【摘 要】 闡述了電視圖像拍攝指標優化技術應用背景。分析了分量信號轉換為RGB信號時合法與有效的理論根據，以及利用菱形顯示尋找圖像 RGB色域的變化趨勢。介紹了利用波形多功能監測儀等工具進行圖像拍攝比對組實驗方法，提供了獲得優化指標的攝像單元組合參數實際有效成果。
【關鍵詞】 菱形顯示?有效?合法?RGB?YPbPr?色域?光圈?快門
目前，電視行業正在面臨一場變革，從過去傳統的模擬電視向數字化、高清化和網絡化發展。在整個錄制過程中，一方面要求畫面清晰透亮、色彩柔和又艷麗、質感細膩、層次豐富；另一方面要求節目拍攝指標不出現超標現象，整個節目色調合理，信號幅度標準統一，由此產生了數字電視的圖像拍攝指標檢測手段和優化技術的新課題。在節目技術審查實踐中，我們深切感受到前面所述的這種制作圖像質量方面的矛盾：很多節目拍的很鮮亮，但往往都是指標超了，導致技術審查不能通過；而那些指標合格的節目，更多的是畫面的主觀感受比較差。自從使用泰克波形多功能監測儀后，在電視圖像波形的檢測方面手段更加先進，對上述問題的感受也更加深刻。
本文圍繞著Tektronix公司的波形多功能監測儀以及廣播級高/標清攝像機展開。筆者通過分析如下理論原理：為什么對于合法的YUV信號來說，在還原成RGB信號之后常常出現不合法的情況？哪種合法的數字YUV信號，在還原成RGB信號之后仍然有效。以此同時進行大量室內和室外圖像拍攝及指標測試的實驗，同時在實驗比對組設置了許多項拍攝設備技術參數的變化。進而總結出能夠既保證指標不超標（合法），又提高主觀評價效果的有效優化圖像拍攝質量的攝像單元技術參數設置方法。
一. 電視圖像拍攝指標的分析
在當前為滿足模擬傳輸通道和模擬播出的要求，廣電總局制定的行業標準GY/T 223-2007《標準清晰度數字電視節目錄像磁帶錄制規范》中規定了視頻信號的等效模擬參數，如表1。
圖1 Y,PB,PR信號和R，G，B信號的色彩空間差異
(注：該值對應的是100/0/100/0彩條，如我國使用的EBU100/0/75/0彩條標準時，此項應為800mV和-175mV。)
在電視攝像單元中，信號的轉換過程大致為（忽略模數變換）：光電轉換之后形成RGB信號，接著經線性矩陣變換成YPbPr信號，而后經復用變
換成并行的數據流送去記錄單元，最后用移位寄存辦法變換成SDI（或HD-SDI）信號輸出。從R103-2000標準的規定來看，當YUV信號恢復為RGB信號后，只要R、G、B信號分別在-5%-105%的范圍內（即上限為735mV、下限為-35mV），并且亮度信號在-1% to 103%（即上限為721mV、下限為-7mV），即被認可為合法信號。但是按照規定Y信號的最大和最小電平分別為763和-48mv，Pb和Pr的最大電平和最小電平是398和-398mv。實驗也證明對任何SDI視頻信號：Y的最大值不會超過763mv，最小值不會低于-48mv，Pb和Pr的最大和最小值也不會超標。所以在攝像單元中光電轉換通道形成的RGB信號轉換為YUV信號時，理論上是不會超標的，因此傳統意義上對YPbPr的最大值和最小值的監測在數字領域沒有任何意義，而有意義的是合法的YPbPr是否能產生最有效的圖像。如果視頻信號在其使用格式中，信號電壓在規定容限之內，該信號合法。超出規定容限，則為非法信號。這是由于RGB信號與YUV信號各自彩色空間區域有較大差異所致，RGB信號是獨立的，而YUV信號不是獨立的，見圖1。
從圖1可見，在R'G'B' 域中，無論是超出上限還是超出下限的任一通道信號均代表無效信號，這是因為彩色落在有效色域之外，它也是非法的，因為有一個或多個分量超出了合法的容限。而在YPBPR域中，只有大約25%的取值可能存在于RGB彩色色域中，也就是說有約75%信號在轉換后是無效的。所以有必要明確和強調合法和有效的定義。
所謂合法是指：信號在其使用的特定的格式中，其電壓幅度的最大值沒有超出規定的容限范圍，那么這個信號就定義為合法信號，否則為非法的超標信號。 所謂有效是指：節目信號始終處于彩色色域之中，并且在轉換為其他任意格式時始終保持是合法的信號，那么該信號就是有效的信號，否則就是無效的超標信號。
根據ITU-R BT.601規定 ，YPBPR信號的方程式為：
Y’ =0.299R’+0.587G’ + 0.114B’
R’-Y’=0.701R’-0.587G’-0.114B’
B’-Y’=-0.299R’-0.587G’+0.886B’
經轉換為:
Y' = 0.587G' + 0.114B' +0.299R'
Pb = 0.564(B'-Y')
Pr = 0.713(R'-Y')
例如，如果對圖2的YUV信號轉換為RGB信號，就會出現無效信號。
R'=Y'+1.403Pr
R'(4)=0.37+1.403X(-0.3)=-0.05(mv)
G'=Y'-0.344Pb-0.714Pr
G'(5)=0.27-0.344X0.24-0.714X0.3=-0.027(mv)
B'=Y'+1.773Pb
B'(2)=0.56+1.773X(-0.35)=-0.06(mv)
000000000000000000000000000000
這是因為圖2中的YUV信號的亮度通道存在失真，其相對增益只有90%。當這種失真的信號轉換為RGB格式時，卻產生了一個非法信號：所有的三個分量均延伸至信號電平允許的最小值以下。由于這種失真的色差信號不能轉換為合法的RGB信號，實驗證明對所有的標準測試信號，也只有彩條信號是有效信號。數字視頻信號源之Y,PB,PR, 在還原成R,G,B時也同樣會產生無效信號,即非法彩色信號。 Y,PB,PR 僅僅是中間信號, 是由數學公式產生的信號,并非是最后還原圖像的信號。R,G,B信號源之于圖像, 最后由它還原成圖像。防止非法彩色是提高數字視頻質量的一個新課題。
二. 拍攝指標優化檢測內容的確認
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我們知道模擬時代，視頻通道的指標與圖像質量的關聯度極大，比如，亮色延時大就會看到圖像有彩色鑲邊，高頻頻響不好就看不清圖像的細節……，測量了通道指標就等于得到了信號失真程度，圖像質量好壞一目了然。
如今，數字通道以及數字記錄媒體上的信號已經全部數字化，用傳統的方法比較信號質量是沒有意義的，數字時代的圖像質量并不等同于信號質量。在目前數字視頻檢測領域中，檢測數字信號手段有：眼圖、閃電、菱形、箭頭、五豎條等。
眼圖主要是反映了數字系統的傳輸特性，利用眼圖顯示測量的基本參數是信號幅度、上升時間和過沖。眼圖的幅度與A/D變換前的模擬信號幅度毫無關系（包括傳輸過程中眼圖的幅度變小），因此眼圖的好壞并不能完全反映圖像質量的優劣。從理論上講，只要數字信號不出現誤碼，通過D/A變換后的模擬信號不會出現任何失真（除非D/A變換器本身質量低劣）。即便是幅度，也因量化過程全都變成固定的編碼，所出現的幅度失真也全然不是由傳輸或錄制所造成。作為基帶信號，數字分量信號已沒有色度的概念，所以不存在DG、DP、等失真。數字分量信號在亮度和色差信號取樣、量化時有嚴格的時序關系，所以，模擬分量中亮色增益差和亮色相位差失真也幾乎不會在傳輸中產生。
閃電、菱形、箭頭等顯示方式均是美國Tektronix公司提出的。由于技術先進、得到廣泛使用，因此成為目前最成熟的檢測方法。閃電顯示能夠對數字通道間定時的進行測量。它使用的是彩條測試信號，如果色差信號與亮度信號定時不一致，則彩色點間的過渡線就會出現彎曲。彎曲的程度代表亮度和色差信號間相對時延的大小。顯然這也不是我們拍攝指標優化所需要的。五豎條雖然涉及到了色度和亮度，但不是一個域的概念，因此只能表示是否超標而不能夠表示何種情況為更好。菱形和箭頭分別從數字分量信號的色域、復合信號的色域進行分析，以判斷此信號是否合法，是否優化。是我們關注的重點，因此下面來詳細了解。
1、檢查RGB色域的菱形顯示
圖3-1 形顯示之一 圖3-2 菱形顯示之二
菱形（Diamond）顯示的是R、G和B信號之間的關聯度，它適合查看顏色的色調和飽和度，但不顯示亮度信息。儀器從SDI串行信號中恢復的Y、Pb和Pr分量轉換為R、G和B，以構成菱形顯示。要顯示三種分量，必須位于峰值白色(700mV)和黑色(0V)之間，圖3-1。對于色域內的信號，所有信號矢量必須位于G-B和G-R菱形內。相反，如果信號矢量超出菱形之外，它就超出了色域。超出色域的偏移方向可指示哪個信號過量。見圖3-2的A、B、C。綠色信號幅度超標同時反映在兩個菱形，色信號超標僅映在上部菱形，紅色信號超標僅映在下部菱形。與閃電顯示一樣，躍遷彎曲指示定時延遲。當使用彩條信號時，垂直軸成為延遲誤差的指示器。在菱形顯示中，單色信號顯示為垂直線條。因此它對于檢測色域錯誤是一個很好的工具。
2. 檢查復合色域的箭頭顯示
箭頭（Arrowhead）顯示的是亮度（Y）隨色度(C)變化的軌跡圖，以檢查復合信號是否符合標準色域。刻度的箭頭形狀是由亮度標準限制和峰值色度標準限制的疊加構成的，見圖4。超過亮度幅度色域的信號伸展到了頂部水平限制之上。
超過亮度和峰值色度幅度色域的信號伸展到了上對角線和下對角線限制之外。可見閃電顯示適合查看色度和亮度增益。雖然這也是一個域的顯示，但我們可以看到，僅是一個色度的概念，不易判斷具體超標的顏色，所以相對于菱形顯示欠缺一些。
我們已經知道，關于非法信號的出現，主要是在（Y、R-Y、B-Y）分量信號轉成R、G、B時造成。因此對準確的顯示色域而言，R'G'B' 應是我們最關注的信號。如果信號在其工作格式動態范圍之內，則該信號為合法信號。如果信號所呈現的彩色落在有效色域之內，那么該信號為有效信號。這樣的信號在轉換為R'G'B'分量格式時，能使R'G'B' 信號始終保持合法。 綜合以上分析，為了有效的監測我們拍攝的圖像指標，我們選擇了對數字攝像機輸出的SDI信號進行測試。儀器從數子分量信號中分解出RGB信號來測量，這就符合了我們前面所做的條件分析。在多個顯示方法中選用菱形和箭頭顯示來檢測，而且以菱形為主。最大的優點是可以從三基色為準的色域評判我們攝取的圖像質量，它不僅僅是可以發現某個基色數值的超標問題，更重要是可以研判出在什么情況下色域中信號波形如何分布才能使圖像指標更優化、圖像質量更好。因為我們要解決的問題除了信號要是合法有效的之外，還要求是盡可能優化的。
三. 電視圖像拍攝指標優化的實踐
下面的實踐并不對已有的、與之有關的硬件設備和系統做出任何物理形狀方面的改動，而是通過改變攝像單元軟件參數來達到提升圖像質量的目的。這種改變的基礎是基于對使用波形多功能監測儀監測拍攝圖像的測試實驗，這些實驗是精心策劃的眾多比對組，它得出的結論歸納成為最終非常具有實用性的對策。
通過對拍攝圖像和波形的分析，來指導對攝像單元參數的調整（其它手段如光源、道具等不在此研究中涉及），以形成反饋機制，從而達到拍攝圖像指標的最優化，形成技術優化的可操作性參照標準。
1. 條件準備
搭建室內場景：色溫條件3200K并且可控、照度控制在1200Lux以上并且可控、拍攝距離大于5米；被攝對象：第一步簡單顏色如白、黃、青、綠、藍、紅、黑等色塊，色塊種類逐步增加，觀察其超標情況。第二步靜物從簡單到復雜、色彩從單調到斑斕，觀察情況同前。室外拍攝條件盡可能按ITU-R BT.802 《標準清晰度電視評價用圖像序列》準備。
2. 攝像機準備
安裝好設備后，攝像機的調節過程中要嚴格配合WVR611A波形多功能監測儀使用。需要考慮的調節內容有：
光線方面：濾光片、光圈、快門、增益；
白方面：濾色片、白平衡（手動R\B色溫）；
黑方面：消隱電平（主、R、G、B通道 ）、雜散光校正（主、R、G、B通道）；
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GAMMA方面： GAMMA校正（主、R、G、B通道）、預置GAMMA選擇，黑GAMMA校正（主、范圍、R、G、B通道）；
拐點方面：拐點（電平、斜率、飽和度、白切割電平）；
輪廓方面：第一部分（細節總電平、孔闌電平、溝邊電平、相關電平、垂直細節頻率），第二部分（拐點孔闌電平、細節白限幅、細節黑限幅、垂直細節黑限幅），第三部分（SD溝邊細節白黑限幅、行場混合比電平），第四部分（膚色輪廓、膚色細節電平、飽和度、色度相位、色調區域、膚色細節選擇）；
色彩矩陣方面：線性矩陣(R-G 、R-B、G-R、G-B、B-R、B- G)，多通道矩陣（設定區域、色調、飽和度、自動色彩檢測）。
低亮度部分：低亮度（功能開關、飽和度、有效區域亮度、伽馬曲線、Y黑伽馬亮度電平）。
3. 波形多功能監測儀準備
按照表2：EBU-R103-2000標準設定監測儀。
4. 圖像拍攝實驗及比對分析
由于實驗過程中拍攝圖像量很大，這里不能一一列出，同時考慮復雜圖像的波形和圖表在文章中難以辨認，故取一個簡單圖像的實驗步驟作介紹。實驗其中之一是對選取ROP菜單中的重要指標加以比對，來確認對圖像的影響。下面舉多色實驗為例。雖然多色的復雜性不高，但也有必要對拍攝器材進行多種設定，由于篇幅限制，這里我們只選取了光圈、快門兩項，比較容易理解。
①光圈確認項：保持在相同的照度下拍攝的，因此更能清楚的看出哪種顏色更容易超標，以及超標情況如何。該項表格省略。
分析： 一組多色為深藍、藍、橙、綠、天藍和黑，另一組為深藍、藍、橙、綠、黃和黑。前者在手動光圈為8+0.3的時候出現RGB（R B）超標，后者在11-0.5時就出現Composite超標，然后才出現RGB色域的超標。
總結：A.沒有暗色塊（如黑色）的情況下，超標的順序是Composite、RGB(B)、RGB (G B)、Luma。由此可以歸納出黃色最容易超標，其次是天藍色，還有橙色。這也可以從實際經驗中得到證明，藍天，大海等不容易把握、很容易超標看出來。這是在沒有很大的明暗對比的情況下
得出的結論。
B.當顏色中有很大的明暗的對比的時候，比如下面幾組中，黑色是最暗的，黃是僅次于白色最亮的，如果攝像機采用平均值的光圈控制，當有黑色和黃色兩種強烈對比時，攝像機在自動光圈的情況下就超標了。
C.塊的大小程度不會影響超標的情況，即畫面中只要能明顯看見這種顏色，就會引起指標的變化，但是指標不會隨著這種顏色占畫面的多少而變化。
②快門和光圈確認項
快門的影響要小于光圈，表4給出了實驗對比組的比較內容和變化情況，說明：當分量信號R、G、B告警時說明：數字分量中的R、G、B超標了。當復合信號C 告警時說明：雖然數字分量中的R、G、B不超標，但轉換成模擬時色度超標了。當亮度超標時，往往伴有前兩者的超標。
分析：A. 1/60秒和1/120秒有差不多一檔光圈的差距，1/50秒和1/60秒差別不大在半檔之內。從各組圖中選出圖例1468、1472、1476、1481、
1485、1489等做更詳細的說明。
為了便于客觀比較，將表4參數做成曲線，見表5表6。
表5 兩種快門在無黃色條件下超標情況
表6 兩種快門在有黃色條件下超標情況
B.由于光圈和快門在使用時起到的作用在本質是一樣的，所以指標種類超標規律與光圈確認項的總結是一致的。即帶有黃色的圖像要特別小心，很容易引起復合色域的超標。
需要指出的是,室外拍攝的圖像雖然復雜得多，但基本規律與室內拍攝情況是對應的。只是分析起來難度更大而已。
4. 優化技術實用經驗簡介
這里忽略了攝像機類型之間的差別，以現在主流的廣播級攝像機為準。檢測儀表結果根據兩類原則：一不報警、二指標盡可能臨界（視頻信號在正負兩個方向幅度最大、菱形顯示波形面積最大）。主要有以下幾點。
(1)確保指標不報警類
有光圈、快門、增益、濾光片、特定顏色和明暗對比等。從實踐看，不報警的控制還是相對比較容易做到。
先使用自動光圈起到一個粗略校正的作用，而后必須使用手動光圈，降低一般不少于半檔左右。有視頻檢測儀的可以結合其進行調整。無儀器的一定要使用斑馬紋提示功能。
快門除了應對特殊場景和物體的功能外，起到的作用類似于光圈，1/50和1/120之間光圈差距約為一檔。
室外強光照射和強反光環境下，濾光片的作用是必需的，它的作用是保持鏡頭光圈處在一個合理的位置上。一般鏡頭廠家提供的最佳參數為F4正負半擋。
關注黃色。很多情況下超標發生的過程是：原圖像中曝光基本正常且無非發信號，突然增加黃色物體時候就會立即出現復合色域超標。攝像機光圈對于攝像范圍內的圖像采取的是平均值取樣，所以應該避免明暗對比明顯的情況出現。如在一片昏暗景色中出現明亮的天空，天空部分波形幅度明顯遠遠大于旁邊的景物。如果需要可以改變為峰值取樣，但要謹慎使用，我們的測定與平均值取樣至少有15%幅度偏差。
(2)指標盡可能臨界類
有黑白平衡、伽馬校正、主GAMMA、R或B的GAMMA、黑電平、拐點和特殊效果等。這是難點，也是我們優化技術探討的主要貢獻點。
由于GAMMA主要影響中等亮度區域指標，因此一般不會導致圖像超標，但對圖像質量有很大影響。一般情況下，主GAMMA越低時，鉆石指標平鋪的越均勻，面積越大，畫面層次越豐富越飽滿越柔和。R或BGAMMA增加后，R或B信號明顯左移，說明紅色或藍色更亮，同時偏紅和偏藍色的部分也更濃。
在白天拍攝情況時，一般情況下BLACK STRETCH設置的越低，鉆石指標平鋪的越均勻，面積越大，畫面層次越豐富越飽滿。 所以可以盡量降低黑電平，以留下更多的空間來展現色彩和灰度信息。
高檔設備具有手動色溫（白平衡）設置功能，可以對照色板或利用經驗調節出拍攝需要的圖像色調。對于高亮度圖像和強烈對比圖像。在黃色不超標的情況下，可以對其他顏色增加照度，以拍出更好的畫面。又如在拍攝夕陽時，對著藍色的參照物手動調節白平衡，可以拍攝出充滿溫暖氣氛的畫面。
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使用彩色矩陣實際上是減少了色域的范圍，功能是可以起到負反饋的作用。因為從電路原理來講，該電路是在R、G、B信號轉換成Y、R-Y、B-Y過程中使用的，正確使用可以修復一些超標情況，麻煩的是需要具體情況區別對待。B&P
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