本文作者王绍清先生，国家广播电影电视总局电影卫星频道节目制作中心技术部主任。
关键词：数字电视节目 图像质量 监测 色域越限 非法彩色
在电视节目制作技术标准中，既规定了主观评价标准，又规定了客观测试标准。为把握节目技术质量是否符合规定的要求，单凭主观评价是不够的，必须通过专用仪器进行客观测试。
在由模拟向数字系统的过渡中，记录节目信号的载体由模拟带转向数字带或硬盘。因此，数字节目技术质量的监测不能再沿用模拟节目的图像质量评测方法及监测仪器，而要按照新的技术标准，采用新的监测方法及监测仪器。
数字节目图像质量监测的新问题
在模拟节目制作及技术质量检验标准中，除主观评价外，只要在波形示波器上监测节目图像的全电视信号幅度和字幕的信号幅度不超过800mV、亮度信号幅度的最大值不超过770mV、底电平为0～50mV，在矢量示波器的度盘图上监测各个色条矢量的亮点都落在各自规定的田字小方格里，那么该节目图像质量的客观测试指标就是合格的。
而数字节目图像质量监测出现了新的问题。
亮度信号按传统方法和标准监测没有意义
在数字节目制作系统中，记录节目图像信号的设备是数字录像机等相关数字设备，节目信号从模拟转换到数字经过了取样、量化和编码三个数字化处理步骤。目前使用的数字录像机，一般量化指标是10b，最多1024个量化级。对亮度信号来说，量化后从最暗到最亮的范围就是1016个亮度级，幅度被限定在-48mV～+763mV，色差信号被限定在 -398mV～+398mV，所以亮度信号数字化后的最大幅度值被限定在763mV左右，即使信号电平再大也不再量化编码了，所以，亮度信号幅度仍按传统的不大于770mV标准检验，始终不会超标。可见，采用传统的监测标准和方法评价数字节目图像亮度信号质量已经没有意义。
数字节目制作中图像信号的“色域越限”、“合法”与“有效”
在分量信号中，不管是R、G、B，还是Y、R-Y、B-Y或者Y、Pr、Pb或者Y、Cr、Cb等，常常都要进行格式转换。例如：摄像机输出的R、G、B彩色分量信号要经过矩阵变换后转换成一个亮度信号Y和两个色差信号R-Y与B-Y，这样既便于通道传送和信号处理，又能与黑白电视兼容。因此很多演播室设备和传送系统都采用亮度信号Y和两个色差信号R-Y与B-Y的格式，而在监视器和电视机上观看图像则需要基本的R、G、B分量信号格式，因此中间环节无论怎样变换，最后还是要还原成R、G、B信号才能在用户端的电视机上显示图像。
然而，在这一系列格式转换过程中，极易出现信号“幅度”或“色域”超限的问题。例如：当节目信号由色差信号格式转换为R、G、B格式时，由于带宽的不同，会造成过渡上升时间的差异，致使信号幅度突变而瞬时超出R、G、B信号的有效范围，从而导致色域越限而成为非法的无效信号。因此，在数字节目制作中，信号的“色域越限”、“有效”与“合法”是不可忽视的新问题。
1.色域——被摄取的自然景物在电影和电视系统中再现的彩色色度范围被称为色域，在电视系统中就是视频分量信号所允许的电压范围。由于R、G、B信号的电压数值直接代表了信号的各种颜色，而且调整R、G、B信号大小就可以改变彩色色域中的任何颜色，因此，色域就是R、G、B信号电压的取值范围。如果信号电压超出这个范围，即超出色域，信号则为非法，结果有可能导致信号限幅、串扰或其它失真。
2.合法(Legal)——信号在特定的格式中，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。例如在分量信号格式中，Y的电压范围规定为700mV、R-Y与B-Y为525mV，只要Y、R-Y、B-Y信号幅度不超过这个范围，那么这个信号就是合法信号。
3.有效(Valid)——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，那么这个信号就是有效信号，否则就是无效的超标信[page]号。例如：某一信号在Y、R-Y、B-Y格式中其幅度都在规定的范围内，则称之为合法信号。当它转换为R、G、B格式时，信号不仅能够正确重现色域图内的各个色点而没有越限R、G、B的幅度范围，那么这个信号就是有效信号。
这就是说，有效信号始终能保证是合法的，而合法信号却不一定都能保证是有效的。合法但并非有效的信号在其当前格式下工作是没有问题的，但如果转换为另一种格式就可能出现问题。只有色域不越限、转换为其他格式时幅度又不超标的信号，才是既有效、又合法的图像信号。从实际应用来说，只要在RGB色域中是合法的信号，那么该信号就是有效信号。
防止非法彩色有助于提高数字节目图像质量
对于“合法”信号来说，图像信号幅度虽然没有超标，但节目图像质量不一定就是好的，即有可能产生色域越限而超标。所以在数字节目图像信号记录时，防止非法彩色有助于提高数字节目图像质量。
根据上面所述，在数字节目图像信号记录和技术质量审查时，不仅要监测复合全电视信号幅度不超过标准规定，而且要确保分量信号R、G、B色域不越限超标。这一点在进行数字节目质量监测时已经充分得以证明，即有些镜头的图像信号在监测仪的复合全电视信号幅度测量时并没有超过800mV，但在R、G、B信号色域监测时已经越限超标，而且实际观看的图像也是明显偏色的。这就是说，客观监测与主观评价是一致的。
数字节目图像质量监测方法及监测仪器
在数字域，除监测复合全电视信号幅度不超标外，还要监测R、G、B信号色域不越限，这是迄今评价数字节目图像质量的一种可行的方法。国外已经采用这种方法评测数字节目图像质量。例如：欧广联的EBU-R103标准中就明确规定R、G、B信号色域上限为735mV、下限为-35mV，而亮度信号Y的幅度上限为721mV(即103%)、下限为-7mV(即-1%)。
随着国内数字化节目制作的普及，为了提高数字节目图像质量，尽快出台统一的数字节目制作和交换标准是非常必要的，这既有利于规范化管理，又有利于节目交换，使得数字节目制作和技术质量检验有章可循。
至于监测仪器，根据上面所说的监测方法，不仅要有复合全电视信号幅度监测功能，而且应具备R、G、B色域监测功能。目前具有钻石显示和箭头显示功能的监测仪，以及具有Five Bar显示功能的监测仪，都能用于判定R、G、B信号色域是否越限超标，而且很容易区分是哪个通道色域超标。这些显示功能上/下限指标均可以预置门限值，方便用户根据不同标准任意设定使用。
不同的是：具有钻石和箭头显示功能的监视仪除上/下门限值可预置外，还具有超标象素占整个画面象素面积的百分比数值的设定，这给使用者一个宽限，即只有超标象素面积占整个画面面积达到或超过设定的百分比时才报警，确定为超标；而具有Five[FS:Page] Bar显示功能的监测仪没有此项面积百分比设定，即超标象素不管占整个画面象素面积的百分比多大，只要超标幅度达到设定的门限值，就以红色警示区显示超标。
这两种监测R、G、B信号色域是否越限而超标的监测方法各有特点。
钻石和箭头显示
图1 钻石和箭头显示
如图1所示，菱形图中间垂直方向矢量和箭头图左侧垂直方向矢量都是显示亮度信号幅度值，而在它们侧向形成的色域块(色域面积)伸展的大小则代表色度加亮度信号值，如果它们的图迹越过门限值所显示的边框线以外，即为色域越限而超标成为非法彩色。因此，信号只要在RGB域中是合法的，那么它就是有效信号。由于钻石显示是在RGB域，因此，可以根据钻石显示来判断某信号是否有效或合法。
箭头显示有一个特点，即虽然是在复合域中观测的，但它却是将信号放在3个域(亮度信号、色度信号、亮度加色度)分别进行判断的，[page]3个域中，只要有一个域超出其规定容限，就可以说该复合信号是非法信号。
Five Bar显示
图2 具有Five Bar显示的监测仪
如图2、图3所示，它是由Y、G、B、R及复合全电视信号共５个条构成条柱形显示，G、B、R三个基色是由Y、Pr、Pb信号通过计算后转换而成的，最右边的条是复合全电视信号，也是由Y、Pr、Pb信号复合而成的。如果全电视信号幅度或G、B、R色域超过设定的门限值，柱形显示条就变为红色显示而告警超标。
图3 Five Bar显示的5个显示条
这两种色域监测都用R、G、B来监视信号色域是否越限而成为非法彩色，从而解决了在Y、Pr、Pb的波形上很难看出非法彩色信号的问题。
