為什么電視選擇了隔行掃描

    電影和電視再現(xiàn)活動圖像的基礎(chǔ)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(xù)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(xù)運動的而不會把它們分辨為一幅幅靜止畫面,，因此從再現(xiàn)活動圖像的角度來說圖像的刷新率必須達(dá)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(xù)發(fā)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(xù)發(fā)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(dá)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(gòu)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(xù)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再現(xiàn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)清晰度模擬電視系統(tǒng)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(dá)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(shù),。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(shù)掃描行構(gòu)成的場叫奇數(shù)場,，偶數(shù)掃描行構(gòu)成的場叫偶數(shù)場,，奇數(shù)和偶數(shù)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(zhì)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(shù)交流電網(wǎng)頻率為50Hz的國家和地區(qū)其電視場頻都選擇了50Hz，而電網(wǎng)頻率為60Hz的國家和地區(qū)的電視場頻為60Hz,，也就是說在世界上的大多數(shù)國家和地區(qū)其電視信號的場頻與所在地電網(wǎng)的頻率相同,。

與逐行掃描相比隔行掃描節(jié)省了傳輸帶寬但也帶來了一些負(fù)面影響。由于一幀是由兩場交錯構(gòu)成的,，因此隔行掃描的垂直清晰度比逐行低一些,。逐行掃描的科爾系數(shù)(Kell Factor)大約是0.7，隔行掃描為0.5,，即在掃描行數(shù)相同的情況下隔行掃描的垂直清晰度只有逐行掃描的70%左右,。隔行掃描還會帶來比較明顯的場間閃爍，拍攝移動物體時容易產(chǎn)生邊沿鋸齒化等不良效應(yīng),，與逐行相比隔行的圖像不利于圖形和圖象的計算機(jī)處理,，降低了壓縮效率，長時間觀看時眼睛容易疲勞,。

為了得到更高品質(zhì)的圖像質(zhì)量,，逐行掃描也已經(jīng)成為數(shù)字電視的選擇方案。例如,，美國的數(shù)字電視播出格式既有隔行掃描的480/60i和1080/60i,，也有逐行掃描的480/60P和720/60P,。1080/24P，25P和30P逐行掃描也被用于高清數(shù)字電視節(jié)目的制作和交換,，以DVD為發(fā)行載體的大部分?jǐn)?shù)字電影節(jié)目采用了480/24P或576/25P逐行掃描,。

從本質(zhì)上說隔行掃描是一種模擬的電視信號帶寬壓縮技術(shù)，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(shù)字電視時代也被繼續(xù)廣泛應(yīng)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(zhì)量較差,。

通過上述討論可以得出結(jié)論，逐行掃描可以得到比隔行掃描更高的圖像質(zhì)量,，但電視行業(yè)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(shù)是一個用有限頻帶資源實現(xiàn)優(yōu)化顯示效果的最佳折衷選擇,。

顯示技術(shù)的發(fā)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(shù)字處理技術(shù)特別是幀存儲器在接收機(jī)中應(yīng)用的逐漸普及以及90年代末期以來液晶,、等離子等新型平板顯示器件技術(shù)的發(fā)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(xiàn)的,。

* 2倍場頻顯示

為了在不改變發(fā)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(jī)采用了2倍場頻掃描技術(shù),，即先把50Hz隔行掃描的信號存儲在幀存儲器內(nèi),，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(nèi)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(yīng)用在場頻為50Hz的國家和地區(qū),，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(shù)比信號源的掃描行數(shù)高一倍,。倍行就是在顯示終端用數(shù)字技術(shù)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(fù)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(jīng)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顯像管屏幕上掃描線的可見度,，增加畫面的細(xì)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(nèi)的有效信息量,，但通過改變光柵結(jié)構(gòu)達(dá)到了改善顯示圖像質(zhì)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(shù)字處理的方式轉(zhuǎn)換成逐行掃描信號以達(dá)到改善顯示質(zhì)量的目的,。常用的隔行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)把顯示刷新率提高到每秒60幀,，還有一些數(shù)字電視接收機(jī)把隔行掃描的電視信號轉(zhuǎn)換成逐行掃描的計算機(jī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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,。

實際上上述幾種顯示技術(shù)都是在不改變發(fā)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(dá)到提高顯示圖像質(zhì)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(xiàn)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(shù)字電視節(jié)目有些接收機(jī)采用了多格式機(jī)頂盒，機(jī)頂盒內(nèi)置了掃描/清晰度轉(zhuǎn)換器,，無論接收的信號是隔行還是逐行,，高清還是標(biāo)清，機(jī)頂盒內(nèi)置的掃描/清晰度轉(zhuǎn)換芯片都把其轉(zhuǎn)換成某個固定的掃描/清晰度格式輸出顯示,。例如,，有的機(jī)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(nèi)置的轉(zhuǎn)換器會把輸入的不同信號格式都轉(zhuǎn)換成XGA或WXGA輸出以配合相應(yīng)清晰度的平板顯示器,。

* 平板顯示器件

近年來隨著顯示屏幕尺寸的擴(kuò)大,，顯像管類的傳統(tǒng)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(shè)備也有了長足的發(fā)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)換成與顯示面板像素數(shù)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(qū)動電路中轉(zhuǎn)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(shù)場和偶數(shù)場分別傳送，即Progressive segmented frame -逐行分段傳輸,，縮寫為Psf,。Psf是一種用隔行掃描接口傳送逐行掃描信號的傳輸方式，由于Psf的信號傳輸結(jié)構(gòu)與隔行掃描相同,，因此采用Psf傳輸可以使逐行掃描信號與大部分只支持隔行掃描格式的記錄,、制作和顯示設(shè)備兼容。例如用1080/25P拍攝的圖像如果采用逐行掃描的25P傳輸,，只有少數(shù)帶有25P逐行傳輸接口的記錄,、制作和顯示設(shè)備才能接收并處理這種逐行掃描信號；而采用25Psf傳輸時所有支持1080/50i的錄像機(jī),、切換臺和監(jiān)視器等隔行設(shè)備都可以把25Psf當(dāng)作50i直接記錄,、處理和顯示。如果接收端的逐行設(shè)備也支持Psf傳輸方式,，那么在接收端通過Psf接口就可以把分成兩場傳輸?shù)闹鹦袙呙栊盘柡铣沙梢粠?。同樣地，所有支?080/60i（1080/59.94i）的隔行設(shè)備也可以用于1080/30Psf（1080/29.97Psf）逐行信號的傳輸,、記錄和顯示,。

Psf與隔行掃描信號的不同之處在于，逐行的Psf每幀取樣一次得到一幀畫面，再把這一幀分成兩場分別傳送,，在接收端這兩場仍然可以合成為一個完整的幀,；隔行掃描每幀取樣兩次，即每場取樣一次,，但這兩場是在不同的時間取樣得到的,，在拍攝運動圖像時由于兩場的取樣時間不同所以這兩場圖像在空間上是不能完全重合的，因此拍攝活動畫面時不能把隔行掃描得到的兩場合成成一幀完整的畫面,。

配置了Psf接口的設(shè)備能夠用Psf方式輸入/輸出逐行掃描信號,，不過它不能接收或傳送非Psf即不分段的逐行掃描信號；而配置了逐行掃描傳輸接口的設(shè)備只能輸入/輸出不分段的逐行掃描信號,，它們不能與帶有Psf接口的設(shè)備交換逐行掃描節(jié)目,。

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實際使用的逐行掃描格式

盡管目前絕大部分電視廣播都是隔行掃描的，但在播出,、制作和交換以及發(fā)行領(lǐng)域已經(jīng)開始采用逐行掃描格式,。

1. 用于播出的逐行掃描格式

480/[email protected]，美國數(shù)字電視播出格式之一,，是480/60i即NTSC的逐行掃描版本,，被美國ABC采用。需要說明的是,，由于歷史原因美國NTSC標(biāo)準(zhǔn)的場頻并不是60Hz而是60/1.001即頻率降低了千分之一的非整數(shù),，一般所說的60i或60P實際上是59.94i或59.94P。

720/[email protected],，美國數(shù)字電視播出格式之一,，是目前播出的清晰度最高的逐行掃描格式，被ABC和FOX采用,。

除以上兩種直接用于播出的逐行掃描格式外,，50Hz的國家和地區(qū)(特別是歐洲)也在考慮采用576/50P和720/50P這兩種逐行掃描格式播出的可能性,。

2. 用于制作和交換的逐行掃描格式

1080/24P-1920x1080@24P和[email protected],，簡稱24P，數(shù)字電視的制作,、交換格式之一,。由于24P與每秒24幅畫面的電影膠片具有天然的親和力，24P主要用于數(shù)字電影的拍攝,、制作以及節(jié)目交換,。24P拍攝的數(shù)字版節(jié)目可以轉(zhuǎn)換成膠片在普通影院里放映，還可以下變換至480/24P壓縮成逐行掃描的MPEG2文件用于DVD發(fā)行,。此外,，在北美地區(qū)傳統(tǒng)上用膠片拍攝的黃金時段電視劇和廣告等類節(jié)目也越來越多地被24P數(shù)字拍攝所替代。

由于每秒24次的刷新頻率太低,，24P只適用于節(jié)目制作和交換而不能直接用于播出,。在60Hz的國家和地區(qū)24P的節(jié)目可以通過3-2下拉變換和下變換得到60場的1080/60i和480/60i（NTSC）隔行掃描信號,，這種下拉變換與把每秒24幅膠片畫面轉(zhuǎn)換成60場電視信號時的處理完全相同。實際上24P有兩種版本,，一種是電影行業(yè)采用的24P,，另一種是用于電視制作的23.976P。由于歷史原因美國用于電視制作的24P幀頻是頻率降低了千分之一的非整數(shù)24/1.001=23.976,，這樣經(jīng)過3-2下拉變換后的場頻就是59.94Hz,，不過由于習(xí)慣的原因仍然經(jīng)常把這種23.976P稱為“24P”。

有三種方法可以顯示24P逐行掃描信號,，一種是采用Psf的傳輸方式把24幀的逐行信號轉(zhuǎn)換成48場的隔行信號顯示(即24Psf),，不過由于48Hz的刷新頻率低于人眼閃爍感閾值50Hz，觀看這種48i的隔行圖像時因閃爍感太強(qiáng)眼睛極易疲勞,；第二種方法是把24P經(jīng)過3-2下拉變換轉(zhuǎn)換成60場隔行掃描信號顯示,；最好的方法是3倍幀頻顯示，即在專用的監(jiān)視器內(nèi)用數(shù)字處理的方法把每幀逐行掃描的畫面重復(fù)顯示3次,，這樣在監(jiān)視器上顯示的就是72P的逐行掃描圖像,，既提高了顯示質(zhì)量又消除了閃爍感。

1080/25P-1920x1080@25P,，數(shù)字電視的制作,、交換格式之一。25P的應(yīng)用范圍與24P幾乎完全相同,，其區(qū)別是24P主要應(yīng)用于60Hz的國家和地區(qū)而25P主要應(yīng)用于50Hz的國家和地區(qū),，這是因為1080/25P的逐行掃描信號可以很容易地通過Psf傳輸方式轉(zhuǎn)換成1080/50i（即25Psf）的高清隔行信號或下變換成576/50i（PAL）的標(biāo)清隔行信號播出，還可以下變換至576/25P壓縮成逐行掃描的MPEG2文件用于DVD發(fā)行,。

25P的顯示方法有兩種,，除了上述采用Psf的傳輸方式把25P轉(zhuǎn)換成50i（即25Psf）的隔行顯示外更好的方法是倍幀頻顯示，即用數(shù)字處理的方法把每幀逐行掃描的畫面重復(fù)顯示2次或3次,，這樣在監(jiān)視器上顯示的就是50P或75P的逐行掃描圖像,。

1080/[email protected]，數(shù)字電視的制作,、交換格式之一,。30P主要是在60Hz的國家和地區(qū)用于高清晰度數(shù)字電視節(jié)目制作和交換，完成的1080/30P逐行節(jié)目可以很容易地通過Psf傳輸方式轉(zhuǎn)換成1080/60i（即30Psf）的高清隔行信號或下變換成480/60i（NTSC）的標(biāo)清隔行信號直接用于播出,。

30P的顯示方法也有兩種,，即用Psf的傳輸方式把30P轉(zhuǎn)換成60i的隔行顯示以及用數(shù)字處理的方法2倍幀頻顯示60P的逐行掃描圖像。

采用24P,、25P和30P拍攝和制作的節(jié)目與膠片拍攝后轉(zhuǎn)換成電視信號的效果非常相似,，因為每秒拍攝的畫面數(shù)量為24至30幅，只有采用50或60Hz場頻的隔行掃描拍攝畫面數(shù)量的一半，所以在拍攝推,、拉,、搖、移這類運動鏡頭時物體移動不夠平滑,，會出現(xiàn)與電影膠片拍攝時相同的抖動現(xiàn)象,，也就是所謂“電影感”或“膠片感”。不論是2倍或3倍幀頻顯示還是轉(zhuǎn)換成隔行掃描顯示這種抖動感都同樣存在,，這是因為無論顯示方式如何改變但拍攝時的原始取樣率是無法改變的,。

3. 用于發(fā)行的逐行掃描格式

480/[email protected]，以DVD為載體的發(fā)行格式,，簡稱480P,。DVD的大部分節(jié)目都來自電影膠片，在場頻為60Hz的國家和地區(qū)（即北美和日本等NTSC地區(qū)）發(fā)行的DVD把每秒24幅的電影畫面壓縮成MPEG2文件時采用了每秒24幀的逐行掃描格式480/24P,。由于目前大部分DVD電影都是好萊塢制片商發(fā)行的,，因此市場上購買到的大多數(shù)DVD盤片都是480/24P逐行掃描格式。

576/25P-720x576@25P,，以DVD為載體的發(fā)行格式,，簡稱576P。在場頻為50Hz的國家和地區(qū)(即歐洲,、亞洲等PAL地區(qū))發(fā)行的部分DVD電影把每秒24幅拍攝的電影膠片以每秒25幅的速度重放,，壓縮成576/25P的MPEG2文件（歐洲有的影片就是用每秒25幅的速度拍攝的）。

需要說明的是,，部分DVD電影并沒有采用逐行掃描的編碼方式,，特別是國內(nèi)制作母版發(fā)行的大部分DVD電影采用了與電視信號相同的576/50i隔行掃描壓縮編碼。

逐行掃描信號的傳輸接口

常用的數(shù)字和模擬視頻接口都可以傳輸逐行掃描信號,。

數(shù)字視頻接口

目前高清晰度數(shù)字電視制作設(shè)備之間的主要連接方式是串行數(shù)字分量接口HD-SDI,。根據(jù)SMPTE 292M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定HD-SDI的碼率為1485Mbps，它支持下列幾種有效視頻碼率低于1485Mbps的信號格式傳輸：

表1. HD-SDI接口傳輸?shù)男盘柛袷剑?0比特量化）

從表1可以看到,，HD-SDI可以傳輸4種逐行掃描格式：

在這四種逐行格式中除了720/60P外其它三種逐行格式都可以用P或Psf兩種方式傳輸,。前面已經(jīng)介紹過，P和Psf是兩種不同的傳輸方式,，傳送逐行掃描信號時必須確保發(fā)送和接收兩端的傳輸方式是相同的,。例如發(fā)送端采用1080/24Psf方式傳輸時,，如果接收端設(shè)備的接口只支持1080/24P是不能正確傳送的,。

對于480/60P來說，由于它的碼率是480/60i的兩倍所以現(xiàn)有的符合SMPTE 292M標(biāo)準(zhǔn)的SDI數(shù)字接口不能傳輸這種逐行信號,，480/60P的數(shù)字接口是由SMPTE 294M標(biāo)準(zhǔn)定義的,。
SDI和HD-SDI串行數(shù)字接口傳輸4:2:2的亮度和色差分量信號Y/R-Y/B-Y，傳送4:4:4的RGB信號時SDI和HD-SDI必須采用雙鏈接方式，需要使用兩條電纜,。

* 數(shù)字顯示接口

在與液晶顯示器,、液晶或DLP投影機(jī)等類數(shù)字顯示設(shè)備短距離連接時也可以用DVI或HDMI傳輸逐行掃描的高清晰度數(shù)字電視信號。

* DVI

用于顯示設(shè)備的數(shù)字視頻接口DVI（Digital Visual Interface）標(biāo)準(zhǔn)是由數(shù)字顯示工作組(Digital Display Working Group)制定的,，常用的有純數(shù)字的DVI-D和數(shù)字/模擬兼容的DVI-I兩種接口,。DVI-D型接口共有24根插針，具有單鏈接(Single Link)和雙鏈接(Dual Link)兩種工作模式,。不論單鏈接還是雙鏈接都只使用一個插頭和一條電纜,，單鏈接時只使用24根插針中的一半即12根插針，雙鏈接時使用全部的24根插針,。從表2可以看到,，采用單鏈接時DVI-D可以支持720/60P(最高85P)逐行掃描顯示，而采用雙鏈接時可以支持1080/60P(最高85P)逐行掃描顯示,。

表2. DVI-D傳輸?shù)男盘柛袷?/strong>