电视清晰度的悄然进化

马亚乾

【摘 要】 对事物的逼真清晰再现是人类奋斗的目标。电视清晰度悄然发生进化，高清电视已经实现，超清、超高清已然眼前。

【关键词】 电视清晰度 数字技术 实现

一、传统模拟电视制式的清晰度概念

清晰度是人眼对观察场景的最直观感觉，清楚逼真就是清晰度高。可以定义为一定距离和单位尺度内人眼能分辨的最小单元数或最细条纹数的相对多少。

1.清晰度的生理学来源：人眼观察和分辨图像细节的能力也就是视觉锐度可以用能观察清楚的两个点的视角θ来表示，假设画面高度为H，在垂直方向上有在距离为L处可以分辨清楚的条纹数是M，则视敏角θ可表示为：θ=h/L（弧度），因为每条线的宽度为h=H/M，则有θ=H/（LM）（弧度），将弧度化为角度后，则为θ=3438H/（LM）（分），也就是M=3438（H/Lθ）。

显然，清晰度是一个相对的概念，随着观察距离、图像高度的不同而不同。相对图像尺寸或显示屏幕大小来说，能分辨的细节就越多，单位尺度范围内条纹数越多，图像就越清晰，也就是清晰度就越高。大屏幕电视尤其是LED屏近距离看清晰度是非常糟糕的，而高清手机屏虽只有几英寸，近看却是相当清晰的，原因就在于此。

试验表明，人眼的视敏角是1--1.5分，观看图像的最佳距离是画面高度的4倍至5倍时，总视角约为15度，可以保证人眼不转动就能看到完整的画面。这个距离，既可以避免因过近观看时眼球需要不停地转动而引起眼疲劳，又可以避免过远观看时对图像辨别能力的降低，以及防止画面以外的景像进入视野中。如果选择观看距离L为画面高度H的5倍，即L=5H，将其与视敏度θ=1.5分一起代入上式后，则为：M=3438×（1/5）×（1/1.5）=458（线）。这就是在最佳观察距离内正常人眼分辨力458线的来源。

2.电视清晰度的技术来源：电视图像是对过去事物或远距离事物的技术再现，其逼真程度就是电视清晰度。严格定义是：图像在等于屏幕高度的尺寸范围内可显示的条纹数。无论在水平方向还垂直方向都是一样的，不过在水平方向叫水平清晰度，垂直方向叫垂直清晰度。国际标准规定，采用标准测试卡或具有100%幅度正弦波的复合测试信号（在屏幕上表现为黑白像点）来测定图像的水平清晰度。只要在屏幕上确定最高可分辨的正弦波频率f，也就是带宽，那么水平清晰度H就是（2fT）/k（式中k是图像宽高比或叫幅型比，T是行扫描正程期）。我国使用的PAL-D制式标准是1秒内625行50场隔行扫描，就是说行频是625*50/2=15625Hz，T=52，k=4：3，屏幕上水平方向可分辨的条纹数是104f，水平清晰度H=78f。这就是1MHz带宽约等于80线的由来，PAL制图像信号的最高频率为6MHz，因此PAL制彩色电视的标准信号可提供的最高水平清晰度为468线。

垂直清晰度也可描述为在垂直方向显示的可分辨的最大黑白条纹数，理论上可理解为一条正程扫描线就是一条纹，那么按照我国PAL-D制式标准，共有625行扫描线，但除去逆程扫描49行，理论上的有效行为576行，由于隔行扫描和孔斓效应，最后能实现的垂直清晰度只能430线左右。

二、数字电视制式的清晰度概念

从节目采集、节目制作、节目传输直到用户端都以数字方式处理信号的方法就是数字电视技术，当原始的模拟信号转换为数字信号时，取样样点构成数字图像的最小单元，也叫数字图像的像素，水平方向即每行的总样点数乘垂直方向的总样点数或有效行数也就是一幅数字图像的分辨率。以PAL制电视来讲，行频为15625Hz/s，如果以带宽6MHz作为图像信号最高频率，那么每行能显示ft=6000000/15625=384周。如果正半周为白，负半周为黑，每个行周期能显示768条黑白线。理论上的有效扫描行是576行，768×576就是常规电视最高分辨率，也就是数字电视技术规定的标清电视最高分辨率。但由于显示屏制造工艺流程和电视制式的原因，标清电视分辨率是720×576。

那么数字图像的分辨率就是它的清晰度吗？根据前面的讨论，显然不是一回事，分辨率是对图像的采样结果，或是显示屏整体像素结构，清晰度却是人眼的主观感觉，但高分辨率一定是高清晰度的前提条件。如我们常见视频分辨率：VCD是350×280，DVD是720×576，小高清电视是1280×720，真高清是1920×1080，清晰度就是依次升高的。

三、数字化（摄像、处理、压缩、传输和还原）技术的突破

近年来，由于数字电路技术和大规模集成电路技术的高速发展，高清电视摄像、处理、传输及还原再现技术日益成熟，而且另辟蹊径发展一套完全有别于传统电视制式的电视节目收发体制，即数字电视或IP电视，不仅改变了过去被动收看为节目点播和互动参与，还使过去难以想像的高清电视现已基本普及，并将向更高清晰度超清电视迈进。上世纪80年代，日本公司投巨资研究高清模拟电视，美国则另辟溪径，着手研究高清数字电视。结果日本的投资打了水漂，白白浪费了宝贵时间、金钱和精力，10年后还得走数字化电视这条路

传统电视不管采用什么制式，一个频道都要占用6-8Mhz带宽，在宝贵的常规频道资源中也只能传输几十套节目。按照前文的计算，如果要达到1000线的水平清晰度，将需要13.5Mhz带宽。如果是逐行扫描，则需要30MHz的带宽，从频道资源上来说，这将是巨大的消耗和不可承受之重。而采用数字传输制式，其数字带宽就是数字模式下数码率，亦即在单位时间内系统传送的数据量。这样就避开了传统频道和带宽的限制。又如一张分辨率为1920×1080的高清彩色照片约有6MB的数据量，如果按电视制式播放每小时将产生540GB数据量，而播放标清电视需要数据流量才108GB。高清電视传输和播放需要的数据流量是标清电视的五倍以上，这么大的数据流量是常规电视体制难以承受的。

随着数字压缩技术的发展，这个问题得到完美解决。如对传统电视的数字化改造，在有线数字电视系统，在一个8MHZ的频道可以传输标清节目7套；如果要加一套高清，那也可以传输3套标清节目。更有前途的数字电视发展的另一方向就是交互式网络视频，只要网络宽带允许，不管标清、高清、甚至超清都不是问题。如现在家用宽带网络20M带宽已能实现标清和高清电视的正常收看。

结束语：真实再现不是梦，随着5G技术的发展和成熟，将以数百倍于当前网络传输速度实现万物互联，高清、超高清视频的实时传输和再现将成为现实。