迄今為止電視廣播采用隔行掃描已經近60年了,而計算機顯示、圖形處理和數字電影則采用了逐行掃描。逐行掃描是最簡單的也是最好的掃描方式,不過受到頻帶資源和刷新頻率的限制逐行掃描無法在模擬電視廣播中得到應用,近年來數字電視技術的發展使逐行掃描在廣播電視行業的應用成為可能。
為什么電視選擇了隔行掃描
電影和電視再現活動圖像的基礎是人眼的視覺惰性(或稱人眼的視覺殘留特性),人眼視覺惰性的活動閾值是每秒24次,即每秒鐘連續顯示24幅以上的不同靜止畫面時人眼就會感覺圖像是連續運動的而不會把它們分辨為一幅幅靜止畫面,因此從再現活動圖像的角度來說圖像的刷新率必須達到24Hz以上。
人眼視覺惰性的另一個重要特性是對光源閃爍的敏感性,人眼閃爍感的閾值大約是50Hz左右,即非連續發光的光源閃爍頻率高于每秒鐘50次時人眼就會感覺該光源是連續發光而不是間斷閃爍的。因此從消除圖像閃爍的角度來看圖像的刷新(閃爍)頻率必須達到50Hz以上。
電視采用掃描的方法把兩維的靜止畫面分解成若干行一維的掃描線,構成一幅完整畫面的全部掃描線叫電視幀。最簡單的掃描方式就是每一幀圖像由電子束順序地一行接著一行連續掃描而成,即逐行掃描。很明顯,為了滿足傳輸活動畫面的要求每秒鐘必須傳輸24幀以上的電視畫面。
不過24Hz以上的幀頻只能滿足電視傳輸活動畫面的要求,如上所述只有使刷新頻率達到50Hz以上才能消除圖像的閃爍感,但如果把幀頻提高到50 Hz以上則傳輸電視信號需要的信道就太寬了。例如在標準清晰度模擬電視系統中允許的圖像信號帶寬是5至6MHz,幀頻提高一倍時圖像信號的帶寬將達到10至12MHz,這大大降低了頻率資源的利用效率。
為了在有限的帶寬資源條件下提高圖像刷新率,模擬電視時代采用了隔行掃描技術。所謂2:1隔行掃描就是把一個電視幀分成兩個電視場分別掃描,奇數掃描行構成的場叫奇數場,偶數掃描行構成的場叫偶數場,奇數和偶數場交錯組成一個電視幀。2:1隔行掃描的行掃描頻率為逐行掃描時的一半,因而電視信號的頻譜及傳送該信號的信道帶寬亦為逐行掃描的一半。采用2:1隔行掃描后刷新頻率由幀頻變成了場頻,提高了一倍。在圖像質量下降不多的情況下信道利用率也提高了一倍。由于歷史的原因大多數交流電網頻率為50Hz的國家和地區其電視場頻都選擇了50Hz,而電網頻率為60Hz的國家和地區的電視場頻為60Hz,也就是說在世界上的大多數國家和地區其電視信號的場頻與所在地電網的頻率相同。
與逐行掃描相比隔行掃描節省了傳輸帶寬但也帶來了一些負面影響。由于一幀是由兩場交錯構成的,所以會產生行間閃爍、并行及垂直邊沿鋸齒化等不良效應,拍攝高速運動的物體時這些不良效應會更加突出。隔行掃描的垂直清晰度也比逐行低一些,逐行掃描時科爾系數(Kell Facotr)大約為0.7,即電視系統能夠重現的垂直清晰度大約是有效掃描行數的70%。隔行掃描的科爾系數大約為0.5,也就是說在掃描行數相同的情況下隔行掃描的垂直清晰度只有逐行掃描的70%。為了得到更高品質的圖像質量,逐行掃描也已經成為數字電視的優選方案。例如,在美國的數字電視方案中就有480/60P和720/60P兩種逐行掃描格式。
從本質上說隔行掃描是一種模擬的電視信號帶寬壓縮技術,這種掃描方式在模擬電視時代有效地解決了刷新率與信號帶寬之間的矛盾,在數字電視時代也被繼續廣泛應用。目前電視廣播普遍采用的是2:1隔行掃描,即把一幀分成兩場,理論上也可以采用3:1甚至4:1隔行掃描,就是把一幀分成三場或四場,但實際上只有2:1也就是隔1行掃描被廣泛采用,這是因為更高的隔行比雖然能提高信道利用率但顯示活動圖像時的圖像質量較差。
通過上述討論可以得出結論,逐行掃描可以得到比隔行掃描更高的圖像質量,但電視行業選擇隔行掃描主要是基于兩個非常簡單的考慮,第一是閃爍頻率,第二是傳輸帶寬。實際上在模擬電視時代隔行掃描技術是一個用有限頻帶資源實現優化顯示效果的最佳折衷選擇。
顯示技術的發展和演變
在模擬電視時代,電視的拍攝、制作和顯示的掃描方式和刷新率必須是相同的,這也是模擬電視采用隔行掃描的原因之一。80年代末期以來,隨著數字處理技術特別是幀存儲器在接收機中應用的逐漸普及以及液晶、等離子等新型平板顯示器件技術的發展,圖像顯示的掃描方式和刷新率異于拍攝和制作也成為可能的選擇,這種處理方法在模擬電視時代是不可能實現的。
• 2倍場頻顯示
為了在不改變發送信號掃描方式的條件下消除顯示圖像的閃爍感,很多大屏幕接收機采用了2倍場頻掃描技術,即先把50Hz隔行掃描的信號存儲在幀存儲器內,然后用100Hz的隔行掃描方式讀出并顯示,實際上就是把每場信號顯示兩次,這樣顯示的刷新率就比拍攝時的取樣速度提高了一倍。盡管這種倍場頻顯示的方式在單位時間內的有效信息量并沒有增加但由于刷新率的提高可以有效地消除顯示圖像的閃爍感。2倍場頻顯示主要應用在場頻為50Hz的國家和地區,其主要原因是50Hz正好是人眼閃爍敏感的臨界點,50Hz場頻的閃爍感要比60Hz場頻明顯得多。
• 2倍行頻顯示
2倍行頻顯示也就是倍行顯示,即顯示的掃描行數比信號源的掃描行數高一倍。倍行就是在顯示終端用數字技術在每兩個掃描行之間增加一個掃描行,比較粗糙的處理就是把上一個掃描行簡單地重復一次,精密的處理則采用插值運算的方法把相鄰行的電平和空間分布經運算后得到新增加的行。倍行顯示的方式能夠有效地減少大尺寸屏幕上掃描線的可見度,增加畫面的細膩感。與倍場頻顯示的方式一樣,盡管倍行頻顯示并不能增加單位時間內的有效信息量,但通過改變光柵結構達到了改善顯示圖像質量的目的。
• 逐行顯示
逐行顯示就是把隔行掃描的電視信號用數字處理的方式轉換成逐行掃描信號以達到改善顯示質量的目的。常用的隔行轉逐行的處理方式是把每秒50場、每場312.5行的隔行掃描信號轉換成每秒50幀、每幀625行的逐行掃描信號。為了降低圖像的閃爍感有些電視機把顯示刷新率提高到每秒60幀,還有一些數字電視接收機把隔行掃描的電視信號轉換成逐行掃描的計算機顯示格式如VGA(640x480,60Hz或更高的幀頻),SVGA(800x600)或XGA(1024x768)顯示。
這種在顯示端把隔行掃描的信號轉換成逐行顯示得到的圖像與通過逐行掃描拍攝得到的畫面是不同的,因為把1場轉換成1幀后增加的掃描行是通過插值運算得到的,所以與原來的1場相比這1“幀”的有效信息量并沒有增加。不過由于掃描方式的改變,這種逐行顯示的處理方法可以有效地消除大屏幕電視顯示隔行掃描信號時的行間閃爍感?! ?BR> 實際上上述幾種顯示技術都是在不改變發送信號掃描方式的前提下通過改變顯示終端掃描方式的方法達到提高顯示圖像質量目的的。
• 多格式接收單格式顯示
在美國多種DTV格式并存的情況下,還出現了多格式接收單一格式顯示的方案。為了能接收各種不同清晰度和掃描方式的數字電視節目有些接收機采用了多格式機頂盒,機頂盒內置了掃描/清晰度轉換器,無論接收的信號是隔行還是逐行,高清還是標清,機頂盒內置的掃描/清晰度轉換芯片都把其轉換成某個固定的掃描/清晰度格式輸出顯示。例如,有的機頂盒采用VGA或DVI顯示接口,輸出清晰度為XGA或WXGA,即分辨率1024x768的4:3屏幕或1366x768的16:9屏幕,每秒60幀,內置的轉換器會把輸入的不同信號格式都轉換成XGA或WXGA輸出以配合相應清晰度的平板顯示器。
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平板顯示器件 近年來隨著顯示屏幕尺寸的擴大,顯像管類的傳統顯示器件正在逐步讓位給等離子顯示屏(PDP)和液晶顯示屏(LCD)這樣的平板顯示器件,采用LCD或DLP芯片的投影顯示設備也有了長足的發展。顯像管的光柵是通過電子束掃描形成的,這種靈活的掃描尋址方式不需要逐一驅動每個像素,因此既適用于隔行也適用于逐行顯示。而PDP、LCD、DLP的圖像顯示原理與顯像管完全不同,他們是有限像素的面陣列顯示器件,這種采用XY尋址的顯示方式需要逐一驅動每個像素單元,不論輸入信號是何種掃描方式也不論他們的清晰度高低都要被轉換成與顯示面板像素數量相同的清晰度顯示,因此這類新型的平板顯示器件更適合于顯示逐行掃描信號。實際上采用PDP、LCD、DLP等器件的電視顯示的都是逐行掃描圖像,即使輸入的是隔行掃描信號也會在顯示驅動電路中轉換成逐行掃描。因此,也可以把PDP、LCD、DLP等稱為逐行掃描顯示器件。
Psf - 逐行分段傳輸
逐行掃描信號的傳輸方式有兩種,一種是一幀一幀地傳輸逐行掃描信號,另一種是把一幀逐行掃描的電視信號分成奇數場和偶數場分別傳送,即Progressive segmented frame -逐行分段傳輸,縮寫為Psf。Ps