分辨率与像素的关系 清晰度定义 清晰度指影像上各细部影纹及其边界的清晰程度。 清晰度, 一般是从录像机角度出发, 通过看重放图像的清晰程度来比较图像质量, 所以常用清晰度一词。 而摄像机一般使用分解力一词来衡量它“分解被摄景物细节” 的能力。单位是“电视行(TVLine)”也称线。意思是从水平方向上看,相当于将每行扫 描线竖立起来,然后乘上 4/3(宽高比),构成水平方向的总线,称水平分解力。它会 随 CCD 象素数的多少、和视频带宽而变化,象素愈多、带宽愈宽,分解力就愈高。 PAL 制电视机 625 行是标称垂直分解力,除去逆程的 50 行外,实际的有效垂直分解 力为 575 线。水平分解力最高可达 575x4/3=766 线。但是限制线数的主要因素之一 还有带宽。经验数据表明可用 80 线/MHz 来计算能再现的电视行(线数)。如 6MHz 带 宽可通过水平分解力为 480 线的图像质量。低档家用录像机,如 VHS,最多能有 24 0 线的清晰度, 高档家用摄录机, S-V 而数码摄录机的记录方式是数码信号的格式, 如 清晰度在 500 线以上。 (普通电视的清晰度大约 280 线,VCD 的清晰度是 230 线)。 分辨率和清晰度 家庭影院的图像显示设备的种类、性能和功能永远是一个新鲜话题,但其有关的 基础知识, 或更确切的说是有关电视、 电视机和其它视频播放设备的基础知识的话题, 却是一个古老而有趣的话题,也是许多家庭影院爱好者一致关心和感兴趣的话题。由 于对电视、电视机和其它视频播放设备的基础知识并非每个家庭影院爱好者都明白, 对现在正在蓬勃发展着的新技术、新设备的特点也不能正确地理解。 不但如此,即使就是现在自己正在使用着的设备,也不懂得如何去将它的性能充 分发挥出来,不懂得如何去将它的功能充分利用起来。笔者作为一个普通家庭影院爱 好者,在这里希望能从探讨的角度出发,和大家一起来解读有关家庭影院图像技术和 显示设备的一系列常用的、实用的和重要的基本知识,其中还包括设备的使用和调整 等方面的知识。在目前五彩纷呈的显示技术和显示设备中,我们拟从电视说起,在电 视中,又打算从大家都最关心的分辨率和清晰度问题说起。 分辨率和清晰度还用得着讨论吗? 说起电视的分辨率和清晰度,似乎是尽人皆知、谁人都懂的问题,好像没有什么 值得可谈的,更没有必要作专文加以讨论。 在与清晰度有关的用语中,除了清晰度一词以外,我们经常还可以见到分辨力、 分辨率、解析力、解析度、解像力、解像度这些词语。对于这些词语分别的含义和所 指的具体内容是什么,怎样使用才合适,目前流行的看法是很不统一的,归纳起来主 要有 3 种不见的看法。 第一种:分辨率就是清晰度 这是一种最普遍的看法。这种看法认为,这些词语的意义是一样的或者说是一 致的,有的人习惯于用分辨力(率)、分解力、解析力(度)和解像力(度)这一类 词,而另一些人习惯于用清晰度这一个词。或者说,这些词的意义 是一样的,但在习 惯上对不同的对象使用不同的词汇,如习惯于将清晰度一词用于电视机,将分辨率一 词用于计算机之类的显示器。 第二种:分辨率和清晰度是两回事 这种意见认为清晰度与分辨率(还包括分辨力、解析度、解像度等几个词语)有 着本质的区别,它们所指的具体内容本来就不一样。具体说来,清晰度是指人眼宏观 看到的图像的清晰程度,是由系统和设备的客观性能的综合结果造成的人们对最终图 像的主观感觉。(虽然是主观感觉,但不像主观听音评价那样不能用一个客观标准来 计量,清晰度这种主观感觉是可以进行定量测试的,即可以用黑白相 间的线条的粗细 来衡量,并有标准的测试方法和测试图,其测量数据有明确的单位,即电视线 TVL)。 而分辨率与清晰度不同,它不是指人的主观感觉,而是指在摄录、传输和显示过 程中所使用的图像质量记录指标,以及显示设备自身具有的表现图像细致程度的固有 屏幕结构,说具体点就是指单幅图像信号的扫描格式和显示设备的像素规格。图像信 号的扫描格式也好,显示设备的像素规格也好,都是用“水平像素×垂直像素”来表达 的,其单位不是“线”,而是“点”。图像信号的分辨率和显示设备的分辨率是制式和规 格决定了的,是固定不变的,而清晰度是因条件而可改变的。清晰度的线数永远小于 图像信号分辨率像素所连成的线数。比如,对于 PAL 制电视 720×576 的扫描格式, 其水平像素为 720 点,也就是可以得到 720 条垂直竖线,但不论用什么高清晰度的 显示器,也不可能获得 720 条电视线的水平清晰度。 第三种:分辨率和清晰度可以互换使用,但概念不同 这种意见实际上是介于上述两种极端意见之间的意见。这种意见认为:电视系 统有一个清晰度,也可叫分辨率、分解力、解析力和解像度等;电视机最终反映的图 像也有一个清晰度,也可以叫分辨率、分解力、解析力和解像度等,因此二者是可以 互换使用的。但是,二者的概念并不一样,因此虽然清晰度一词和分辨率那几个词可 以随便互换使用, 但在心目中不能将“电视制式的清晰度”和“电视机所达到的图像清晰 度”两者混淆。 对于以上 3 种意见,不知您赞同哪一种?不管赞同哪一种,现在的实际情况是, 3 种意见是并存着的;说不要将两者混淆,实际上这种混淆的情况是随处可见的。就 以身边刚刚发生的一件小事为例,就可以知道不搞清这个问题的麻烦了。事情是这样 的:一位同事将一份新方特出版的《数码影像产品导购手册》(2003.8 总第 24 期) 给我看,问为什么索尼的和松下的总共 20 款数字摄录机的“水平解像度”分别是 500 线、520 线和 530 线 3 种情况,而佳能在手册上仅有的 6 款摄录机的“水平解像度”全 部都是 625 线,难道佳能的摄录机比索尼和松下的摄录机清晰度要高 100 多线吗? 我向他解释说,索尼的和松下的是指摄录的图像信号可以达到的水平清晰度的 “电视线”数,而佳能的是指摄录的图像信号制式的扫描线数,即 PAL 制 720×625 中 的 625 线。前者是水平解像力所具备的清晰度,后者直接就是垂直解像力,也就是我 们所说的垂直分辨率。因此,索尼和松下摄录机表示的“水平解像度”多少线,与佳能 摄录机表示的“水平解像度”多少线是完全不同的两回事。那位同事听来听去很难搞得 清楚,最后只好抱怨说:一个是水平的,一个是垂直的;一个是转换过的,一个是没 有转换的,那为什么都一律说成是“水平解像度”呢?——我还能说什么呢?只好说: 我也闹不明白,为什么许多人都不但认同将清晰度与分辨率、解像度等词混用,而且 还要近乎顽固地维护这种让明白的人可能明白,不明白的人就让他不明白的做法! 为了让不明白的人也能明白一点,我们在下面将对电视的清晰度、分辨率和电视 制式的概念和来源作一个简单介绍,使上面所说的这个问题能得到比较统一和合理的 认识。 电视的清晰度 1、人眼的分辨力和电视的清晰度 人眼的分辨力是指人眼对所观察的实物细节或图像细节的辨别能力,具体量化起 来就是能分辨出平面上的两个点的能力。人眼的分辨力是有限的,在一定距离、一定 对比度和一定亮度的条件下,人眼只能区分出小到一定程度的点,如果点更小,就无 法看清了。根据人眼的分辨力,决定了影视工作者力求达到的影像清晰度的指标,也 决定了采用图像像素的合理值。 人眼分辨图像细节的能力也称为“视觉锐度”,视觉锐度的大小可以用能观察清楚 的两个点的视角来表示,这个最小分辨视角称为“视敏角”。视敏角越大,能鉴别的图 像细节越粗糙;视敏角越小,能鉴别的图像细节越细致。在中等亮度和中等对比度的 条件下,观察静止图像时,对正常视力的人来说,其视敏角在 1~1.5 分之间,观察 运动图像时,视敏角更大一些。 为了将研究的对象从两个点扩大到一个面,所以将视敏角从人眼到两个点之间的 夹角,引伸到从观察点(人眼)到一定距离的一条相邻黑、线条”之间的夹角。如果 观察的是在垂直方向上排列的一系列连续水平黑白线条,则能表现出图像的垂直清晰 度;如果观察的是在水平方向排列的一系列连续垂直黑白线条,则能表现出图像的水 平清晰度。 电视正是利用了这个原理,确定出了电视应当设计成具有多高的垂直清晰度和多 高的水平清晰度,再从清晰度推算出需要多少条水平扫描线和多少条垂直扫描线,从 扫描线又推导出需要多少水平像素和多少垂直像素,也即建立起了相应的图像的分辨 率和单幅电视图像的扫描格式,将它再与每秒钟图像的显示次数和其它指标结合起 来,最终建立起了相应的电视制式。下面,我们以 PAL 制电视为例,说明其清晰度 和分辨率是怎样演变出来的。 2、垂直清晰度 上面已经提到过,根据视敏角原理,人眼能辨别在垂直方向上排列的相邻黑白水 平线条的细致程度叫垂直清晰度,但是怎么来鉴别和量度这个细致程度呢?下面参照 图 4 来加以说明。假设画面高度为 H,在垂直方向上有 M 条黑白相间、具有一定宽 度的水平线条,每条水平线条在垂直方向上的宽度为 h。如果人眼在距离为 L 处刚好 可以分辨清楚这些水平线条,则视敏角 θ 可表示为: θ=h/L(弧度) 因为每条线对的宽度为 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/L)(1/θ) 试验表明,观看图像的最佳距离应当是画面高度的 4 倍至 5 倍,这时的总视角约 为 15 度,在这种情况下,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) 这个 458 线也就是我们所说的 458 条电视线, 简称“线”。 从上面的计算可以看到, 在 5 倍画面高度的距离观看图像时,人眼的垂直分辨力是约 458 线,这时图像所具有 的垂直清晰度正是 458 线。这样,在制定电视制式的扫描格式时,其垂直像素应当基 于 458 线清晰度来考虑。 水平清晰度 水平清晰度的确定,与确定垂直清晰度的思路是一样的。不过,由于电视机画面 的宽高比,以及垂直清晰度和水平清晰度对整体图像质量影响的关系,不经过上述复 杂的推导,也可以很方便地算出水平清晰度线数来。 传统电视屏幕的宽高比是 4:3,这是根据原来的电影银幕的长宽比预先确定下来 的。试验说明,在图像显示时,水平清晰度和垂直清晰度应当接近或一样,才能获得 最佳的图像质量。利用这两点,再根据垂直清晰度计算原理,将垂直清晰度线数乘以 屏幕幅型比 4/3,立即可以算出图像的水平清晰度线数 N 为 N=4/3 M =4/3×458 =610(线) 这就是说,在 5 倍画面高度距离观看 4:3 画面的图像时,人眼的水平分辨力约 为 610 线,这时图像所具有的水平清晰度正是 610 线。 以上就是电视垂直清晰度和水平清晰度的来源。从这里不难看出,在明确了人眼 的垂直和水平“分辨力”后,也明确了电视的“清晰度”的概念:电视的清晰度是指电视机 已经显示出来的黑白相间的直线,在垂直方向或水平方向将屏幕排满时,人眼所能辨 别的最细线条数,或者说能辨别的最多线条数。在垂直方向排列的这种水平线条的最 大数量,是电视的垂直清晰度;在水平方向排列的这种垂直线条的最大数量,是电视 的水平清晰度。 可见,清晰度是在确定电视图像的扫描线数和像素数之前就提出来了的一个重要 概念和物理量,而与“水平像系×垂直像素”所表示的分辨率概念和物理量完全不是一 个东西。分辨率对图像信号来说也好,对显示器材的屏幕像素来说也好,都是固定不 变的, 而清晰度却是可变的。 虽然图像信号分辨率的高低对电视机图像清晰度有影响, 但信号分辨率并不是人们看到的图像清晰度;显示设备的像素对图像清晰度也有影 响,但它也并不是人们看到的图像清晰度。图像信号分辨率是源头,最终显示的图像 清晰度是结果;从数量上来说,清晰度永远小于分辨率。同一分辨率的图像信号,通 过不同的传输渠道和不同的显示设备,最终得到的图像清晰度是各不相同的。因此, 分辨率与清晰度之间并没有直接换算关系。如果说有换算关系的话,也只能是“自己 与自己”换算,而不能进行源头与结尾、源头与中间以及中间与结尾之间的换算。有 关这方面的问题,我们以后将要谈到。 PAL 制电视图像分辨率的由来 从上面的介绍已经知道,将处在同一垂线上的所有水平扫描点(水平像素)从垂 直方向连接起来,可以构成垂直方向的许多线条;将每一条水平扫描线的所有扫描点 (水平像素)从水平方向连接起来,可以构成许多水平线条。那么,如果已经有 458 条水平扫描线和 610 条垂直线条将屏幕布满, 这些线条是否就可以再现出上面计算出 来的 458 线垂直清晰度和 610 线水平清晰度来呢?回答是否定的,因为这牵涉到“孔 阑效应”和扫描线的有效性问题。 所谓孔阑效应,是指当扫描电子束光点尺寸小到与实物细节或图像细节光点尺寸 相同和相近时,会造成对应尺寸的图像细节模糊的现象,也就是图像清晰度受电子束 孔径(直径)大小限制的现象。这种现象既存在于摄像过程中,也存在于显像过程中。 以摄像为例,具体说来是这样的:由于扫描电子束光点的电信号是被摄取的实物细节 光点所具有的面积内的平均值,当扫描电信号光点与实物细节在尺寸上差不多时,如 果扫描电子束在扫过两个黑白相邻的实物细节时,电子束正好扫在实物细节光点上, 那么就能真实地重现黑、白光点的突变边界,保持了高的水平清晰度;相反,如果扫 描电子束扫过的不是两个黑白相邻的光点本身,而是它的边缘,这时,就不能重现出 光点黑白突变的边界,而是重现出一个明暗过渡的边界,从而使图像细节变得模糊, 使图像水平清晰度下降,其下降的程度为 50%。