高清影像技术与造型

高清影像技术特点

2009年6月

什么是高清晰度电视

高清晰度电视是电视技术的最新发展，在此之前电视技术完成了从黑白到彩色、从模拟到数字的转变。要想大幅度提高图像质量就必须改变电视基础参数标准，增加有效信息量

什么是高清晰度电视

在国际无线电咨询委员会CCIR报告中这样定义：高清晰度电视应使得一个正常视力的观众在距离显示图像高度约三倍距离处看到的图像质量达到和观看原始景物相同的感受。高清电视在图像清晰度、屏幕尺寸、宽高比、声音方面都有所改进

什么是高清晰度电视

提高亮度分解力，即增强图像细节的清晰程度，HDTV在水平、垂直方向的空间分辨率是标准清晰度电视的2倍，即每帧行数不少于1000行。提高图像宽高比，16：9更符合人眼的视觉特性，视野宽，临场感强，宜使用大屏幕（对角线大于0.8米以上）显示图像

什么是高清晰度电视

扩展色域，使得电视彩色更加丰富，感染力更强。配置高质量的环绕立体声，至少有4路数字伴音通道，伴音带宽达20KHz。简言之，高清电视画面图像分辨率高，其清晰度高于现行标清电视画面的2倍，图像采用16：9构图，色域扩展，环绕声伴音。其画质精细，色彩还原优于标清电视，能够更丰富地表现画面细节。高清影像技术特点---像素

在电视时代人们用分辨率来表达影像清晰的程度模拟时代摄像管和显像管都是通过扫描线的扫描产生和再现图像，所以用“线”或“电视线”表示清晰度。在计算机图像显示技术中，采用像素来表示清晰度。高清影像技术特点---像素

像素是组成图像的最小单位，当显示像素为方形像素，画幅比正好与水平垂直有效像素比数值相同，其好处是在图像制作生成处理的过程中无几何失真。目前数字影像（包括数码相机等）和计算机图形处理的成像和显示器件都遵循ITU提出的方形像素通用图像格式。高清影像技术特点---像素

彩色图像需要RGB或Y/B-Y/R-Y三个独立的分量构成，因此每个像素实际上都是由3个单色像素组成的。高清影像技术特点---像素

目前数字电影和数字电视的摄像和显像都采 用了有限像素的器件如CCD、CMOS、LCD、 PDP、DLP、LED等，因此不论是数字影像还是 电影、电视都可以用像素表达清晰度标清数字电视的清晰度可以表示为720x 576，每帧画面的像素数量分别为41万。高清数字电视的清晰度可以表示为1920x 1080或1280x720（现在较少），每帧画面的 像素数量分别为207万和92万

高清影像技术特点---像素

高清影像技术特点---逐行扫描和隔行扫描电视采用扫描的方法把静止画面分解成若干行的扫描线，构成一幅完整画面的全部扫描线叫电视帧。最简单的扫描方式是逐行扫描，每帧图像由电子束顺序地一行接着一行连续扫描而成，下一帧扫描线的位置与上一帧完全相同

隔行扫描是把一帧电视画面分两次交错扫描，下一场扫描线的位置与上一场相差一行，在空间上两个相邻电视场的扫描线位置相隔一行。

高清影像技术特点---逐行扫描和隔行扫描逐行扫描的优点：有利于图形和图像的计算机处理，没有隔行扫描所特有的场间闪烁感，长时间观看眼睛不易疲劳，

缺点：与相同垂直扫描频率的隔行扫描方式相比数据量增大一倍。 目前数字电影的拍摄和放映、计算机显示以及部分数字电视的制作和播出采用逐行扫描。高清影像技术特点---逐行扫描和隔行扫描

隔行扫描的优点：与相同垂直扫描频率的逐行扫描方式相比数据量只有逐行的一半，

缺点：场间闪烁感觉明显，不利于图形和图像的计算机处理，长时间观看眼睛容易疲劳

模拟电视采用2:1隔行扫描，是为了在有限的带宽资源条件下提高图像刷新率，增强画面动作的平滑度

高清影像技术特点---逐行扫描和隔行扫描高清电视采用逐行扫描拍摄和制作的原因之一 是拍摄和显示器件的逐行化

PDP、LCD、DLP的图像显示原理与显像管完全不同， 他们是有限像素的面阵列显示器件，这种采用XY寻址的 显示方式不需要逐一驱动每个像素单元，既适用于隔行 也适用于逐行显示PDP、LCD、DLP等器件的电视显示的都是逐行扫描图 像，即使输入的是隔行扫描信号也会在显示驱动电路中 转换成逐行扫描如果在拍摄、制作和显示等环节都采用逐行扫描方式， 就可以避免信号的隔行逐行转换带来的图像质量损失

高清影像技术特点---扫描格式

数字电视格式的表达方法: 在美国电影电视工程师协会SMPTE文件中 1920x1080/50/I表示每行取样点数量1920， 每帧有效扫描行数1080，50场隔行扫描。 1280x720/50/P表示每行取样点数量1280， 每帧有效扫描行数720，50帧逐行扫描。最后 的字母I表示隔行（Interlace）扫描，P表示逐 行（Progressive）扫描

高清影像技术特点---扫描格式

数字电视格式的表达方法在欧洲广播联盟EBU文件中1920x1080/I/25（简化表示为1080/I/25）表示每行取样点数量1920，每帧有效扫描行数1080，25帧（50场）隔行扫描。1280x720/P/50表示每行取样点数量1280，每帧有效扫描行数720，50帧逐行扫描。中间的字母I表示隔行（Interlace）扫描，P表示逐行（Progressive）扫描。

高清影像技术特点---扫描格式

数字电视格式的表达方法把SMPTE表示法简化使用例如1920x1080/60/I表示为1080/60i1280x720/60/P表示为720/60P 采用简化表示法美国的NTSC可表示为480/60i欧洲和中国的PAL可表示为576/50i 这是目前使用最多的表示法高清影像技术特点---扫描格式

几种常见的电视扫描格式

480i格式，和NTSC模拟电视清晰度相同，525条垂直扫描线，483条可见垂直扫描线，4：3或16：9，隔行/60Hz576i，是标准的PAL电视显示模式，625条垂直扫描线，576条可见垂直扫描线，4：3或16：9，隔行/50Hz高清影像技术特点---扫描格式

几种常见的电视扫描格式

1080i格式，是标准数字电视显示模式，1125条垂直扫描线，1080条可见垂直扫描线，16：9，分辨率为1920×1080，隔行/50Hz、隔行/60Hz1080p格式，是标准数字电视显示模式，1125条垂直扫描线，1080条可见垂直扫描线，16：9，分辨率为1920×1080，逐行/24、25、30Hz，逐行/50、60Hz，专业格式。高清影像技术特点---扫描格式

几种常见的电视扫描格式

720p格式，是标准数字电视显示模式，750条垂直扫描线，720条可见垂直扫描线，16：9，分辨率为1280×720，逐行/60Hz其中1080p被称为目前数字电视的顶级显示格式，这种格式的电视在逐行扫描下能够达到1920×1080的分辨率。目前世界上只有60英寸以上的显示屏才能够显示出1920×1080的信号

高清影像技术特点---扫描格式

格式的应用：1080/50i 电视节目1080/25p 数字电影、电视剧1080/24p 电影胶片1080/60i 场频率为60的国家720/576i 标清电视PAL720/480i 标清电视NTSC高清影像技术特点---码率码率是在单位时间内系统所能达到的最大数据量。传输数字电视信号时信道设备（如矩阵、光端机等）的带宽必须大于通过该通道的码率

有效码率（视频有效码率）是在单位时间内与视频信号有关的数据量。因为在电视信号的水平和垂直消隐期间内没有视频信息，所以有效码率一般只是码率的60-80%。使用磁带、硬盘或光盘存储数字视频信号时可以只记录有效码率代表的视频信息。高清影像技术特点---码率标准清晰度数字电视信号的有效码率在国际电信联盟ITU-R601数字电视标准中，采用8比特量化时576/50i（PAL）亮度信号的有效码率为 每行的取样点数x有效扫描行数x量化比特数x帧频

=720x576x8x25=82.944Mbps2个色差信号的有效码率为

2x360x576x8x25=82.944Mbps总的有效码率为 亮度信号有效码率+色差信号有效码率

=82.944+82.944=165.888Mbps（576/50i）高清影像技术特点---码率480/60i（NTSC）总的有效码率与为576/50i（PAL）相同。由于576/50i的有效扫描行数多场频低而480/60i的有效扫描行数少场频高，实际上两种信号的有效码率是相同的。高清影像技术特点---码率高清晰度数字电视信号的有效码率在美国电影电视工程师协会SMPTE274M数字电视标准中，采用8比特量化时1080/60i信号格式亮度信号的有效码率为1920x1080x8x25=414.72Mbps2个色差信号的有效码率为

2x960x1080x8x25=414.72Mbps总的有效码率为2x414.72=829.44Mbps（1080/50i）高清影像技术特点---码率1080/60i信号格式的有效码率为

1920x1080x8x30x2=995.328Mbps（1080/60i）高清影像技术特点---码率 数据量大，制作、传输、存储占用较大的资源高清829.4Mbit/S=103MB/S标清165.8Mbit/S=21MB/S1080/50i的有效码率是576/50i(PAL)的5倍 影响设备对数据处理速度高清信号传输带宽硬盘占用容量：每小时无压缩422处理的节目需要占用370GB硬盘所以，需要经过压缩处理，才能记录、制作高清节目高清影像技术特点---数字化

包括电视信号在内的各种信息的原始形态都是模拟的，电视信号的数字化就是把在时间轴和电平轴上连续变化的模拟电视信号在时间轴和电平轴上离散化，即用有限的取样点和有限的电平阶去表现在时间和电平上无限变化的模拟信号

高清影像技术特点---数字化

取样就是把电视信号在时间轴上离散化，用有限像素表现无限清晰的景物。就是用有限数量的静止画面表达在空间上连续运动的景物。量化就是把电视信号在电平（幅度）轴上离散化，用有限的灰度阶表现无限的灰度。8比特（256灰度阶）是再现图像连续灰度的最低要求，高质量记录和制作需要10比特（1024灰度阶）。低于8比特时人眼就会分辨出灰度层级中的灰度差，呈现版画感。

高清影像技术特点---数字化

在数字电视技术中经常用4:2:2、4:2:0等方式表达数字分量电视信号的取样结构，这种表示法的原始含义是亮度与色度信号的取样频率之比。还用于表示亮度与色度的清晰度就是取样点数量的比例。

高清影像技术特点---数字化

为了降低数字电视信号源的码率，电视制作时很少采用4:4:4的RGB全带宽取样结构，实际使用的大多是Y/B-Y/R-Y取样，并对B-Y/R-Y色度信号采用了亚取样处理，使其取样点数量少于亮度信号。4:2:2取样结构，表示色度信号在水平方向上的取样点数量是亮度信号的1/2。

高清影像技术特点---数字化

把4:4:4经预滤波、亚取样转变成4:2:2、4:1:1、3:1:1、4:2:0或3:1.5:0的目的是用不压缩的方法通过降低彩色分辨率的方式降低数字电视信号的码率

高清摄像机基本参数表主流广播级高清录像机技术规格机型格式DVCPROHDHDCAMD5HDHDCAMSRHDCAMSR（4：4：4）视频取样频率R:74.25MHzY74.25MHz74.25MHz74.25MHz74.25MHzG:74.25MHzR-Y/B-Y37.125MHz37.125MHz37.125MHz37.125MHzB:74.25MHz记录带宽R:30MHzY20MHz24MHz30MHz30MHzG:30MHzR-Y/B-Y10MHz7.5MHz15MHz15MHzB:30MHz量化8bit8bit10bit10bit音频取样频率48kHz48kHz48kHz48kHz量化16bit20bit24bit24bit通道数量8ch4ch8ch12ch记录码流30P/60i约167Mb/s约185Mb/s约301Mb/s约593Mb/s25P/50i约167Mb/s约155Mb/s约250Mb/s视频码流30P/60i约100Mb/s约140Mb/s约235Mb/s约440Mb/s25P/50i约100Mb/s约120Mb/s约195Mb/s数据记录纠错ReedSolomonReedSolomonReedSolomonReedSolomon掩错Adaptivethree-dimensional通道编码ScrambledNRZIScrambledNRZI8～14ScrambledNRZI磁迹/场30P/6206121225P/52461212压缩算法帧内压缩帧内压缩DCT帧内压缩MPEG4StudioProfile压缩比6.7:14.4:15.3:12.7:14.2:1主流高清非编压缩格式的码率比较

AVIDDNxHD120SONYHDCAMPanasonicDVCPROHD

AVIDDNxHD183PanasonicHD-D5SONYHDCAMSRAPPLEProResAPPLEProResHQ图像解晰度1280x7201920x10801920x10801280x7201920x10801280x7201920x10801920x10801920x10801280x7201920x10801280x7201920x1080比特率8bit8bit8bit8bit10bit10bit10bit10bit10bit亮色采样4:2:23:1:14:2:24:2:24:2:24:2:2/4:4:44:2:24:2:2码率120Mb135Mb100Mb185Mb235Mb440Mb145Mb220Mb高清摄录一体机------格式与信号码率SonyHDCAM-SR高清摄像机信号码率440MbpsHDC-1550/F950/SRW-1------1080/50i/25p/24p/60i应用高质量电视制作高质量数字母带高清摄录一体机------格式与信号码率SonyHDCAM高清摄像机信号码率135MbpsHDW-F900/F900R------1080/50i/25p/24p/60iHDW-750P------1080/50i/25p HDW-700A------1080/60i应用 电视剧 专题 新闻 体育高清摄录一体机------格式与信号码率松下DVCPROHD高清摄像机信号码率100Mbps

AJ-HDC20-------1080/50i等AJ-HDC27------720/60p应用

电视剧 专题 新闻 体育高清摄录一体机------格式与信号码率经济适用的高清25Mbps码流MPEG2MP@HL1440

帧间压缩与DV/DVCAM相同的记录媒体应用新闻突发事件报道高清摄录一体机------格式与信号码率

主流非磁带记录媒体摄录机SonyXDCAM-HD高清摄像机信号码率18/25/35Mbps

PDW-700------1080/50i/25p/24p/60i

蓝光盘记录

松下P2

DVCPROHD高清摄像机信号码率100/50Mbps

AG-HVX3000MC------1080/50i/25p,720p编码AVC-INTRA/DVCPROHD汤姆逊

infinity信号码率75MbpsJPEG2000硬盘、闪存卡、U盘主流高清非编压缩格式的码率比较

AVIDDNxHD120SONYHDCAMPanasonicDVCPROHD

AVIDDNxHD183PanasonicHD-D5SONYHDCAMSRAPPLEProResAPPLEProResHQ图像解晰度1280x7201920x10801920x10801280x7201920x10801280x7201920x10801920x10801920x10801280x7201920x10801280x7201920x1080比特率8bit8bit8bit8bit10bit10bit10bit10bit10bit亮色采样4:2:23:1:14:2:24:2:24:2:24:2:2/4:4:44:2:24:2:2码率120Mb135Mb100Mb185Mb235Mb440Mb145Mb220Mb不同取样结构和量化比特的原始码率比较GRBYYYCbCrCbCbCrCr1920192019201080108010801920960960108010801080144010801080108048048010807207201440540540HDSDI双链接4:4:4HDSDI链接4:2:23:1:1(1440)4:2:0高清与标清电视的差别宽高比

标清电视屏幕的宽高比为4:3

高清电视屏幕的宽高比是16:9，16:9可以表示为1.78:1， 是参考遮幅宽银幕电影1.85:1的宽高比制定的。 美国、欧洲和澳大利亚的部分标清数字电视也采用16:9，但在中国和其它大多数国家和地区只有高清采用16:9

高清与标清电视的差别清晰度（分辨率）高清晰度电视的分辨率有两种，一种是每帧画面1920x1080像素，另一种是1280x720像素，后者的水平和垂直方向像素数量分别是前者的2/3，总的像素数量是前者的4/9，不到一半

高清与标清电视的差别高清图像的水平像素1920垂直像素1080标清图像的水平像素720垂直像素576高清系统的分辨率高于标清系统的两倍

高清标清格式变换制作实现高清（HD）和标清（SD）两种图像标准的格式变换，在标清高清过渡时期，可以实现高清、标清节目同播，满足不同消费群体的需要，是降低制作成本，进行高清电视和标清电视之间节目交换、素材共享的必要手段。1080/50i高清节目源格式与现行标清节目源576/50i之间的上/下变换，包括图像幅型比的变换，即：高清16：9与标清4：3。

高清标清格式变换制作高清至标清下变换有三种模式：信箱模式（上下遮黑，宽银幕）--原画面宽度不变切边模式（4：3满屏，左右两边各切去部分画面）--原画面高度不变挤压模式（4：3满屏，水平方向压缩）--原画面宽度高度都不变，画面变形格式下变换制作模式如图示，高清标清格式变换制作

高清至标清下变换信箱模式（上下遮黑，宽银幕）切边模式（4：3满屏，左右两边各切去部分画面）挤压模式（4：3满屏，水平方向压缩变形）切边模式信箱模式挤压模式下变换高清标清格式变换制作高清标清格式变换制作标清至高清上变换切边模式（左右遮黑），信箱模式（满屏，上下两边各切去部分画面）挤压模式（4：3满屏，水平方向拉抻变形）挤压模式切边模式上变换信箱模式高清镜头镜头也是一种动态技术，它可以有效地控制在摄像机图像传感器上所呈现的目标图像，这种控制功能包括改变光亮度、焦点和焦距范围高清镜头---光学带宽镜头对黑白相间图形的再现能力受到黑白线条间隔细度的影响，这种镜头输出特性在技术上我们称为“调制传递函数”（MTF）。因为摄像系统是通过镜头把图像转化成电信号，所以调制传递函数被认为是评价镜头性能的好办法。

高清镜头---光学带宽标清电视的视频带宽是5.5MHz，高清电视1080/50i,60i，720/60p视频带宽是30MHz。与镜头清晰度相关的因素为了实现这种较好的光学性能，高清电视镜头在制造工艺上精度更高，这体现在，首先采用一个更佳的光学设计方案，仔细控制好光学设计工艺中的众多环节，认真选好每个镜头单元所用的材料和涂层，严格控制好制造公差整个图像平面内镜头分辨率

根据光学部件的特性，镜头单元的中央处分解像力最高，在图像平面内向边角呈现下降趋势为了保证低色散、低像差，提高边缘性能，使整个画面保持清晰的图像，保证高光学调制传递函数，高清镜头使用了高质量的关键技术整个图像平面内镜头分辨率

采用萤石、高折射率、高透光率、超低色散玻璃等特殊材料采用最新光学技术设计和电脑模拟技术内聚焦系统减少了侧向色差，提高了边缘光学特性使用更精密的光学机械结构/组件/装配技术工具整个图像平面内镜头边缘特性

比较高清和标清电视系统成像第一要考虑高清16：9的画幅比，在CCD同样的着光面上，16：9画幅的面积减小，即减小了感光区域，高清镜头敏感区域缩小，造成了敏感度10%的差别。4：3画幅的面积是 8.8x6.6=58.08mm,16：9画幅的面积是9.6x5.4=51.84mm,4:3画幅16:9画幅高清系统与标清系统的比较标清系统一帧画面里有576扫描行，而高清系统的扫描行数是大于标清系统的1.5倍，同样在2/3英寸的CCD器件上，高清系统具有更小的像素点，高清系统扫描行密度更高，因为高清画幅比是16：9，比标清系统更宽

比较高清和标清电视系统成像第二要考虑高清系统的景深问题，高清的景深是标清的1/2，因此在操作摄像机时，应该把镜头的光圈值加大2倍，这样才能得到与标清系统相同的景深。这将使得敏感度降低到原来的1/4

比较高清和标清电视系统成像景深有下列性质：景深与镜头光圈：随光圈数值的增大而增大，即光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；

景深与镜头焦距随镜头焦距的增大而减小，即镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；广角镜头景深大，长焦镜头景深小。

景深与拍摄距离随景物距离的增大而增大，即距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

高清影像造型

2009年6月

高清晰度电视节目以高清晰的特点、丰富的色彩和宽屏幕显示受到人们欢迎，然而，高清晰的特点对电视灯光的要求与标清电视的不同，运用好灯光照明在高清影像摄制中发挥着重要作用

HDTV的特点

画幅比为16：9，比较标清4：3更符合人们视觉习惯大场面拍摄有气势色还原真实高清画面有1920x1080个像素点，水平清晰度与垂直清晰度提高了2倍以上特写镜头对景物的细节的表现更接近35mm胶片的效果光比问题运用技术手段调整参数，高清摄像机最大景物亮度范围可以达到8-9级光圈在正常曝光值基础上，增加2.5级光圈和减少5.5级光圈的范围内仍然能表现景物的灰度层次。由于画面清晰度高，暗部的感染力增强高清拍摄较暗部分细节的能力相对于