波形监测仪基础及应用

付 军

（作者单位：贵州广播电视台）

在视频领域无论是高清还是超高清，视频技术的终极目标是不断向人眼所看及所得目标迈进，超高清在分辨率和色域都有明显提高，HDR高动态范围足以证明色彩的重要性，了解色彩原理，配合仪器能更好调校色彩还原度，确保视频系统不同信道间色彩基本保持一致。

1 彩色和色域

首先，来了解彩色。视频是由三个彩色分量即红绿蓝（RGB）组成，这三个彩色分量各种组合构成我们看到的彩色，用色调、饱和度和亮度来描述彩色性质。将两个圆锥体拼合后组成的彩色空间，就是人们在三维空间所看到的图形，拼合后圆锥体顶点是白色，底端是黑色。沿由圆心向四周发出的射线上各点，它距圆心距离代表信号迹线在该点的色饱和度。越靠近圆周外边缘，距圆心越远，表示色度信号越强，即饱和度越高，颜色也更鲜艳。而该点所在射线围绕圆心旋转的角度，表示信号迹线在该点的色调。波形监测仪通常显示信号（迹线点）与时间轴间坐标关系，而矢量仪是彩色（迹线点）XY坐标（色调）作角度分量在极坐标中显示，且以距圆心（黑色）距离来代表信号幅度。

所谓色域，即是彩色一个范围。在广播电视中色域是由RGB（红、绿和蓝）信号值定义彩色重现的范围。通过仪器色域显示监测，如信号在某一指定视频格式中没超出信号电压容限值，这样的信号为合法广播视频信号。如在RGB信号通道中有任一通道超过上容限值或低于下容限值，那么该信号就超出色域范围，超出色域容限违规使该信号“非法”。

2 色域监测

使用矢量仪有助于分析信号色调和色度电平，使彩色信号合法，且有助于消除不需要的色偏。在消除色偏时，摄像机灵敏度不一致或白平衡调整不当造成彩色不平衡，可用波形监测仪在监视图像时进行校正，即通过调整使所有三个通道（红、绿和蓝）信号强度相等，以显示出正确的自然色，即纯黑、纯白和纯灰色。

“菱形”显示图1，是将节目视频信号转换为RGB分量色域信号显示。

图1 菱形显示

它不仅可监测RGB分量信号是否超标（-35～735mv），RGB信号电压数值如超出所规定电压范围即为色域越限，结果有可能导致信号限幅、串扰或其他形式失真。色域监测是监测数字节目分量信号不要超出规定电压范围而成为合法有效信号，来确保数字节目图像质量。菱形显示可有效监测色域内所有信号矢量都位于G-B和G-R合法菱形内。相反，如信号矢量超出菱形外，就是超限幅。

“分离菱形”显示图2：（在左下方菜单中选择）是将菱形显示图上下两部分分开一定距离显示，这是为如有信号负向超标时，能更直观判断是RGB哪个分量信号负向超标，黑电平正确检测。

在菱形显示图1中，由中心到显示迹线外轮廓顶点垂直轴，表示是被测信号亮度分量，菱形显示水平轴，指示当前信号中色度量，可使分离菱形显示进行黑电平调整，这样便于监测信号中是否有某些部分处于黑电平以下，有助于观察黑电平的显示情况。在菱形显示迹线最高点处，即在信号迹线色域容限边缘处出现了限幅或幅度过低，都可检测到图像太亮或亮度不够，需对亮度电平进行控制。另外，在黑电平处如出现限幅或幅度过高，表示在中心黑电平较亮或过暗，造成画面发灰或对比度加重，也要对黑电平进行合理控制。

图2 分离菱形显示

在状态显示功能中不仅可记录超标信号类别，例如，R-r-G-g-B-b等，其中，大写的R-G-B是分量信号正向超标，小写的r-g-b是分量信号负向超标，还能详细记录超标信号产生的确切开始时间和结束时间，便于事后查看或处理。图2正向超标主要是R G B色彩过亮和亮度密切相关。Rgb负向超标主要是色彩暗部或偏色引起，可通过报警提示做相应调整。同时，打开“超标信号突显”功能后，Display Settings （显示设定）→Picture Brightup On RGB Gamut Error （出现RGB色域错误时图像突出显示）选项中设置为On，图像中超标部分YRGB信号像素显示为马赛克，这样可辩别出画面中哪些部位图像信号超标，通过调整参数使指标合法有效。

RGB也可通过WFM波形显示来进行监测，主要是监看RGB信号是否平衡，来调节RGB信号指标是否合法有效。黑电平和亮度电平监测，可通过波形选择单独监测黑电平和亮度电平更直观。主要作视频寻道实时监测画面最有效，让画面始终保持在合理区间。亮度信号（Y）最大值103%（721mv）及最小值-1.0%（-7mv），黑底电平信号幅度0～50mv。箭头显示则是监测SDI信号转换为模拟复合信号时，复合全电视信号是否超过规定模拟复合信号电平≤800 mv。音频监测方式图3，主要通过选择电平表显示或声道间相位显示，可单选某一项或双选两种模式。语言电平最大值（-12dBFS）及节目电平最大值（-6dBFS），（通常在-9 dBFS以下）,基准电平-20 dbfs。语言电平超过黄色菱形标尺后信号显示为黄色光标，即音量超标。节目电平超过红色菱形标尺后信号显示为红色光标，即音量超标。检查信号相位关联，注意以下情况：相位关联表位于相应条形下方，在相位显示下方还重复显示一个相位关联表。对相关信号指示器将显示为绿色并移到右侧。对不相关信号指示器将显示为黄色并停留在中间位置。对反相关信号（一个信号向上而另一个向下），指示器将显示为红色并移到左侧。当信号电平超出指定过载电平时（用户可以设置），条形图上方出现红色“OVER”字样，提醒使用者注意“Over”（过载），电平一般设置在-3dBFS左右。当信号被限幅时，条形图上方出现“CLIP”（限幅），提醒使用者注意。一旦出现限幅指示，电平指示将到柱状表顶端。如记录电平超过满刻度电平时，输出信号就立刻被削波切掉，造成不可修复失真。

3 波形监测仪应用和误区

节目前期准备可在相同光照条件下进行，使用同一种精密测试图卡调整一台摄像机矩阵设置。设置曝光电平、设置白平衡，然后用矢量仪对彩色进行校正。利用波形监测仪，凭借其CaptureVu TM特性，提供高级捕获功能。将已校准摄像机与准备校准摄像机由CaptureVu捕获数据迹线同时显示以进行匹配调整。捕获信号迹线（如波形显示和钻石显示等）或呈现为图像显示，其他摄像机按此方法进行一致性调整，直至它们间实现准确匹配。

白场中底色失真对图像质量有重大影响，白底色失真（调整）是对亮度或彩色中的错误进行电子补偿过程，底色失真主要是由摄像机光学系统或时常更换镜头引起。当用一张带有兰色频谱色调白纸或不均匀照度来调整摄像机白平衡时也会出现问题。白场图像如偏离矢量显示器中心则表示彩色不正确，色调类型决定于偏离角度。借助（如DSC Ambi照明设备的漫射板）波形监测仪按下并保持WFM按钮以显示菜单，配置波形显示为RGB并列模式，确保所有通道均被选中，分别对RGB进行调校。在摄像机菜单上调整H和V Saw以使迹线尽可能平坦。然后，在摄像机菜单上调整H和V Par以使迹线尽可能地平坦，如图4所示。

在钻石显示中，白底信号失真是在RGB色域中进行的，在灰度测试图卡或照度均匀的白场中会在上、下钻石显示图形中呈现为一条垂直线条，上下部份钻石显示中迹线略有偏离，表示蓝绿通道和绿红通道平衡状况。偏向表示白底中带有偏向方色调。摄像机中每一RGB通道中saw和par特性均需理想照明即照亮表面，任何不均匀照度均会引起几何失真。同时，打开“超标信号突显”功能后，Display Settings （显示设定）→Picture Brightup On RGB Gamut Error （出现RGB色域错误时图像突出显示）选项中设置为On，图像中超标部分YRGB信号像素显示为马赛克，可辩别出画面中哪些部位图像信号超标，通过调整参数使指标合法有效。

通过观测分离菱形合法空间，光迹面积越大说明图像颜色越丰富、色彩饱和度越好。绿色光迹面积越小，说明图像颜色越不丰富、色彩饱和度、亮度低、色彩单调。绿色光迹越明亮地方说明图像分量信号越集中（越多），图像亮度层次和色彩饱和度越好。反之，图像亮度层次和色彩饱和度越差。绿色光迹向外伸展越长、在标准线内伸展越远，说明图像某些分量信号幅度越大，反之，说明图像某些分量信号幅度越小。

图3 音频电平表和相位显示

图4 白底失真RGB调整前后对比

波形监测仪在实际使用过程中会存在许多矛盾的地方，比如，实际运用中监测指标和画面间的矛盾，最为明显的实例是，在整个画面亮度并没有超限，可画面中某个白点或高光部分造成超标，如为不超限而降低亮度到合法位置，整个画面将变暗，碰到类似情况，我们是参考指标还是尊重人的客观感受，从观众角度出发偏向保留大部分画面而牺牲占比较小瑕疵。但如参加评比碰到类似问题，要么降低亮度到合法位置，要么直接剪掉，问题是降低亮度到合法位置主观评分会很低，剪掉又影响节目完整性，左右为难。造成这些问题有多方面原因，牵涉到各工种，特别是舞美灯光，一台节目晚会，各工种各自为战，互不协调，节目质量可想而知，画面质量很难让人满意，主观评价和技术指标都不可能完全做到位。

一台晚会或节目需所有参与工种在策划前期提出各自的方案，讨论存在的问题，达成共识，确保节目顺利完满。其中，视频，灯光、舞美，音响、化妆造型、主持人服饰颜色搭配都对晚会成功与否以及视频录制画面质量好坏起到关重要的作用。对视频指标影响较大的黄色、绿色、白色须合理搭配，灯光色温合理、照度均匀不至于影响整体效果。不能只顾节目现场效果而忽视对视频制作质量的影响。在实践中，我们的做法是调光师亲自参与白平衡、RGB、色域调校，通过切换台划像，两两进行比较，主观判断加色域比较，使各通道减少色差，保持色彩平衡，画面颜色基本保持一致。这样既能保证节目效果，又能兼顾录制质量，也为后期制作参评提供方便，减少工作量。

波形监测仪和矢量监测，都是用来监测节目信号指标是否合法有效的工具，在实际运用中要结合节目特点和要求，灵活运用，不能为指标论，也不能只看节目效果而忽视指标。随着节目形式多元化，灯光、视音频技术迅猛发展，必将颠覆我们的审美习惯，监测指标方式也将随之改变，我们应密切关注监测技术发展动向，把握趋势脉搏，牢牢抓住技术创新这一主线，将监测手段融入到节目制作的各个环节，更好把控节目质量关。