【摘 要】 阐述了电视图像拍摄指标优化技术应用背景。分析了分量信号转换为RGB信号时合法与有效的理论根据，以及利用菱形显示寻找图像 RGB色域的变化趋势。介绍了利用波形多功能监测仪等工具进行图像拍摄比对组实验方法，提供了获得优化指标的摄像单元组合参数实际有效成果。
【关键词】 菱形显示?有效?合法?RGB?YPbPr?色域?光圈?快门
目前，电视行业正在面临一场变革，从过去传统的模拟电视向数字化、高清化和网络化发展。在整个录制过程中，一方面要求画面清晰透亮、色彩柔和又艳丽、质感细腻、层次丰富；另一方面要求节目拍摄指标不出现超标现象，整个节目色调合理，信号幅度标准统一，由此产生了数字电视的图像拍摄指标检测手段和优化技术的新课题。在节目技术审查实践中，我们深切感受到前面所述的这种制作图像质量方面的矛盾：很多节目拍的很鲜亮，但往往都是指标超了，导致技术审查不能通过；而那些指标合格的节目，更多的是画面的主观感受比较差。自从使用泰克波形多功能监测仪后，在电视图像波形的检测方面手段更加先进，对上述问题的感受也更加深刻。
本文围绕着Tektronix公司的波形多功能监测仪以及广播级高/标清摄像机展开。笔者通过分析如下理论原理：为什么对于合法的YUV信号来说，在还原成RGB信号之后常常出现不合法的情况？哪种合法的数字YUV信号，在还原成RGB信号之后仍然有效。以此同时进行大量室内和室外图像拍摄及指标测试的实验，同时在实验比对组设置了许多项拍摄设备技术参数的变化。进而总结出能够既保证指标不超标（合法），又提高主观评价效果的有效优化图像拍摄质量的摄像单元技术参数设置方法。
一. 电视图像拍摄指标的分析
在当前为满足模拟传输通道和模拟播出的要求，广电总局制定的行业标准GY/T 223-2007《标准清晰度数字电视节目录像磁带录制规范》中规定了视频信号的等效模拟参数，如表1。
图1 Y,PB,PR信号和R，G，B信号的色彩空间差异
(注：该值对应的是100/0/100/0彩条，如我国使用的EBU100/0/75/0彩条标准时，此项应为800mV和-175mV。)
在电视摄像单元中，信号的转换过程大致为（忽略模数变换）：光电转换之后形成RGB信号，接着经线性矩阵变换成YPbPr信号，而后经复用变
换成并行的数据流送去记录单元，最后用移位寄存办法变换成SDI（或HD-SDI）信号输出。从R103-2000标准的规定来看，当YUV信号恢复为RGB信号后，只要R、G、B信号分别在-5%-105%的范围内（即上限为735mV、下限为-35mV），并且亮度信号在-1% to 103%（即上限为721mV、下限为-7mV），即被认可为合法信号。但是按照规定Y信号的最大和最小电平分别为763和-48mv，Pb和Pr的最大电平和最小电平是398和-398mv。实验也证明对任何SDI视频信号：Y的最大值不会超过763mv，最小值不会低于-48mv，Pb和Pr的最大和最小值也不会超标。所以在摄像单元中光电转换通道形成的RGB信号转换为YUV信号时，理论上是不会超标的，因此传统意义上对YPbPr的最大值和最小值的监测在数字领域没有任何意义，而有意义的是合法的YPbPr是否能产生最有效的图像。如果视频信号在其使用格式中，信号电压在规定容限之内，该信号合法。超出规定容限，则为非法信号。这是由于RGB信号与YUV信号各自彩色空间区域有较大差异所致，RGB信号是独立的，而YUV信号不是独立的，见图1。
从图1可见，在R'G'B' 域中，无论是超出上限还是超出下限的任一通道信号均代表无效信号，这是因为彩色落在有效色域之外，它也是非法的，因为有一个或多个分量超出了合法的容限。而在YPBPR域中，只有大约25%的取值可能存在于RGB彩色色域中，也就是说有约75%信号在转换后是无效的。所以有必要明确和强调合法和有效的定义。
所谓合法是指：信号在其使用的特定的格式中，其电压幅度的最大值没有超出规定的容限范围，那么这个信号就定义为合法信号，否则为非法的超标信号。 所谓有效是指：节目信号始终处于彩色色域之中，并且在转换为其他任意格式时始终保持是合法的信号，那么该信号就是有效的信号，否则就是无效的超标信号。
根据ITU-R BT.601规定 ，YPBPR信号的方程式为：
Y’ =0.299R’+0.587G’ + 0.114B’
R’-Y’=0.701R’-0.587G’-0.114B’
B’-Y’=-0.299R’-0.587G’+0.886B’
经转换为:
Y' = 0.587G' + 0.114B' +0.299R'
Pb = 0.564(B'-Y')
Pr = 0.713(R'-Y')
例如，如果对图2的YUV信号转换为RGB信号，就会出现无效信号。
R'=Y'+1.403Pr
R'(4)=0.37+1.403X(-0.3)=-0.05(mv)
G'=Y'-0.344Pb-0.714Pr
G'(5)=0.27-0.344X0.24-0.714X0.3=-0.027(mv)
B'=Y'+1.773Pb
B'(2)=0.56+1.773X(-0.35)=-0.06(mv)
000000000000000000000000000000
这是因为图2中的YUV信号的亮度通道存在失真，其相对增益只有90%。当这种失真的信号转换为RGB格式时，却产生了一个非法信号：所有的三个分量均延伸至信号电平允许的最小值以下。由于这种失真的色差信号不能转换为合法的RGB信号，实验证明对所有的标准测试信号，也只有彩条信号是有效信号。数字视频信号源之Y,PB,PR, 在还原成R,G,B时也同样会产生无效信号,即非法彩色信号。 Y,PB,PR 仅仅是中间信号, 是由数学公式产生的信号,并非是最后还原图像的信号。R,G,B信号源之于图像, 最后由它还原成图像。防止非法彩色是提高数字视频质量的一个新课题。
二. 拍摄指标优化检测内容的确认
[Page]
我们知道模拟时代，视频通道的指标与图像质量的关联度极大，比如，亮色延时大就会看到图像有彩色镶边，高频频响不好就看不清图像的细节……，测量了通道指标就等于得到了信号失真程度，图像质量好坏一目了然。
如今，数字通道以及数字记录媒体上的信号已经全部数字化，用传统的方法比较信号质量是没有意义的，数字时代的图像质量并不等同于信号质量。在目前数字视频检测领域中，检测数字信号手段有：眼图、闪电、菱形、箭头、五竖条等。
眼图主要是反映了数字系统的传输特性，利用眼图显示测量的基本参数是信号幅度、上升时间和过冲。眼图的幅度与A/D变换前的模拟信号幅度毫无关系（包括传输过程中眼图的幅度变小），因此眼图的好坏并不能完全反映图像质量的优劣。从理论上讲，只要数字信号不出现误码，通过D/A变换后的模拟信号不会出现任何失真（除非D/A变换器本身质量低劣）。即便是幅度，也因量化过程全都变成固定的编码，所出现的幅度失真也全然不是由传输或录制所造成。作为基带信号，数字分量信号已没有色度的概念，所以不存在DG、DP、等失真。数字分量信号在亮度和色差信号取样、量化时有严格的时序关系，所以，模拟分量中亮色增益差和亮色相位差失真也几乎不会在传输中产生。
闪电、菱形、箭头等显示方式均是美国Tektronix公司提出的。由于技术先进、得到广泛使用，因此成为目前最成熟的检测方法。闪电显示能够对数字通道间定时的进行测量。它使用的是彩条测试信号，如果色差信号与亮度信号定时不一致，则彩色点间的过渡线就会出现弯曲。弯曲的程度代表亮度和色差信号间相对时延的大小。显然这也不是我们拍摄指标优化所需要的。五竖条虽然涉及到了色度和亮度，但不是一个域的概念，因此只能表示是否超标而不能够表示何种情况为更好。菱形和箭头分别从数字分量信号的色域、复合信号的色域进行分析，以判断此信号是否合法，是否优化。是我们关注的重点，因此下面来详细了解。
1、检查RGB色域的菱形显示
图3-1 形显示之一 图3-2 菱形显示之二
菱形（Diamond）显示的是R、G和B信号之间的关联度，它适合查看颜色的色调和饱和度，但不显示亮度信息。仪器从SDI串行信号中恢复的Y、Pb和Pr分量转换为R、G和B，以构成菱形显示。要显示三种分量，必须位于峰值白色(700mV)和黑色(0V)之间，图3-1。对于色域内的信号，所有信号矢量必须位于G-B和G-R菱形内。相反，如果信号矢量超出菱形之外，它就超出了色域。超出色域的偏移方向可指示哪个信号过量。见图3-2的A、B、C。绿色信号幅度超标同时反映在两个菱形，色信号超标仅映在上部菱形，红色信号超标仅映在下部菱形。与闪电显示一样，跃迁弯曲指示定时延迟。当使用彩条信号时，垂直轴成为延迟误差的指示器。在菱形显示中，单色信号显示为垂直线条。因此它对于检测色域错误是一个很好的工具。
2. 检查复合色域的箭头显示
箭头（Arrowhead）显示的是亮度（Y）随色度(C)变化的轨迹图，以检查复合信号是否符合标准色域。刻度的箭头形状是由亮度标准限制和峰值色度标准限制的叠加构成的，见图4。超过亮度幅度色域的信号伸展到了顶部水平限制之上。
超过亮度和峰值色度幅度色域的信号伸展到了上对角线和下对角线限制之外。可见闪电显示适合查看色度和亮度增益。虽然这也是一个域的显示，但我们可以看到，仅是一个色度的概念，不易判断具体超标的颜色，所以相对于菱形显示欠缺一些。
我们已经知道，关于非法信号的出现，主要是在（Y、R-Y、B-Y）分量信号转成R、G、B时造成。因此对准确的显示色域而言，R'G'B' 应是我们最关注的信号。如果信号在其工作格式动态范围之内，则该信号为合法信号。如果信号所呈现的彩色落在有效色域之内，那么该信号为有效信号。这样的信号在转换为R'G'B'分量格式时，能使R'G'B' 信号始终保持合法。 综合以上分析，为了有效的监测我们拍摄的图像指标，我们选择了对数字摄像机输出的SDI信号进行测试。仪器从数子分量信号中分解出RGB信号来测量，这就符合了我们前面所做的条件分析。在多个显示方法中选用菱形和箭头显示来检测，而且以菱形为主。最大的优点是可以从三基色为准的色域评判我们摄取的图像质量，它不仅仅是可以发现某个基色数值的超标问题，更重要是可以研判出在什么情况下色域中信号波形如何分布才能使图像指标更优化、图像质量更好。因为我们要解决的问题除了信号要是合法有效的之外，还要求是尽可能优化的。
三. 电视图像拍摄指标优化的实践
下面的实践并不对已有的、与之有关的硬件设备和系统做出任何物理形状方面的改动，而是通过改变摄像单元软件参数来达到提升图像质量的目的。这种改变的基础是基于对使用波形多功能监测仪监测拍摄图像的测试实验，这些实验是精心策划的众多比对组，它得出的结论归纳成为最终非常具有实用性的对策。
通过对拍摄图像和波形的分析，来指导对摄像单元参数的调整（其它手段如光源、道具等不在此研究中涉及），以形成反馈机制，从而达到拍摄图像指标的最优化，形成技术优化的可操作性参照标准。
1. 条件准备
搭建室内场景：色温条件3200K并且可控、照度控制在1200Lux以上并且可控、拍摄距离大于5米；被摄对象：第一步简单颜色如白、黄、青、绿、蓝、红、黑等色块，色块种类逐步增加，观察其超标情况。第二步静物从简单到复杂、色彩从单调到斑斓，观察情况同前。室外拍摄条件尽可能按ITU-R BT.802 《标准清晰度电视评价用图像序列》准备。
2. 摄像机准备
安装好设备后，摄像机的调节过程中要严格配合WVR611A波形多功能监测仪使用。需要考虑的调节内容有：
光线方面：滤光片、光圈、快门、增益；
白方面：滤色片、白平衡（手动R\B色温）；
黑方面：消隐电平（主、R、G、B通道 ）、杂散光校正（主、R、G、B通道）；
[Page]
GAMMA方面： GAMMA校正（主、R、G、B通道）、预置GAMMA选择，黑GAMMA校正（主、范围、R、G、B通道）；
拐点方面：拐点（电平、斜率、饱和度、白切割电平）；
轮廓方面：第一部分（细节总电平、孔阑电平、沟边电平、相关电平、垂直细节频率），第二部分（拐点孔阑电平、细节白限幅、细节黑限幅、垂直细节黑限幅），第三部分（SD沟边细节白黑限幅、行场混合比电平），第四部分（肤色轮廓、肤色细节电平、饱和度、色度相位、色调区域、肤色细节选择）；
色彩矩阵方面：线性矩阵(R-G 、R-B、G-R、G-B、B-R、B- G)，多通道矩阵（设定区域、色调、饱和度、自动色彩检测）。
低亮度部分：低亮度（功能开关、饱和度、有效区域亮度、伽马曲线、Y黑伽马亮度电平）。
3. 波形多功能监测仪准备
按照表2：EBU-R103-2000标准设定监测仪。
4. 图像拍摄实验及比对分析
由于实验过程中拍摄图像量很大，这里不能一一列出，同时考虑复杂图像的波形和图表在文章中难以辨认，故取一个简单图像的实验步骤作介绍。实验其中之一是对选取ROP菜单中的重要指标加以比对，来确认对图像的影响。下面举多色实验为例。虽然多色的复杂性不高，但也有必要对拍摄器材进行多种设定，由于篇幅限制，这里我们只选取了光圈、快门两项，比较容易理解。
①光圈确认项：保持在相同的照度下拍摄的，因此更能清楚的看出哪种颜色更容易超标，以及超标情况如何。该项表格省略。
分析： 一组多色为深蓝、蓝、橙、绿、天蓝和黑，另一组为深蓝、蓝、橙、绿、黄和黑。前者在手动光圈为8+0.3的时候出现RGB（R B）超标，后者在11-0.5时就出现Composite超标，然后才出现RGB色域的超标。
总结：A.没有暗色块（如黑色）的情况下，超标的顺序是Composite、RGB(B)、RGB (G B)、Luma。由此可以归纳出黄色最容易超标，其次是天蓝色，还有橙色。这也可以从实际经验中得到证明，蓝天，大海等不容易把握、很容易超标看出来。这是在没有很大的明暗对比的情况下
得出的结论。
B.当颜色中有很大的明暗的对比的时候，比如下面几组中，黑色是最暗的，黄是仅次于白色最亮的，如果摄像机采用平均值的光圈控制，当有黑色和黄色两种强烈对比时，摄像机在自动光圈的情况下就超标了。
C.块的大小程度不会影响超标的情况，即画面中只要能明显看见这种颜色，就会引起指标的变化，但是指标不会随着这种颜色占画面的多少而变化。
②快门和光圈确认项
快门的影响要小于光圈，表4给出了实验对比组的比较内容和变化情况，说明：当分量信号R、G、B告警时说明：数字分量中的R、G、B超标了。当复合信号C 告警时说明：虽然数字分量中的R、G、B不超标，但转换成模拟时色度超标了。当亮度超标时，往往伴有前两者的超标。
分析：A. 1/60秒和1/120秒有差不多一档光圈的差距，1/50秒和1/60秒差别不大在半档之内。从各组图中选出图例1468、1472、1476、1481、
1485、1489等做更详细的说明。
为了便于客观比较，将表4参数做成曲线，见表5表6。
表5 两种快门在无黄色条件下超标情况
表6 两种快门在有黄色条件下超标情况
B.由于光圈和快门在使用时起到的作用在本质是一样的，所以指标种类超标规律与光圈确认项的总结是一致的。即带有黄色的图像要特别小心，很容易引起复合色域的超标。
需要指出的是,室外拍摄的图像虽然复杂得多，但基本规律与室内拍摄情况是对应的。只是分析起来难度更大而已。
4. 优化技术实用经验简介
这里忽略了摄像机类型之间的差别，以现在主流的广播级摄像机为准。检测仪表结果根据两类原则：一不报警、二指标尽可能临界（视频信号在正负两个方向幅度最大、菱形显示波形面积最大）。主要有以下几点。
(1)确保指标不报警类
有光圈、快门、增益、滤光片、特定颜色和明暗对比等。从实践看，不报警的控制还是相对比较容易做到。
先使用自动光圈起到一个粗略校正的作用，而后必须使用手动光圈，降低一般不少于半档左右。有视频检测仪的可以结合其进行调整。无仪器的一定要使用斑马纹提示功能。
快门除了应对特殊场景和物体的功能外，起到的作用类似于光圈，1/50和1/120之间光圈差距约为一档。
室外强光照射和强反光环境下，滤光片的作用是必需的，它的作用是保持镜头光圈处在一个合理的位置上。一般镜头厂家提供的最佳参数为F4正负半挡。
关注黄色。很多情况下超标发生的过程是：原图像中曝光基本正常且无非发信号，突然增加黄色物体时候就会立即出现复合色域超标。摄像机光圈对于摄像范围内的图像采取的是平均值取样，所以应该避免明暗对比明显的情况出现。如在一片昏暗景色中出现明亮的天空，天空部分波形幅度明显远远大于旁边的景物。如果需要可以改变为峰值取样，但要谨慎使用，我们的测定与平均值取样至少有15%幅度偏差。
(2)指标尽可能临界类
有黑白平衡、伽马校正、主GAMMA、R或B的GAMMA、黑电平、拐点和特殊效果等。这是难点，也是我们优化技术探讨的主要贡献点。
由于GAMMA主要影响中等亮度区域指标，因此一般不会导致图像超标，但对图像质量有很大影响。一般情况下，主GAMMA越低时，钻石指标平铺的越均匀，面积越大，画面层次越丰富越饱满越柔和。R或BGAMMA增加后，R或B信号明显左移，说明红色或蓝色更亮，同时偏红和偏蓝色的部分也更浓。
在白天拍摄情况时，一般情况下BLACK STRETCH设置的越低，钻石指标平铺的越均匀，面积越大，画面层次越丰富越饱满。 所以可以尽量降低黑电平，以留下更多的空间来展现色彩和灰度信息。
高档设备具有手动色温（白平衡）设置功能，可以对照色板或利用经验调节出拍摄需要的图像色调。对于高亮度图像和强烈对比图像。在黄色不超标的情况下，可以对其他颜色增加照度，以拍出更好的画面。又如在拍摄夕阳时，对着蓝色的参照物手动调节白平衡，可以拍摄出充满温暖气氛的画面。
[Page]
使用彩色矩阵实际上是减少了色域的范围，功能是可以起到负反馈的作用。因为从电路原理来讲，该电路是在R、G、B信号转换成Y、R-Y、B-Y过程中使用的，正确使用可以修复一些超标情况，麻烦的是需要具体情况区别对待。B&P
参考文献
(1)Tektronix.WVR610A & WVR611A Waveform Rasterizers User Manual[EB/PDF]. http://www.tektronix.com 2007
(2)Tektronix Presents Gamut l[EB/PDF]. http://www.tektronix.com 2007
(3)EBU Technical Recommendation R103-2000 ：Tolerances on "Illegal" colours in television [EB/PDF]. http://www.ebu.com
2007
(4)Panasonic 《AJ-HDX400WAP/E DVCPRO Digital Camera/VTR Service Manual HD [EB/PDF]. http://www.panasonic.com 2007
(5) Yao Wang, Jorn Ostermann, Ya-Qin Zhang. Video Processing and Communications. New York: Prentice Hall,2003
(6)方德葵主编，《数字电视与高清晰度电视》，中国广播电视出版社，2005.3,197-214.255-267
(7)俞斯乐、郭福云，等.主编.《电视原理》,国防工业出版社，41－70.135-160
(8)余兆明,等.编著，《数字电视设备及测量》，人民邮电出版社，2000.12，331-370
(9) 刘毓敏，梁志强，杨晓宏，李小文.电视制作系统原理与应用实践.北京：国防工业出版社,2006
(10) 惠新标，郑志航.数字电视技术基础.北京：电子工业出版社,2005