暗区基本一致，画面正常，未见暗部有明显噪点出现；图8亮区画面正常，但照度较低的背景部分则能够看出明显的噪点。这是由于高清摄像机的信噪比明显低于标清摄像机的信噪比所致。

3.2 测试结论

通过对有关指标和设备参数的分析和实际图像效果的对比，可以得出一些结论：

（1）由于单个像素面积差别较大，所允许的弥散圆的直径相差就较大。在外界条件相同的情况下，高清摄像机的景深小于标清摄像机。要想获得同样的景深，高清摄像机就要缩小光圈。要得到正常的电平幅度，就必须增加照度。在获得相同景深和相同信号电平幅度的前提下，高清对照度的要求高于标清。

（2）高清摄像机的信噪比小于标清摄像机。除非节目内容的特殊需要，录制高清节目时，应尽量避免太低照度区域的出现，或减小画面中低照度区在画面中的比例。这又提高了对照度和供电量的要求。

（3）标清、高清的区别在于画面的比例。在画面高度与标清一致的情况下，高清的画幅宽度为16∶9，比标清大很多。这对舞美设计、装置摆放、布光面积、焦点调整、景深控制等方面都提出了更高的要求。

（4）高清清晰度的提高对化妆、制景等也提出了新的要求，要给予有别于标清的特殊处理。

总之，高清电视的普及推广为电视观众带来了更好的享受，同时也为电视节目制作人员提出了许多新问题。只有深入了解、认真思考和正确应对这些问题，努力提高电视制作水平和节目质量，才能为观众奉献更多更好的电视节目。