ａｎｊｅｌ　星　星

如果電視機(jī)出現(xiàn)了灰階丟失的情況，并不一定是電視機(jī)本身的問題，也很有可能是電視機(jī)不兼容計算機(jī)的色彩空間和灰階模式造成的。如果你不了解色彩空間，那么，本文會給你答案。

當(dāng)我們用HTPC連接平板電視機(jī)時，你有沒有發(fā)現(xiàn)圖像的暗部和亮部細(xì)節(jié)損失嚴(yán)重?而且在調(diào)節(jié)之后，圖像的細(xì)節(jié)都無法還原，難道我們當(dāng)初千挑萬選的電視機(jī)灰階顯示能力這么差?其實(shí)，這可能并不是你的電視機(jī)出現(xiàn)了問題，而是你的HTPC和電視機(jī)之間因為色彩空間不兼容的原因造成的。

了解色彩空間

目前，數(shù)字視頻信號有RGB信號和YCbCr(YUV、亮彩、色差)信號兩種，通常也叫做色彩空間，它們對色彩的表示方法有所區(qū)別。

我們可以在3維立方體中通過繪制三原色(即紅色、綠色和藍(lán)色，簡寫為RGB)的構(gòu)成比率圖以表示各種顏色，其中黑色位于原點(diǎn)，而白色則位于原點(diǎn)的斜對角。得到的立方體就是著名的RGB色彩空間，它主要用于計算機(jī)設(shè)備對色彩的描述(PC Level)。

而另一種色彩空間YCbCr是采用一個亮度信號(Y)和兩個色差信號(B-Y、R-Y)相組合，稱為色差信號，主要由電視機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品(Studio Level)采用。因為當(dāng)時在黑白畫面過渡到彩色畫面的歷程中，為了兼容黑白畫面(B-Y和R-Y信號為零)，電視臺除了傳送原來的亮度信號Y以外，再用次載波(3.58MHz)來傳輸色彩信號B-Y、R-Y，而不是RGB三原色信號。

而YCbCr和RGB空間是可以相互轉(zhuǎn)換的，可用如下的方程將YCbCr空間中的色彩轉(zhuǎn)換為RGB色彩空間中的色彩：

R=1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128)

G=1.164*(Y-16)-0.813*(Cr-128)-0.392*(Cb-128)

B=1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128)

灰階模式也有兩種

Full Range

視頻信號由模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程中涉及到了采樣技術(shù)，RGB信號在處理圖像時，每個像素的色彩由3個分別對應(yīng)三原色的8位二進(jìn)制數(shù)字來確定，28=256個灰階。比如(255，255，255)代表白色，(255，0，0 )代表紅色，那么灰階總共是0～255一共256個，通常被稱作Full Range。

Limited Range

這種信號格式的每個像素記錄需要24位，所需的存儲空間和數(shù)據(jù)量毫無疑問比較大。而YCrCb信號如果采用13.5MHz采樣頻率得到的8位或10位PCM信號則稱為4∶4∶4，也有256個灰階。但是這樣的話數(shù)據(jù)量太大了。研究表明，人眼察覺到的光亮度信息(Y)的60％至70％來自綠色光。

紅色和藍(lán)色信道實(shí)際上只是亮度信息的復(fù)制，因此這些重復(fù)信息完全可以去除掉。為了減少數(shù)據(jù)儲存空間和數(shù)據(jù)傳輸帶寬，可以用較低的采樣頻率6.75MHz來采樣B-Y和R-Y信號，稱做4∶2∶2，也就是消費(fèi)電子的Studio Level。

在Studio Level設(shè)備中，8位YCbCr系統(tǒng)都規(guī)定亮度的取值范圍介于16至235之間，而B-Y和R-Y信號的取值范圍介于16至240之間。YCbCr 4∶2∶2色差信號的灰階是16～235，通常被稱作Limited Range，而RGB信號也有兩種采樣頻率和灰階，在PC Level系統(tǒng)中是0～255，而在Studio Level消費(fèi)電子中則是16～235。

灰階出現(xiàn)問題

那么，視頻信號有兩種不同的色彩空間和灰階模式，如果交叉互連時，灰階就有可能出現(xiàn)問題。如果不同色彩空間的設(shè)備之間進(jìn)行了連接，那么灰階信號就可能因為不匹配而丟失，造成畫面的細(xì)節(jié)缺失。而不同灰階模式的設(shè)備相連也可能出現(xiàn)灰階丟失的問題。我們平時所使用的顯卡或者PC顯示器，它們都是PC Level的設(shè)備，采用Full Range灰階。而DVD播放器、投影機(jī)、平板電視等則是Sutio Level設(shè)備，采用Limited Range灰階。不同設(shè)備之間的互相連接，對灰階的處理情況可能會有不同。

PC對色彩空間的處理

如果你使用的是電腦顯示器連接PC，那么毫無疑問，你的顯示器是PC Level設(shè)備，可以顯示完整的0～255灰階。但是這個情況只是在使用桌面輸出的時候，諸如DisplayX、Displaymate等測試軟件時能夠看到完整的灰階，如果播放Studio Level的DVD影碟、高清視頻文件時，灰階又可能是另一回事。那么，Studio Level的視頻素材在PC和PC顯示器上播放的時候也要經(jīng)過處理嗎?

答案是肯定的。Studio Level標(biāo)準(zhǔn)里，黑色為16，白色則為235，低于16的稱為Blacker Than Black(BTB)，高于235的稱為Peak White。編碼時數(shù)字16對應(yīng)視頻電壓0mV，是畫面最黑的地方，這是日本NTSC制式采用的基準(zhǔn)黑電平，235對應(yīng)亮度電壓714mV，這是最亮的地方。向下留有15級Footroom(下動態(tài)余量)，向上留有19級Headroom(上動態(tài)余量)。

如果DVD盤片記錄的信號是16，那么在電視機(jī)中則被還原成黑色，低于16的信號則不被顯示，高于235的Peak White信號則做削波處理，還原為白色。Studio Level的信號如果在PC中不處理，16～235信號就會出現(xiàn)發(fā)白的顏色。

PC在播放影片的時候，一共經(jīng)過了以下四個流程：來源影片→解碼器→顯卡→顯示器

其實(shí)我們只需要一個步驟把灰階從16～235轉(zhuǎn)換到0～255就可以了。但是，為了解決Studio Level的灰階問題，這四個部分都有可能出現(xiàn)在灰階部分進(jìn)行處理的混亂情況。所以，最后影片出來的播放效果就有可能慘不忍睹。在為影片轉(zhuǎn)碼壓制DVDrip的時候，很多壓制軟件就有“Extend to PC video”的選項，將16～235灰階擴(kuò)展到0～255。

顯卡在渲染視頻畫面時，也分Overlay和VMR9等模式。用Overlay(覆蓋)模式渲染時，會把視頻信號里的0～15和236～255丟棄，把16～235擴(kuò)展為0～255，并輸出到顯示器上。與之配合的PC Level顯示器把顯卡輸出的0對應(yīng)于最黑，輸出的255對應(yīng)于最亮。在Overlay模式下，多余的BTB和Peak White信號都被忽略掉了。這樣做可能會丟失部分場景的高光細(xì)節(jié)，而原本的219級灰階擴(kuò)展為256級灰階后，也會出現(xiàn)某些灰階圖像過渡不夠自然的情況。

而在VMR9渲染模式下時，顯卡對視頻信號不做任何變換，直接輸出給顯示器。如果顯示器還是按PC Level調(diào)整的，0是最黑，255是最白，那么參考黑位在顯示器上就是(16，16，16)，結(jié)果看起來就是不那么黑，有點(diǎn)發(fā)白。解決辦法就是把顯示器按照Studio Level調(diào)整，把亮度調(diào)低點(diǎn)。

現(xiàn)在，很多播放軟件和視頻插件也支持輸出灰階調(diào)整功能。以The KMPlayer播放軟件為例，打開參數(shù)選項中的“模糊/色階”，然后在“色階控制”選項中選擇開啟，在輸出幅度位置選擇16～235替代默認(rèn)的0～255。CoreAVC、gabest、ffdshow等解碼器都有相關(guān)的灰階擴(kuò)展選項。

而在顯示器方面，一般我們使用的是0～255灰階的PC Level設(shè)備，但是我們也可能使用Studio設(shè)備的平板電視機(jī)。所以，在上述的幾個步驟中，無數(shù)的混亂造成影片播放時灰階的嚴(yán)重丟失。要調(diào)整好它們之間的關(guān)系，不下一番苦功夫是不行的。

HTPC和電視機(jī)的連接

AV領(lǐng)域的視頻設(shè)備是從16～235之間取值的，不過實(shí)際上很多中高端的DVD播放器、電視機(jī)和投影機(jī)都可以選擇PC Leve(l Full Range)或者Studio Level(Limited Range)模式來適應(yīng)不同的狀況。

如果HTPC輸出的信號是0～255的Full Range灰階信號，而Studio Level的電視機(jī)則是以16作為基準(zhǔn)黑，235作為基準(zhǔn)白的。這個時候，原本0～15和236～255之間的細(xì)節(jié)都顯示不出來了。不過，這部分細(xì)節(jié)并沒有被丟掉，只是被電視機(jī)藏到了一個不易被人注意的角落。因為Studio Level仍然還有BTB和Peak White信號，我們只要對電視機(jī)的gamma重新進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以把大部分細(xì)節(jié)還原出來。

如果是直接用HDMI接口連接視頻播放設(shè)備和電視機(jī)呢?也有可能因為輸出的灰階格式和機(jī)電視機(jī)的兼容格式不同造成灰階的丟失。比如，藍(lán)光播放器輸出的是RGB Full Range格式，而電視機(jī)則只支持Limitel Range，就需要對輸出端進(jìn)行調(diào)整。在PS3、藍(lán)光播放器等HDMI設(shè)備中，都可以對HDMI接口的灰階深度進(jìn)行調(diào)整，比如在PS3上，有一個RGB Full Range(HDMI)的選項，選擇“有限”則是以16～253的范圍輸出RGB信號，選擇“全取”則是以0～255的范圍輸出RGS信號。

而現(xiàn)在，NVIDIA顯卡和ATI顯卡也可以通過驅(qū)動面板對HDMI的灰階進(jìn)行調(diào)整，選擇RGB Full Range、RGB Limited Range或YCrCb 4:4:4的數(shù)字顏色格式。

實(shí)際測試和調(diào)節(jié)

我們使用HTPC和松下42PV70C等離子電視機(jī)相連，實(shí)際考察HTPC和電視之間的兼容情況。HTPC這邊使用了原生HDMI接口的Radeon HD 3450顯卡、DVI接口轉(zhuǎn)接HDMI的RadeonHD 3650顯卡和DVI接口轉(zhuǎn)接HDMI的GeForce 8800 GT顯卡，通過HDMI接口連接到電視機(jī)上。

平時，松下42PV70C電視機(jī)的HDMI接口已經(jīng)通過連接PS3游戲機(jī)設(shè)置好了亮度和對比度值，設(shè)置為對比度為85，亮度為50時，畫面的細(xì)節(jié)有較好的表現(xiàn)。

在ATI最新的8.11驅(qū)動中，如果你用HDMI連接，會有一個像素格式的選擇，可以選擇計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)Full RGB、Studio視頻Limited RGB以及YCbCr 4:4:4/4:2:2。

而HTPC通過DVI轉(zhuǎn)接的HDMI接口在連上電視及以后，我們打開了一張灰階測試圖片，黑色灰階16以下的全部不可見，而白色灰階235以上的也不可見。這正好說明了電視機(jī)以16灰階作為黑色，丟棄了大部分的暗部細(xì)節(jié)。接下來，我們播放了一段ts格式測試視頻片段，黑色和白色各有一個色塊在播放中丟失了。而我們換用原生HDMI接口的Radeon HD 3450顯卡后，也發(fā)現(xiàn)灰階丟失同樣非常嚴(yán)重。不過，無論是DVI轉(zhuǎn)接還是原生的HDMI接口的顯示圖像都可以通過調(diào)節(jié)電視機(jī)的亮度和對比度提升細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力，在降低對比度到40，提升亮度到90以后，大部分灰階都可以看到了。但是，此時的畫面相對比較暗淡，且仍然有6以下的黑色灰階不可見，黑色部分的噪點(diǎn)也增加了?？梢哉f，細(xì)節(jié)出來了，但是畫面的觀感還不如調(diào)節(jié)前。

接下來，我們又通過VGA接口連接PC到42PV70C電視機(jī)上進(jìn)行測試。此時，在先前的對比度80，亮度50的設(shè)置下，所有的灰階都正常，1～254灰階都可以正常辨識。由此看來松下42PV70C電視的HDMI接口只能兼容Limited Range的灰階，在連接HTPC時其表現(xiàn)還不如VGA接口。通過VGA接口的顯示效果都要比HDMI更好。

NVIDIA顯卡在動態(tài)范圍調(diào)節(jié)選項里有灰階的調(diào)節(jié)，并對該選項進(jìn)行了說明。而且在使用HDMI接口之后，還可以支持RGB和YCrCb色彩空間的選擇。

除了調(diào)節(jié)顯示器以外，我們還可以通過軟件調(diào)節(jié)的方法增加畫面細(xì)節(jié)。但是，通過軟件的調(diào)節(jié)大多數(shù)只能調(diào)節(jié)視頻的Gamma值，對桌面的顯示輸出沒有改變。除了前面我們講到的調(diào)節(jié)The KMPlayer、CoreAVC等解碼器之外，還可以調(diào)節(jié)顯卡驅(qū)動。在ATI顯卡的Avivo驅(qū)動面板中可以調(diào)節(jié)視頻亮度和對比度，來增加視頻的細(xì)節(jié)。通過調(diào)整以后，測試的ramp.ts視頻畫面中缺失的色塊又回來了。只是我們在前面說過，該調(diào)節(jié)僅僅是調(diào)整的視頻畫質(zhì)，桌面顯示和圖片的質(zhì)量仍不理想。在ATI最新的8.11驅(qū)動里，如果使用HDMI接口連接，還增加了一個像素格式的選項，可以選擇計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)Full RGB、Sudio視頻Limited RGB以及YCbCr 4:4:4、YCbCr 4:2:2。如果選擇YCbCr 4:2:2，細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力也會提升。

在高清音頻領(lǐng)域，有一個名詞正在流行，那就是“點(diǎn)燈”。意思是可以實(shí)現(xiàn)高清音頻源碼輸出的播放設(shè)備加次世代功放的組合，在經(jīng)過正確的設(shè)置后，實(shí)現(xiàn)了高清音頻的正確解碼，功放上對應(yīng)高清音頻解碼燈成功亮起。而在HDMI視頻領(lǐng)域，我們也可以用“點(diǎn)燈”來形容灰階的正確輸出和顯示，但是這個設(shè)置和判斷是非常困難的，不知道你成功“點(diǎn)燈”了嗎?