电视的清晰度

升华 · 发表于 2006-4-5 17:17:00

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人眼的分辨率和电视的清晰度

   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。

   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。

升华 · 发表于 2006-4-6 05:08:00

   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。

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