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目前，數(shù)字視頻信號有RGB信號和YCbCr（YUV、亮彩、色差）信號兩種，通常也叫做色彩空間，它們對色彩的表示方法有所區(qū)別。 我們可以在3維立方體中通過繪制三原色(即紅色、綠色和藍色，簡寫為RGB)的構(gòu)成比率圖以表示各種顏色，其中黑色位于原點，而白色則位于原點的斜對角。得到的立方體就是著名的RGB色彩空間，它主要用于計算機設(shè)備對色彩的描述（PC Level）。而另一種色彩空間YCbCr是采用一個亮度信號(Y)和兩個色差信號(B-Y、R-Y)相組合，稱為色差信號，主要由電視機等消費類產(chǎn)品（Studio Level）采用。因為當時在黑白畫面過渡到彩色畫面的歷程中，為了兼容黑白畫面(B-Y和R-Y信號為零)，電視臺除了傳送原來的亮度信號Y以外，再用次載波（3.58MHz）來傳輸色彩信號B-Y、R-Y，而不是RGB三原色信號。 而YCbCr和RGB空間是可以相互轉(zhuǎn)換的，可用如下的方程將YCbCr空間中的色彩轉(zhuǎn)換為RGB色彩空間中的色彩： R’=1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128) G’=1.164*(Y-16)-0.813*(Cr-128)-0.392*(Cb-128) B’=1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128) 灰階模式也有兩種 Full Range 視頻信號由模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程中涉及到了采樣技術(shù)，RGB信號在處理圖像時，每個像素的色彩由3個分別對應三原色的8位二進制數(shù)字來確定，28=256個灰階。比如（255，255，255）代表白色，（255，0，0 ）代表紅色，那么灰階總共是0～255一共256個，通常被稱作Full Range。 Limited Range 這種信號格式的每個像素記錄需要24位，所需的存儲空間和數(shù)據(jù)量毫無疑問比較大。而YCrCb信號如果采用13.5MHz采樣頻率得到的8位或10位PCM信號則稱為4∶4∶4，也有256個灰階。但是這樣的話數(shù)據(jù)量太大了。研究表明，人眼察覺到的光亮度信息(Y)的60%至70%來自綠色光。紅色和藍色信道實際上只是亮度信息的復制，因此這些重復信息完全可以去除掉。為了減少數(shù)據(jù)儲存空間和數(shù)據(jù)傳輸帶寬，可以用較低的采樣頻率6.75MHz來采樣B-Y和R-Y信號，稱做4∶2∶2，也就是消費電子的Studio Level。 在Studio Level設(shè)備中，8位YCbCr系統(tǒng)都規(guī)定亮度的取值范圍介于16至235之間，而B-Y和R-Y信號的取值范圍介于16至240之間。YCbCr 4∶2∶2色差信號的灰階是16～235，通常被稱作Limited Range，而RGB信號也有兩種采樣頻率和灰階，在PC Level系統(tǒng)中是0～255，而在Studio Level消費電子中則是16～235。 灰階出現(xiàn)問題 那么，視頻信號有兩種不同的色彩空間和灰階模式，如果交叉互連時，灰階就有可能出現(xiàn)問題。如果不同色彩空間的設(shè)備之間進行了連接，那么灰階信號就可能因為不匹配而丟失，造成畫面的細節(jié)缺失。而不同灰階模式的設(shè)備相連也可能出現(xiàn)灰階丟失的問題。我們平時所使用的顯卡或者PC顯示器，它們都是PC Level的設(shè)備，采用Full Range灰階。而DVD播放器、投影機、平板電視等則是Sutio Level設(shè)備，采用Limited Range灰階。不同設(shè)備之間的互相連接，對灰階的處理情況可能會有不同。 PC對色彩空間的處理 如果你使用的是電腦顯示器連接PC，那么毫無疑問，你的顯示器是PC Level設(shè)備，可以顯示完整的0～255灰階。但是這個情況只是在使用桌面輸出的時候，諸如DisplayX、Displaymate等測試軟件時能夠看到完整的灰階，如果播放Studio Level的DVD影碟、高清視頻文件時，灰階又可能是另一回事。那么，Studio Level的視頻素材在PC和PC顯示器上播放的時候也要經(jīng)過處理嗎？答案是肯定的。Studio Level標準里，黑色為16，白色則為235，低于16的稱為Blacker Than Black(BTB)，高于235的稱為Peak White。編碼時數(shù)字16對應視頻電壓0mV，是畫面最黑的地方，這是日本NTSC制式采用的基準黑電平，235對應亮度電壓714mV，這是最亮的地方。向下留有15級Footroom（下動態(tài)余量），向上留有19級Headroom（上動態(tài)余量）。如果DVD盤片記錄的信號是16，那么在電視機中則被還原成黑色，低于16的信號則不被顯示，高于235的Peak White信號則做削波處理，還原為白色。Studio Level的信號如果在PC中不處理，16～235信號就會出現(xiàn)發(fā)白的顏色。 PC在播放影片的時候，一共經(jīng)過了以下四個流程： 來源影片→解碼器→顯卡→顯示器 其實我們只需要一個步驟把灰階從16～235轉(zhuǎn)換到0～255就可以了。但是，為了解決Studio Level的灰階問題，這四個部分都有可能出現(xiàn)在灰階部分進行處理的混亂情況。所以，最后影片出來的播放效果就有可能慘不忍睹。 在為影片轉(zhuǎn)碼壓制DVDrip的時候，很多壓制軟件就有“Extend to PC video" 的選項，將16～235灰階擴展到0～255。 顯卡在渲染視頻畫面時，也分Overlay和VMR9等模式。用Overlay（覆蓋）模式渲染時，會把視頻信號里的0～15和236～255丟棄，把16～235擴展為0～255，并輸出到顯示器上。與之配合的PC Level顯示器把顯卡輸出的0對應于最黑，輸出的255對應于最亮。在Overlay模式下，多余的BTB和Peak White信號都被忽略掉了。這樣做可能會丟失部分場景的高光細節(jié)，而原本的219級灰階擴展為256級灰階后，也會出現(xiàn)某些灰階圖像過渡不夠自然的情況。 而在VMR9渲染模式下時，顯卡對視頻信號不做任何變換，直接輸出給顯示器。如果顯示器還是按PC Level調(diào)整的，0是最黑，255是最白，那么參考黑位在顯示器上就是（16，16，16），結(jié)果看起來就是不那么黑，有點發(fā)白。 解決辦法就是把顯示器按照Studio Level調(diào)整，把亮度調(diào)低點。 現(xiàn)在，很多播放軟件和視頻插件也支持輸出灰階調(diào)整功能。以The KMPlayer播放軟件為例，打開參數(shù)選項中的“模糊/色階”，然后在“色階控制”選項中選擇開啟，在輸出幅度位置選擇16～235替代默認的0～255。CoreAVC、gabest、ffdshow等解碼器都有相關(guān)的灰階擴展選項。 而在顯示器方面，一般我們使用的是0～255灰階的PC Level設(shè)備，但是我們也可能使用Studio設(shè)備的平板電視機。所以，在上述的幾個步驟中，無數(shù)的混亂造成影片播放時灰階的嚴重丟失。要調(diào)整好它們之間的關(guān)系，不下一番苦功夫是不行的。 HTPC和電視機的連接 AV領(lǐng)域的視頻設(shè)備是從16～235之間取值的，不過實際上很多中高端的DVD播放器、電視機和投影機都可以選擇PC Leve（l Full Range）或者Studio Level（Limited Range）模式來適應不同的狀況。 如果HTPC輸出的信號是0～255的Full Range灰階信號，而Studio Level的電視機則是以16作為基準黑，235作為基準白的。這個時候，原本0～15和236～255之間的細節(jié)都顯示不出來了。不過，這部分細節(jié)并沒有被丟掉，只是被電視機藏到了一個不易被人注意的角落。因為Studio Level仍然還有BTB和Peak White信號，我們只要對電視機的gamma重新進行調(diào)節(jié)，就可以把大部分細節(jié)還原出來。 如果是直接用HDMI接口連接視頻播放設(shè)備和電視機呢？也有可能因為輸出的灰階格式和機電視機的兼容格式不同造成灰階的丟失。比如，藍光播放器輸出的是RGB Full Range格式，而電視機則只支持Limitel Range，就需要對輸出端進行調(diào)整。在PS3、藍光播放器等HDMI設(shè)備中，都可以對HDMI接口的灰階深度進行調(diào)整，比如在PS3上，有一個RGB Full Range（HDMI）的選項，選擇“有限”則是以16～253的范圍輸出RGB信號，選擇“全取”則是以0～255的范圍輸出RGS信號。而現(xiàn)在，NVIDIA顯卡和ATI顯卡也可以通過驅(qū)動面板對HDMI的灰階進行調(diào)整，選擇RGB Full Range、RGB Limited Range或YCrCb 4:4:4的數(shù)字顏色格式。 實際測試和調(diào)節(jié) 我們使用HTPC和松下42PV70C等離子電視機相連，實際考察HTPC和電視之間的兼容情況。HTPC這邊使用了原生HDMI接口的Radeon HD 3450顯卡、DVI接口轉(zhuǎn)接HDMI的RadeonHD 3650顯卡和DVI接口轉(zhuǎn)接HDMI的GeForce 8800 GT顯卡，通過HDMI接口連接到電視機上。平時，松下42PV70C電視機的HDMI接口已經(jīng)通過連接PS3游戲機設(shè)置好了亮度和對比度值，設(shè)置為對比度為85，亮度為50時，畫面的細節(jié)有較好的表現(xiàn)。而HTPC通過DVI轉(zhuǎn)接的HDMI接口在連上電視及以后，我們打開了一張灰階測試圖片，黑色灰階16以下的全部不可見，而白色灰階235以上的也不可見。這正好說明了電視機以16灰階作為黑色，丟棄了大部分的暗部細節(jié)。接下來，我們播放了一段ts格式測試視頻片段，黑色和白色各有一個色塊在播放中丟失了。而我們換用原生HDMI接口的Radeon HD 3450顯卡后，也發(fā)現(xiàn)灰階丟失同樣非常嚴重。不過，無論是DVI轉(zhuǎn)接還是原生的HDMI接口的顯示圖像都可以通過調(diào)節(jié)電視機的亮度和對比度提升細節(jié)表現(xiàn)能力，在降低對比度到40，提升亮度到90以后，大部分灰階都可以看到了。但是，此時的畫面相對比較暗淡，且仍然有6以下的黑色灰階不可見，黑色部分的噪點也增加了?？梢哉f，細節(jié)出來了，但是畫面的觀感還不如調(diào)節(jié)前。 接下來，我們又通過VGA接口連接PC到42PV70C電視機上進行測試。此時，在先前的對比度80，亮度50的設(shè)置下，所有的灰階都正常，1～254灰階都可以正常辨識。由此看來松下42PV70C電視的HDMI接口只能兼容Limited Range的灰階，在連接HTPC時其表現(xiàn)還不如VGA接口。通過VGA接口的顯示效果都要比HDMI更好。 除了調(diào)節(jié)顯示器以外，我們還可以通過軟件調(diào)節(jié)的方法增加畫面細節(jié)。但是，通過軟件的調(diào)節(jié)大多數(shù)只能調(diào)節(jié)視頻的Gamma值，對桌面的顯示輸出沒有改變。除了前面我們講到的調(diào)節(jié)The KMPlayer、CoreAVC等解碼器之外，還可以調(diào)節(jié)顯卡驅(qū)動。在ATI顯卡的Avivo驅(qū)動面板中可以調(diào)節(jié)視頻亮度和對比度，來增加視頻的細節(jié)。通過調(diào)整以后，測試的ramp.ts視頻畫面中缺失的色塊又回來了。只是我們在前面說過，該調(diào)節(jié)僅僅是調(diào)整的視頻畫質(zhì)，桌面顯示和圖片的質(zhì)量仍不理想。在ATI最新的8.11驅(qū)動里，如果使用HDMI接口連接，還增加了一個像素格式的選項，可以選擇計算機標準Full RGB、Sudio視頻Limited RGB以及YCbCr 4:4:4、YCbCr 4:2:2。如果選擇YCbCr 4:2:2，細節(jié)表現(xiàn)能力也會提升。 在高清音頻領(lǐng)域，有一個名詞正在流行，那就是“點燈”。意思是可以實現(xiàn)高清音頻源碼輸出的播放設(shè)備加次世代功放的組合，在經(jīng)過正確的設(shè)置后，實現(xiàn)了高清音頻的正確解碼，功放上對應高清音頻解碼燈成功亮起。而在HDMI視頻領(lǐng)域，我們也可以用“點燈”來形容灰階的正確輸出和顯示，但是這個設(shè)置和判斷是非常困難的，不知道你成功“點燈”了嗎？ |
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