談談信號傳輸的種種格式

    對于視頻信號來說，目前的完美的信號輸出還是DVI，不過這對于大多數人的硬件設備來說都是不合實際的。無論是電腦還是電視我們更多打交道的都是模擬輸出的種種，下面我們分別看看這些輸出的理論，并幫助大家分析他們對于還原視頻信號的影響。

什么是色差信號？

    色差信號英文叫做Component Video或者 Color Difference Video。談到它就必須從黑白電視說起，在黑白轉彩色電視時為不影響黑白電視的信號，而又能收到彩色信號，因此電視信號除了傳送原來的灰度信號Y以外，再用次載波（3.58MHZ）來傳送色差信號B-Y(讀做B減Y)及R-Y，而不是傳送RGB三原色信號。那么這些信號表示什么呢？現在我們分別用4種顏色（100%白，100%紅，100%藍，100%綠）來說明Y與B-Y及R-Y之間的關系。

當100%白色時：
    我們由黑白攝影機攝得100%白色時我們得到1個單位的電壓；再把白光中的藍與綠用濾光鏡過濾掉得到純紅色的光，這時候黑白攝影機上感應到的電壓是0.3；以相同的方法分別得到純藍光及純綠光在黑白攝影機上感應到的電壓分別為0.11及0.59所以我們得到的Y及R-Y . B-Y信號電壓分別如下表：

    在彩色電視中，我們以此種色差信號來分別傳送輝度信號Y及次載波(3.58MHZ)的上下旁波帶來分別用相位調變方式來載送B-Y及R-Y的彩色信號；如此一來既不影響黑白電視的Ｙ信號的收視，又可將彩色信號RGB信號傳送給彩色電視的最佳方式。

    色差信號Y,R-Y,B-Y信號一般通稱為Y, Cr,Cb; 習慣上Y,Cr,Cb為數字(PCM)的色差信號，模擬的色差信號則稱Y,Pr,Pb，所以我們常在DVD Player的內部看到Y,Cr,Cb而在DVD Player的外部看到色差輸出標示為Y,Pr,Pb或YUV；YUV則是在歐洲電視系統PAL中的色差信號的通稱，包含數字及模擬的色差信號都稱YUV，所以當您看到YUV時您就要聯想到它是PAL系統中的Y,R-Y,B-Y信號，它可能是數字（PCM）的YUV，也可能是模擬的YUV。

    在色差信號由模擬轉換成數字的Y,Cr,Cb(或稱ITU-R BT.601信號,簡稱Rec.601信號)的過程中涉及了取樣(Sampling)技術；在Rec.601中，我們用13.5mhz的取樣頻率將4.75MHZ頻寬的Y信號分成每秒13.5M次的8位員或10位的PCM（pulse code　Modulation）信號來表示模擬的振幅（Amplitude）大小。

    相同的，如果我們也采用13.5MHZ的取樣頻率來分別將B-Y及R-Y轉換成8 bit或10 bit的PCM信號則稱為4：4：4, 但如此則數據量太大；由于人的眼睛在結構上對于彩色信號的解析辨識率低于黑白的輝度信號，所以讓我們得以用較低的頻寬來表現色度信號（Chroma），同時也可用較低的取樣頻率6.75mhz（13.5MHZ的一半）來取樣B-Y及R-Y；而這種以13.5MHZ取樣Y信號及6.75MHZ取樣的Cr,Cb信號我們稱之為4：2：2。

    在MPEG Ⅱ中為進一步壓縮，將B-Y及R-Y的頻寬再減一半，取樣頻率也由6.75MHZ再進一步減為3.375MHZ，也就是每取樣4次輝度信號才分別取樣一次Cr或Cb信號如下圖：

這種取樣方式我們稱之為4：2：0，也就是MPEG Ⅱ中的Y,Cr,Cb的數字取樣方式.

什么是復合信號？

    復合信號又稱composite Video，是電視上最常見的信號輸入系統。

    色差信號Y,Cr,Cb的色度信號Cr,Cb也就是R-Y及B-Y的信號經3.58MHZ的次載波用相位調變的方式將Cr與Cb合而為一的色度信號C（Chroma），再加上單獨的Y信號,兩種個別的信號合而為一個的端子叫Y/C信號；再進一步的將3.58MHZ的C信號調變到Y信號合而為一種信號成為6MHZ頻寬的復合信號以方便電視信號的傳送，這種復合信號我們稱為Composite Video或簡稱Video，一般Video的輸出或輸入都采用與音響相同的梅花形RCA端子并以黃色以區別于音響的紅色與白色的左右聲道。

S-Video如何來

    在彩色的電視信號是將R-Y及B-Y(或稱”Chroma”色度信號)以3.58MHZ的次載波載送在Y信號里，這時我們稱之為復合信號（Composite Video），這時我們需要一個濾波器將3.58MHz的 Chroma信號由復合信號中分離出來成為Y.C信號或稱S-Video。

    而這個濾波器由于內部的形狀長的像二個面對面的梳子,所以我們稱之為梳形濾波器(Comb filter)，它的功能就是將復合信號中的Y信號及C信號（B-Y.R-Y）分離; 分離的越好，畫面會越清晰，色彩更鮮明，所以一般越大尺寸的電視采用的梳形濾波器越高級越精密，以期得到更好Y/C分離信號，相同的也可取得更精準的RGB三原色信號。

    從上面的種種理論中，我們得知這幾種模擬視頻信號的處理方式中，因為對于模擬信號來說衰減是不可避免的現象，所以信號分離度越高的信號清晰度就越高。因為色差信號是視頻輸出質量最好的，而且要實現480P的視頻質量，就必須通過色差信號；而S-video就差了很多，至于復合信號，則是最差的。后面的實驗章節我們將用對比圖詳細的說明這個問題。
實驗：信號輸出質量的實際對比

    有些朋友看了這么多的理論，開始疑問了，你說的這么多的差異，但是我們實際觀看的時候，真的可以看出來差異么？那么，就讓我們開始一次實測對比吧。

    這一次的測試的平臺和以前的不同，不是來自電腦系統，而是來自我們日常使用的電視，這款型號為V3426的電視是國內堅定走HDTV數字電視路線的廠商廈新之產品，也是我們同事家里購買的支持HDTV ready的新品，因此被我們征用來做視頻信號測試用。

    所有的測試畫面都是用索尼F717相機從電視上直接拍攝的，我們沒有對其作任何有改變畫質的后期處理。確保畫面效果的原汁原味。

第一戰：家用DVD機

    我們測試用了一臺普通的家用DVD分別采用不同的輸出方式在電視顯示一幅來自于THX的標準測試圖。

 

全圖效果如上

 從左到右分別是：色差信號、S-Video、復合信號

    在家用DVD輸出的這幾種信號中，我們可以看出，色差信號的圖形色彩的分離度最好，在S-Video和復合信號都出現了的色彩的衍散（注意粉色和綠色的交叉處）在色差信號中就不可見。而且其色彩的準確度和觀感都是最好的。S-Video的色彩還原和復合信號相比稍微好一些，不同顏色之間的干擾也比復合信號要輕。

    而且因為色差信號實現的是真正的480P的逐行輸出，我們可以看到和僅僅只能輸出480i的S-Video和復合信號相比，它的各種線條的還原都是最完美的，圓得圓，直的直，飽滿而厚實。（注意觀察白色線條和中間的白色圓點）S-Video在細節處稍好于復合信號。

    總體看來，在家用DVD播放器上色差信號的輸出質量的優勢非常的明顯。而我們一貫認為不錯的S-Video雖然比復合信號有進步，但是效果和色差信號比起來就是被落下好大一截了。

    不過，當我們用這些圖來比較在電腦上直接數字截圖生成的基準圖的時候，我們會發現即使最好的模擬信號色差信號輸出與真正完美的數字輸出還是有較大差距，看來DVI數字信號還真是未來一切High Definition視頻信號的終極之路。

第二戰：Play Station 2

    作為Sony家庭娛樂終端的PS2自然也支持包括色差信號在內的種種信號輸出方式。不過實驗以前我們先要解釋一點：因為PS2游戲本身編寫的原因，大部分PS2游戲不支持逐行的480p色差信號輸出，所以我們選擇了PS2回放DVD影碟來對比他的信號質量。我們來看看對比圖，用的影碟是《終結者2》極限版的同一幀截圖對比。

 
這是色差信號的畫面

這是S-Video的畫面輸出

這是復合信號的畫面

    色差信號在這里的優勢是非常明顯的，不用比較線條細節，單單是色彩還原的效果就讓S-Video和復合信號無地自容了。至于S-Video和復合信號的差別，大家在這種圖上可能看不出來，沒關系，我們下面給出局部截圖。

左圖為復合信號、右圖為S-video 

    說實話，在局部截圖中我也不大可以看得出S-video比復合信號的優勢，不過整體色彩和細節上S-Video的確艱難的稍勝復合信號一點。

第三戰：電腦顯卡視頻輸出

    這幾年來，電腦顯卡的視頻輸出已經成為了標準配置，但是其方式僅僅局限于S-Video和復合信號。我們一直聽說有通過標準DVI轉換或者VGA接口轉換成為色差信號的設備，但是一直沒有得見。

 
    上圖是ATi所展示的適用于鐳系列顯卡的種種色差輸出設備。但是在國內我們都無法獲得這些產品，因為電腦顯卡的高質量畫質，所以其是非常適合作高清晰視頻的輸出實驗，不過沒有線材我們該怎么辦呢？

    但是隨著X800系列顯卡在國內的上市，我們發現轉機來了。上圖中我們看到針對R9700和9800系列有一種專用的A/V OUT 色差的線，只要插在視頻輸出接口上，就可以直接輸出色差信號。

    我們在送到評測室的盈通X800Pro的配件中發現了這根寶貴的配件，立即欣喜若狂，開始了我們的顯卡測試。 

    顯卡測試我們就利用了網頁輸出來觀察信號質量，結果證明這種大量文本的畫面非常適合比較各種信號的品質，請看：

這是復合信號，你能看清什么？很吃力，這種網頁顯示質量幾乎沒有可讀性。 

    S-Video給人感覺好了很多，真的有很大的進步，起碼我可以依稀辨認這些字是什么了。但是比較我們日常用的顯示器，饒了我吧，這樣的畫面也許更適合瀏覽圖片，看網頁和文本還是算了。

 
    恩？這是什么，你在給你的顯示器拍照么？非也，這就是在HDTV Ready的電視上，用色差信號顯示的480P的網頁效果，怎么樣，如果不說的話，你能看出這是視頻輸出的信號么？色差信號讓顯卡的視頻輸出有了真正的用武之地，配合準系統，我們可以考慮在客廳巨大的電視上和全家一起看看清晰的DVDRip，瀏覽一下照片（如下圖）：

    也可以抄起家伙在電視上和朋友來一仗警匪大戰，因為電視對于色彩還原和尺寸的優勢，其實玩游戲的效果比小小的顯示器爽快多了，而有了色差輸出，連信號質量也不差了。

    看到了色差給我們的巨大的視覺震撼后，我們發現這臺HDTV Ready的電視還有一個標準的VGA接口，那么這個VGA輸出和色差信號相比又如何呢？我們來看看，同樣的網頁的截圖：

    經過VGA輸出的信號在電視上達到了分辨率800x600的水平，這比較色差的720x480的確要更精細了一些，但是我們發現色彩還原好像卻不如色差艷麗（養眼）了。不信看看下面的圖片和色差信號的比一下。

    VGA給人的感覺是精細，但是感覺整體的色溫升高了。和色差信號的感覺可以說是各有所長，就看你的愛好了。不過VGA的好處是，任何顯卡都可以直接輸出信號，不用再費力去找那根罕見的色差信號接頭了。

    通過各種不同設備的視頻輸出到電視的信號的比較，我們可以看出色差信號的效果的確是傳統的模擬輸出中最優秀的。完全應該作為組建當前情況下的家庭影院或者電腦數字媒體中心的首選連接方式，而用PS2、Xbox這樣高檔游戲機的朋友也要考慮換用色差信號線，配合高清晰度的電視，可以感受到格外鮮活的動感畫面。

    至于S-Video和復合信號，他們放放VCD，配合老款的游戲機信號質量還勉強可以接受，但是在這個DVD無比普及和DTV、HDTV Ready滿天飛的時代，還是讓我們忘了他們吧。

    不過，除了信號輸出的方式以外，最終影響我們的視覺觀感的參數還有色溫，亮度，對比度等等，因為這些參數即可以應用于電視機也可以是用于我們的電腦顯示屏，所以我們也在最后章節寫出來，給大家做個比較詳細的參考說明，并且幫助大家更科學的調節自己的顯示設備。
什么是色溫? 色溫對我們的視覺有什么影響？

    色溫的單位是度K， 也就是絕對溫度的單位，攝氏--273度C是絕對溫度0度K，所以說水的冰點是273度K，沸點是373度K。

    色溫是自然界的一種現象，當宇宙在沒有太陽，沒有任何發光體的恒星時，這時的溫度是0度K，就是如黑洞一般任何物質都是黑色的；當物質被加熱(如太陽燃燒到表面溫度的5000度K)時物質所輻射出的能量，其中就包含可現光的頻譜紅.澄.黃.綠.藍.靛.紫及紅外線.紫外線.γ.β射線等等不同的頻譜。

    色溫是發光體表面的溫度，所產生出的頻譜與光源的強度大小無關，也就是說，此光源照到一張白紙時看起來的感覺; 如在鎢絲燈光下看一張白紙就是紅紅的，在日光燈下(4,500度K)就有點偏黃，在日正當中時有點偏紫，所以在赤道地區的風景海水特別的湛藍，藍到有點偏紫(約13000度K~15000度K) 。

    以鎢絲燈泡來說，鎢絲被通電加熱到約2,200度K，其所產生的光線是近于紅色; 日光燈是用電子撞擊熒光體，其撞擊時所產生的色溫是約4500度K ；標準CRT電視的P22熒光體被電子撞擊時所產生約7,300度K的色溫。而我們中國人習慣的電腦顯示器的色溫則是9300度K。

    色溫是人眼對發光體或白色反光體的感覺，這是物理學.身理學與心理學的綜合復雜因素的一種感覺，也是因人而異的。色溫在電視(發光體)或攝影(反光體)上是可以用人為的方式來改變的，例如在攝影上我們用3,200度K的白炙熱燈(3,200度K)，但我們在鏡頭上加上紅色濾光鏡濾通過一點紅光線使照片看起來色溫高一點；相同的道理，我們也可以在電視上減少一點紅色(但減太多多少也會影響到正常紅色的表現)讓畫面看起來色溫高一點。

    在色溫上的喜好是因人而定的，這跟我們日常看到景物景色有關，例如在接近赤道的人，日常看到的頻均色溫是在11000度K(8000度K(黃昏)~17000度K(中午))，所以比較喜歡高色溫(看起來比較真實)，相反的，在緯度較高的地區(平均色溫約6000度K)的人就比較喜歡低色溫的(5600 度K或6500度K)，也就是說如果您用一臺高色溫的電視去表現北極的風景，看起來就感覺偏青；相反的若您用低色溫的電視去看亞熱帶的風情，您會感覺有點偏紅，所以這也是攝影師要用他的攝影機去做一些色溫上的調和工作的時候，選擇濾光鏡及底片或VCAM攝影機上的色溫選擇并考慮到觀眾的顯示設備(如電視或電影放映機上的色溫)來做調和，便觀眾能到最接近實際景色的感覺。

    話說回來，電視或者顯示屏的色溫是如何界定的呢?因為在中國的景色一年四季平均色溫約在8000度K~9500度K之間，所以電視臺在節目的制作都以觀眾的色溫為9300度K去攝影的。但是歐美因為平時的色溫和我們有差異，以一年四季的平均色溫約6000度K為制作的參考的，所以我們再看那些外來的片子時，就會發現5600度K~6500度K最適合觀看。當然這種差異使我們也會因此覺得猛的看到歐美的電腦或者電視的屏幕時感覺色溫偏紅，偏暖，有些不大適應。

LCD與CRT哪一種色彩還原能力強?

   這個問題玩電腦的朋友們覺得答案好像理所當然的應該是CRT。但事實呢？

    LCD的發光體是冷陰極管加上RGB濾光器分別濾出RGB的光譜后，可以看出因為過濾出的頻譜并不很純正，所以色再生能力約在30%(Note Book)~50%(LCD Monitor)，在電視專用的LCD面板方面，在冷陰極管及濾光鏡改良后色傳真度則可達75%~85%(NTSC制式)，傳統CRT則約在65%~75%之間。在SONY的特麗瓏，因為初衷是為專業美工設計的，所以色再生能力可達85%以上，色偏也很小，再加上后天上專業的校色則可達95%的色再生能力及更小的色偏。

    相對而言，色彩還原能力電視用LCD已經在普通的CRT電視之上了，不過瓏管在色彩還原的方面的造詣還是無出其右的，所以它是一切印刷與美工必備的設備。

    不過雖然各種顯示設備的色彩還原能力離完美差的比較遠，但是因為人的眼睛對色彩差異的敏感度很差，所以實際感覺上差異不會那么大。因此即使是30%-50%的電腦LCD我們也看得津津有味。

什么是Gamma值曲線?

   我們在顯卡的調節屬性里或者游戲的選項中總是看到一個屬性叫做Gamma值，但是你知道這個值的具體含義么？

    Gamma值是用曲線表示的，這是一種人的眼睛對光的一種感應曲線，其中包括了物理量、身理感官及心理的感知度。

    在物理量方面是比較單純的度亮單位流明; 但在生理上則因人而異，例如小孩、青年、中年人及老年人甚至色弱的人或色盲的人所看到的同一畫面都會不同，對應的曲線也會有所不同;在心理的感受上，則會更復雜的牽涉到環境的背景亮度。對一個正常人來說，人的眼睛對光的感應曲線是一“非線性”的曲線，而且對我們顯示器上的三種發光體RGB也分別感應出三種不同的曲線，所以在設計顯示器的RGB三個發光體的時，同時我們就做了三種的Gamma曲線來分別對應三種RGB的發光體，去分別對人的眼睛內的三種感光細胞，這就是發光體的Gamma值。

 
顯卡設置中總能看到這樣一條曲線，就是Gamma曲線。 

    在心理感知度上，由于我們常人的眼睛最大能分辨的差異(階層)是1/100，也就是說在100燭光的畫面中您最大可能分辨的是99燭光或101燭光，但當您在暗的環境下看暗的畫面 例如1燭光時，則此時您可以分辨出0.01燭光的差異，也就是說在一燭光以下我們常人還可以分出100個以上的階層，但由于顯示器無論是PDP或LCD在全暗的畫面時最低能表現的只有0.4~0.8燭光，所以我們所謂的對比，是指最亮除以最暗。所以如果一個顯示器若要完整的表現出高度真實的畫面(無論是高亮度的畫面或低亮度的畫面)，則顯示器的對比很少必須5000:1以上，而我們的顯示器由于成本的考慮，我們只能做出500~1000:1時，我們就必須用Gamma修正來作補償，也就是在較暗的影片我們選擇較高的Gamma值(如2或3，甚至4)，以犧牲部分亮部的層次來獲取更多的暗部層次;相反的在一些較亮的影片(外景較多)則我們則選擇較低的Gamma值(如0，-1甚至-2)以犧牲部分的暗部層次，來使得亮部層次(如云層)能更分明。

    在實際的景色環境中，您極少可能從很亮的畫面瞬間進入很暗的畫面，但在電影或電視和游戲畫面上則我們經常會突然從很亮的畫面進入很暗的畫面，或從很暗的畫面進入很亮的畫面，因此正確的Gamma曲線設定可以幫助我們獲得最真實的視覺感受。

對比與亮度

    我們買顯示設備時，對比和亮度是兩個對觀感很重要的數值，但是在規格上對比與亮度是很不客觀的，各廠牌的標示都沒有統一。

    由于PDP等離子顯示器上有一紫外線濾光鏡，加上此濾光鏡后一般來說，亮度會下降的45~55%，對比也會下降約10~20%，再加上環境燈光的反射，對比值會更為降低，所以一般對比后面都會有注明是在全暗的環境下測得的。

    以亮度來說，廠商一般標示的是最大亮度，但此種標示方式是非常含糊不清的，因為最大亮度是在所有出廠的顯示器中只測到一臺能達到還是99%能達標廠商們一向諱莫如深。總之，亮度與對比值的標示方式總是曖昧不清，所以最好大家最好購買顯示器還有電視的時候自己去看實驗，看看能否達到讓你滿意的效果在做決定。

    一般來說LCD Monitor的對比大約是250流明~350 流明電視大約是400~550 流明，自然界的景致在日正當中時約1700 流明~2500 流明。在對比方面，LCD Monitor的對比大約是350:1~500:1，電視大約是500:1~900:1，自然界景色最大的差異約在5000:1。
[寫在最后]

    本文是我們第一次嘗試寫電腦硬件之外的應用文章，但是對于和大家息息相關的電視，以及面對鋪天蓋地的HDTV數字電視的宣傳，我想大家一樣需要向指導選購電腦硬件般的詳細地技術指導文章。

    DTV數字電視和HDTV Ready是目前市場的主流，而真正的高清晰度HDTV是未來的必然趨勢，也是英特爾微軟號召的數字家庭中不可或缺的一個部分，我想大家花力氣讀了這篇文章，在現在或者未來面對數字時代的電視的選擇時，能夠有所主見。而對于現在那些想構建自己的高質量多媒體臥室的朋友，我想說，大家也可以充分的發揮現有資源的效果，色差信號真是一個好東西。花幾十元改進一下信號線，獲得的視覺回報卻是成倍的，何樂不為呢？

    筆者在寫此文的時候，也是參考了大量的技術資料，從HDTV官方論壇和國內著名的家電論壇那里學到了很多相關得知識，但是畢竟有些現學現賣的意味，希望大家可以將不足的地方指出。以便我們日后更進一步。

[附錄：ATi顯卡使用色差信號輸出的控制面板簡介]

 
    當我們用色差信號接口連接好電視和顯卡的時候，我們就可以在顯示屬性的控制面板里看到YPbPr的色差面板自動打開了。但然如果你不想使用電視或者監視器其中的一者，也可以利用控制面板顯示設備名稱左上角的按鈕，手動關閉其中的某個設備。

 
    格式選項可以設定你的顯卡能支持的解像度輸出。這里除了HDTV的標準分辨率之外，還多了一個夾在中間的540P。不過這個設定請大家針對自己的電視量力而為，因為一旦啟用了720P或者1080i模式，恐怕沒有幾臺CRT HDTV Ready電視真正的支持這么高的物理分辨率，所以花屏可能會是等待你的唯一結果。

 
    調整可以根據你的需要調節顯卡的色彩輸出和效果，這樣就能充分的針對不同的顯像管的特性設定出有針對性的最佳效果了。

    最后的高級選項，可以微調節電視畫面的位置，保證輸出畫面能夠處于電視的屏幕上你滿意的位置。而勾選保持縱橫比，可以穩定畫面的比例不變形。