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1、隔行扫描与逐行扫描1、隔行扫描与逐行扫描让我们先从一些基础知识谈起。为了获得活动的图像，电影和电视是把若干幅静止的画面快速地连续播放，我们就会觉得这些画面上的物体是在连续地运动着。每一幅静止的画面称为一帧(frame)。电影的播放速度是24帧/秒、PAL制电视是25帧/秒，NTSC制电视是30帧/秒。电视的每帧画面又是由若干条水平方向的扫描线组成的、PAL制为625行/帧，NTSC制为525行/帧。如果这一帧画面中听有的行是从上到下一行接一行地连续完成的，或者说扫描顷序是1、2、3525，我们就称这种扫描方式为逐行扫描。但是实际上，广播电视的一帧画面需要由两遍扫描来完成，第一遍只扫描奇数行，即
2、第l、3、5525行。第二遍扫描则只扫描偶数行，即第2、1、6524行。这种扫描方式就是隔行扫描。一幅只含奇数行或偶数行的画面称为一场(field)。其中只含奇数行的场称为奇数场或前场(top field)，只含偶数行的场称为偶数场或后场(bottom field)。因此，PAL制电视的实际扫描频率是50场/秒。NTSC制为60场/秒。隔行扫描的两个场虽然是一先一后地出现在屏幕上。但由于变换速度很快，我们会觉得是看到了一幅完整的画面。隔行扫描的主要缺点是：(1)光栅结构显得粗疏；(2)垂直分辨率严重受损，大约只有水平分辨率的一半左右；(3)画面有闪坏感；(4)最重要的是会在画面上造成梳齿现象(
3、又称羽状干扰或拉链效应)和行抖动。只要在拍摄过程中画百上约物体或镜头移动了，就有可能发生梳齿现象。造成梳齿现象的原因袭们将在后面讨论。行抖动则出现在物体或镜头沿垂直方向运动的时候。最明显的例子是建筑物上白色的细水平线，当镜头以一定的速度上下摇动的时候，一些细水平线就可能在一场中能看见而在下一场中看不见。也就是说，这条线会有时消失、有时又出现，看上去就像是行在抖动。即使没有运动，只要画百细节约言度小于两行，就会在一场中存在而在另一场中不存在。当两场面面交替出现的时候，这个细节的影像就会反复地现和消失，看上去也像是在抖动。在我们常见的设备设备中，普通广播电视接收机、录像机、大部分视频摄像机、VCD
4、、LD等全都是隔行扫描的，下一代约数字电视机则将是逐行扫描的。当前的电脑显示器几乎全部都是逐行扫描的。应该特别强调的是：DVD本质上是隔行扫描的。在制定DVD规范的时候是按照隔行扫描的要求而设计的。DVD影碟上的视频图像是以隔行扫描的格式存贮的，这一点必须牢牢记住，否则我们后面将要讨论的有关逐行扫描DVD的种种缺陷就无从谈起。逐行扫描DVD机是为了克服隔行扫描的缺点而研制的，它的任务是把影碟上的隔行扫描画面恢复成逐行扫描。从表面上看，似乎只要把两个隔行扫描的场简单地组合在一起就可以构或一个逐行扫描的帧，但事实上并非如此简单。2、两种不同的节目源DVD影碟上的视频图像有两类来源。一类是用视频摄像
5、机拍摄的，另一种是用电影胶片拍摄的。为了叙述方便，本文把前一类称为视频节目源，后一类称为电影节目源。2.1视频节目源视频节目源是用隔行扫描方式拍摄的，前场与后场的拍摄时间相差1/60秒(对NTSC制而言，下同)。拍摄静止画面时，这个时间差并不会造成什么问题。但在拍摄运动物体或镜头移动的时候，由于存在时间差，同一物体在两个场中的位置就会不同。把这样的两个场编织在一起，两个场中物体影像并不能镶嵌得天衣无缝，而是略有错位，错位的大小取决于物体的运动速度或镜头约移动速度。这就是导致隔行扫描方式下出观梳齿现象的原因。不仅在隔行方式下会出现梳齿，即使用逐行扫描DVD机播放此类图像，如果所用的播放机不能对图
6、像进行特殊处理，也同样会出现梳齿，而且会表现得更严重。图1是两幅带有明显梳齿现象的逐行扫描画面，是笔者用电脑抓下来的，片源是一张在国内售价达500元的原版DVD测试碟Video Essentials。左图画面中的人正在运动，注意人物轮廓的梳齿状水平纹条。右图是在行驶的汽车上拍摄的，虽然景物本身是静止的，但由于镜头移动了，所以也造成了梳齿。由于汽车的形式速度很快，路过的几根很光滑的柱子的边缘变成了参差不齐的梳齿状。2.2电影节目源电影节目源则与此不同。虽然电影画面在灌入DVD影碟前也需要被转换成隔行扫描的视频面面，但由于胶片上的每一格画面都是静止的，只要用于拼合的两个隔行的场是来自同一幅胶片，重
7、新拼合后仍然可以恢复成严丝合缝的完整画面，不会有梳齿。换句话说，无论存贮格式是隔行还是逐行，电影节目源的本性都是逐行扫描的。除了用胶片拍摄的图像外，用逐行扫描的摄像机拍摄的节目和用电脑制作的动画的本性也是逐行的。本文在说到电影节目源时，也包括了这些节目。电影节目源由于隔行-逐行转换过程相对比较简单，在播放符合规范的电影DVD影碟时，大多数逐行扫描DVD机都能获得较好的效果，不同机型之间的差距并不很大。但所谓差距不大还是要有前提的，那就是所播放的DVD影碟必须完全符合标准。要保证恢复出正确的逐行扫描画面，必须保证所用的两个场是来自同一帧胶片。但是DVD影碟上贮存的数据是一场接一场的紧密排列着，必
8、须用特殊的数字标志来指示出哪两个场是来自同一帧胶片。所谓数字标志，实际上就是一组数字，用于表示某种特定的含义，例如用0代表否，用1代表是。这些标志将与画面的数据混合在一起，灌注在DVD影碟上，读出的时候又将随着MPEG数据流一起发送给视频解码器。解码器和隔行-逐行转换器会根据这些标志的指示把场组合成帧，确保不会发生错位。如果编码的时候没有加入标志，或者所加的标志有错误，就有可能造成前一帧的后场与后一帧的前场相组合的错误搭配。搭配错误时就有可能造成校齿状的画面。然而在DVD规范中，这些标志只是可选用的(option)，并不是必须使用的。我们在前面已经说过：DVD的初始设计是面向隔行扫描的，而在隔
9、行方式下，是否使用这些标志不会对面质造成任何不良影响，影碟的制作者也住注会忽视这个问题，甚至有些编码器本身就在这方面设计得比较马虎，结果使得没有标志或标志错误的影碟比比皆是。很准精确统计错误影碟的比例到底有多少，但是从笔者遇到的情况来看，并不是个别现象，而是远比我们所想象的要多得多。即使是原版进口碟，有错误的也很多，尤其是早期生产的影碟更为严重。国内制作的正版碟几乎全部都是标志不正确或根本没有标志。反而是从一些用DeCSS制作的所谓直灌版和所谓Z版(即国外报废的洋垃圾碟，从中挑出尚可播放的出售)中可以挑出一些标志完全正确的影碟，但这种碟是不应该提倡的。从原则上说，没有标志或标志错误的影碟和用视
10、频源制作的影碟是不适于用逐行扫描DV机播放的。但有问题的影碟实在太多了，逐行扫描DVD机要想生存发展，就不能一味要求影碟的规范化，而必须从自身想办法解决这些问题。也就是在隔行逐行过程中采取特殊的算法，以纠正影碟的错误。不同的算法将使效果有较大的差异。在当前情况下，如果用完全符合标准的优良影碟来评测逐行扫描DVD机，然后赞扬一番逐行扫描的画面是如何如何的好，或者只注意某款机色调偏暖、某款机色调偏冷之类的细微末节，并不能说明任何问题。反之，如果选择一些具有编码错误的影碟(但画质仍应是好的)来进行测试，才真正有功于对比出各种被测机的性能差别。在继续讨论其它问题之前，我们还需要再了解一些基础知识。3、
11、从胶片到视频的转换电影胶片的放映速度是24帧/秒，而隔行视频所要求的扫描频率是60场/秒。如果只是简单地按照1对2的比例把电影的帧转换成视频的场，显然是不行的。通过简单的数学运算可以知道：每1帧胶片画面(占用1/6秒)应该被转换成10个视频场(同样占用l/6秒)。但也不能简单地把某一帧胶片重复两次，以免影响运动的流畅性。在实际转换时使用了一种名为3-2下拉(3-2 pulldown)的方法。即每4帧胶片的第1帧转换成三个视频场，第2帧转换成两个视频场、第3帧又转换成三个场、第4帧转换成两个场。转换成三个场的帧实际上也只有两个场，多出来的一个场是靠重复其中的一个场而得到的。其放映节奏是3-2-3
12、-2，所以称为3-2下拉。第3、4两帧并非只是简单地重复第1、2帧的过程，因为转换结果不仅要满足场数的要求。还必须保证奇数场与偶数场交替出现，不能在奇数场后面再接一个奇数场，或在偶数场后面再接一个偶数场。第1帧转换后所得到的三个场的出现顺序是1、2、1，也就是把第1场(奇数场)重复一遍。接下去的第2帧如果按照正常顺序，应该先播放第1场。但前一帧是以奇数场结束的，如果第2帧仍以奇数场开始，就会使两个奇数场撞车。所以第2帧的两个场的领序颠倒过来。改为2、1。接下去的第3帧的顺序如果与第l恢的播故顺序相同，又会使奇数场撞车，因此第3帧的场序被改为2、1、2，最后的第4帧的场序恢复成正常的1、2。下一
13、组约第一帧又成为1、2、1，如此继续下去，获满足了场频的要求，又能保证奇数场与偶数场交替出现。见图2。同理，逐行扫描DVD机把两个原始场(不包括3-2下拉所产生的重复场)合并成一帧之后，每秒只有24、而显示设备却需要60帧/秒的刷新频率，因此每板画面不是只显示一次，而是按照3-2的节奏。第1帧显示三遍，第2帧显示两遍，第3帧三遍，第1帧两遍。见图3。其中的第一步是在制作过程中由编码器完成的，而后面的几步则是在播放时由用户端的逐行扫描DVD机完成的。从图3还可以看出两个问题。第一个问题是如果存在锯齿现象，在逐行扫描方式下会表现得比隔行扫描更明显。这是因为如果合成的帧中有梳齿，它将在屏幕上重复出现
14、2至3遍，而隔行扫描的梳齿只出现一遍。第二个问题是由于两个相邻的帧所占用的时间总是有1/60秒的差别，会使画面的运动存在一定程度的颤抖感。当前的电视机无法解决这个问题，下一代数字电视机和DVD机将支持72帧/秒的刷新频率，正好是电影胶片的24帧/秒的3倍，播放时可以将每个较片恢转换成三个完整的视频帧，每帧画面所占用的时间都是相同的，画面的运动将像电影一样平滑。这种72帧/秒的刷新频率只适合于用电影狡片制作的节目，不适用于原始刷新频率为30帧/秒的电视节目。国产的DPTV电视机已经可以支持72帧/秒的刷新频率(因此有些厂家称它为变频彩电或胶片彩电)，可惜能支持72帧/秒的DVD机尚未问世，所以暂
15、时还是英雄无用武之地。用电影源制作的DVD影碟有多种存贮方式，既可以把3-2下拉所产生的10个场依次存放在碟片上，也可以只存贮8个场(1、3两帧的重复场不存贮，解码时再恢复出来)。后者可以节省存贮空间，但必须加入各种标志，否则播放时会出现混乱。前者在隔行方式下不需要标志，在逐行方式下就需要有数字标志，或要求逐行扫描DVD机有特殊的识别能力，否则就会造成节奏紊乱。4、MPEG数据流中的数字标志前面说到，对于隔行扫描，数字标志是可有可无的；而对于逐行扫描，数字标志的正确性就变得非常重要。第一个数字标志名为图像结构(picture-structure)，每个画面(帧或场)含有一个这样的标志，用于指示
16、该幅面面的结构。当画面是一个720 x480像素的完整帧时，该标志将被设置成帧(frame)，而当画面是一个720 x240像素的隔行场时，该标志将是前场(top field)或后场(bottom field)。第二个标志名为逐行帧(progressive-frame)，解码器读到这个标志就会知道该视频场是来自同一胶片帧。用影片源制作的DVD影碟的所有逐行帧标志都应该被设置成是，用视频源制作的影碟的逐行帧标记应该设置成否，但是有些影碟却把它设置成了是。另外两种标志用于保持3-2下拉的节奏，一个称为重复第一场(repeat-first-fleld)，另一个称为前场优先(top-fleld-fir
17、st)。如果MPEG数据流中的某一帧的重复第一场标志被设置为是的时候，意味着这一帧应该被转换成三个场，设置成否的时候，表示这一帧应被转换成两个场。前场优先标志来指示该帧的两场中的哪一场应该先被显示。该标志为是，表示应该先输出前场，再输出后场；当该标志为否时，则表示应该先输出后场，再输出前场。在实际应用中，这些标志的搭配组合形式相当烦琐，在此就不详细论述了。如果影碟的内容来自电影胶片，而且所有的标志都设置得报正确，那么任何一台逐行扫描DVD机都应该可以正常工作，获得很好的逐行画面。遗憾的是DVD规范并不强制使用这些标志，而是可由制作者自行决定是否采用。在隔行方式下，即使没有这些标志，或者标志的数
18、值是错误的，都不会影响重放效果，所以很多制作者往往会忽视它们。而在逐行方式下，缺少标志或标志错误却会使画质明显下降。5、隔行-逐行转换的两种模式如前所述，DVD影碟上的内容有两类：来自电影源的图像和来自视频源的图像。当需要把隔行画面转换成逐行画面时，这两类节目所要求的处理方式是不一样的，因此隔行-逐行转换器应该有两种工作模式：电影模式和电视模式。5.1电影模式为了能在播放用影片源制作的DVD影碟时能获得完美的逐行扫描的图像，播放机必须能识别出哪两个场是真正来自同一个胶片帧的，并且把这两个场交织在一起，才能恢复出一个和原始胶片一样的帧。从理论上说，播放机只要利用碟片上的标志就能够识别出碟片上的内
19、容是否来自电影胶片，并据此来决定把哪两个场编织在一起。但正如前面所说：这些标志并非总是正确的。所以必须能够用其它方法来判别。具体过程是首先用MPEG-2解码器将碟片上的数据转换成隔行的数字信号，然后把数字视频信号送到隔行-逐行转换芯片。性能较好的转换芯片会对数字视频信号进行持续的检测，以判别它的原始画面是不是来自电影胶片。判别依据是来自影片源的图像都应该符合3-2节奏，其中第一场与第三场应该是完全一样的。一旦发现在一个连续5场的序列中，第一场与第三场的内容是完全一样的，就可以判定它是来自影片源的信号(视频源的第一场和第三场也是完全一样的啊?因为是pulldown3：2重复所得，错！3：2是专门
20、针对24frame/s的电影源)，并将隔行一逐行转换器自动切换成电影模式。而性能较差的逐行-隔行转换其则只能完全依赖于MPEG数据流中的标志，甚至采用计数法，只要遇到两个场就把它们硬性组合在一起，而不管这两个场是否真正来自同一胶片帧。这种简陋的处理方法将不可避免地导致梳齿画面。能否在没有标志的情况下自动识别电影源，是高档逐行扫描DVD机与简易机型的一个重要分野。在电影模式下，第1场和第2场将被编织在一起，变成一个完整的逐行帧并重复输出三次，然后丢弃第3场，把第4场和第5场编织成一个逐行帧并重复输出两次。然后再对以下5场信号重复同样的过程，这样就可以在每秒内输出60个完整的逐行帧(见图3)。这样
21、获得的面面将比隔行扫描好得多：垂直分辨率大大提高，光栅结构变得细腻，而且没有梳齿现象和行抖动。5.2电视模式如果解码器探察到的数字视频信号不是3-2节奏的胶片面面，就会认为影碟上的节目是用逐行扫描方式拍摄的，不能像对待电影源那样简单地把两个场拼合在一起。此时转抉器将自动切换成电视模式。电视模式不仅适用于视频源的影碟，也适用于不规范的电影碟。它的隔行-逐行变换算法比电影模式复杂得多，效果也差得多。下面介绍几种常见的算法：(1)单场插值法(Bob)这种算法所产生的帧并不是真正把两个场组合在一起而形成的，而是把每个场当作一个帧，所缺少的一半扫描线是用相邻的上下两行的数据进行插值运算，然后产生出一个新
22、的行补充进去。用这种方法得到的画面并不是真正的逐行扫描画面，在最坏的情况下，画面会出现明显的颗粒。即使在较好的情况下，分辨率也达不到逐行扫描的水准，会使画面的细节丢失、边界模糊。此外，当镜头移动时，细水平线可能出现抖动，正如隔行扫描时的情况一样。这是由于很细的水平线有可能只出现在一场中，当奇数场和偶数场交替出现的时候，这条线就会反复出现和消失，看起来就是在抖动或闪烁。这是一种最简陋的算法，也是效果最差的方法，只有老式的或简易的倍线器仍将其作为唯一的处理方法。然而其它的转换器在没有其它办法的情况下也会被迫采取这种方法。Bob算法的唯一优点是不会在画面上造成梳齿。(2)编织法(Weave)这种算法
23、是把两个连续的隔行场编织在一起，构成一个逐行的帧。其处理方法类似于电影模式，但由于所处理的是电视类画面，所以只有当这两个场都是静止画面时，效果尚属可以。如果存在较大的位移，由于算法中没有包含对运动物体的处理，所以必然会出现明显的梳齿现象。在隔行扫描时也会出现梳齿，但在weave方式下，梳齿非但没有得到改善，有时反而会显得更加严重。图4是同一幅画面用Weave法和Bob法处理后的效果对比。由于该画面没有快速运动的物体，所以weave法的效果是比较好的，而Bob法则较差。注意人物前面的栏杆，在Weave画面中，它的边缘基本上是平滑的，而在Bob画面中却变成了串珠状，而且人物的清晰度也下降了。(3)
24、运动自适应型隔行-远行转换这类算法的基本要点是对画面中的运动区域和静止区域采取不同的处理方法。首先将两个场的数据进行对比、找出其中相同的区域(静止部分)和不同区域(运动部分)。静止区域按照Weasve算法将来自两个场的数据编织在一起，而对运动区域就只用其中一场的数据并同插补算法(Bob)来形成逐行扫描的图像。这种方法的优点是不会损害静止部分的分辨率，而观众最关注的正是静止部分。运动部分则可以避免梳齿现象，付出的代价是这些部分的分辨率降低。这种方法可以明显改善画质，较好的隔行-逐行转换器大多会采用某种运动自适应算法。(4)运动补偿型隔行-逐行转换这是一种十分复杂的转换方式，只有权其昂贵的设备才会
25、采用。转换过程包括对图像进行精密的分析，找出其中的运动区域，然后移动运动物体在画面中的位置，以补偿两场时间差造成的位移，最后再把两个场编织在一起形成一个完整的帧(类似运动估计)。由于处理过程非常复杂，造成价格极其昂贵，迄今为止还没有任何逐行扫描DVD机采用此种技术。有些电视机和DVD广告中自称具有运动补偿功能，但从其整机价格就可以看出，所用的方法不可能是真正的运动补偿法。(5)柔化型的隔行-逐行转换这种方法常见于电脑DVD。电脑DVD往往是用软件进行图像处理，限于CPU的处理能力，无法在进行MPEG-2解码的同时再做运动自适应处理，所以只能采用最简单的方法进行处理，以获得尽可能好的效果。最常见
26、的方法是在垂直方向上稍作柔化处理，然后再编织：其结果是两个错位的物体影像看起来更像是叠影而不是梳状交错。这种处理方法会造成垂直分辨率的下降，并在物体移动或镜头摇动时出现转瞬即逝的古怪抖动。图5是柔化处理前后的效果对比，未柔化的画面有明显的水平条纹，轮廓的边缘有梳齿，经过柔化后看不到梳齿了，但画中的人物显得很模糊，并给人以叠影的感觉。柔化是一种折衷的处理方法。比较轻微的柔化可以减少清晰度的损失，但其掩盖梳齿的能力将下降。反之，较强的柔化能够更好地掩盖画面上的梳齿，却会使画面清晰度的损失增大。不同约设计者会根据自己的理解而采取不同的柔化程度，谁也不知道何种程度才是最合适的。过度的柔化往往会令人无法容忍，因为柔化处理不是仅仅针对有梳齿的画面，即使没有梳齿的静止画面也会因柔化而降级，似乎很不合算。柔化过度的一个典型例子是Creative公司早期生产的XDR-2解压卡(实质上是专供电脑使用的DVD解码器)，由于采用了深度的柔化，其画面请晰度非常差，甚至比VCD好不了多少。这种最初卖1200元的卡现在已经一路跌到230元，仍然很少有人买。特别声明：1：资料来源于互联网，版权归属原作者2：资料内容属于网络意见，与本账号立场无关3：如有侵权，请告知，立即删除。105103105822