波形監(jiān)測儀基礎(chǔ)及應(yīng)用

付 軍

（作者單位：貴州廣播電視臺）

在視頻領(lǐng)域無論是高清還是超高清，視頻技術(shù)的終極目標(biāo)是不斷向人眼所看及所得目標(biāo)邁進(jìn)，超高清在分辨率和色域都有明顯提高，HDR高動態(tài)范圍足以證明色彩的重要性，了解色彩原理，配合儀器能更好調(diào)校色彩還原度，確保視頻系統(tǒng)不同信道間色彩基本保持一致。

1 彩色和色域

首先，來了解彩色。視頻是由三個彩色分量即紅綠藍(lán)（RGB）組成，這三個彩色分量各種組合構(gòu)成我們看到的彩色，用色調(diào)、飽和度和亮度來描述彩色性質(zhì)。將兩個圓錐體拼合后組成的彩色空間，就是人們在三維空間所看到的圖形，拼合后圓錐體頂點是白色，底端是黑色。沿由圓心向四周發(fā)出的射線上各點，它距圓心距離代表信號跡線在該點的色飽和度。越靠近圓周外邊緣，距圓心越遠(yuǎn)，表示色度信號越強，即飽和度越高，顏色也更鮮艷。而該點所在射線圍繞圓心旋轉(zhuǎn)的角度，表示信號跡線在該點的色調(diào)。波形監(jiān)測儀通常顯示信號（跡線點）與時間軸間坐標(biāo)關(guān)系，而矢量儀是彩色（跡線點）XY坐標(biāo)（色調(diào)）作角度分量在極坐標(biāo)中顯示，且以距圓心（黑色）距離來代表信號幅度。

所謂色域，即是彩色一個范圍。在廣播電視中色域是由RGB（紅、綠和藍(lán)）信號值定義彩色重現(xiàn)的范圍。通過儀器色域顯示監(jiān)測，如信號在某一指定視頻格式中沒超出信號電壓容限值，這樣的信號為合法廣播視頻信號。如在RGB信號通道中有任一通道超過上容限值或低于下容限值，那么該信號就超出色域范圍，超出色域容限違規(guī)使該信號“非法”。

2 色域監(jiān)測

使用矢量儀有助于分析信號色調(diào)和色度電平，使彩色信號合法，且有助于消除不需要的色偏。在消除色偏時，攝像機(jī)靈敏度不一致或白平衡調(diào)整不當(dāng)造成彩色不平衡，可用波形監(jiān)測儀在監(jiān)視圖像時進(jìn)行校正，即通過調(diào)整使所有三個通道（紅、綠和藍(lán)）信號強度相等，以顯示出正確的自然色，即純黑、純白和純灰色。

“菱形”顯示圖1，是將節(jié)目視頻信號轉(zhuǎn)換為RGB分量色域信號顯示。

圖1 菱形顯示

它不僅可監(jiān)測RGB分量信號是否超標(biāo)（-35～735mv），RGB信號電壓數(shù)值如超出所規(guī)定電壓范圍即為色域越限，結(jié)果有可能導(dǎo)致信號限幅、串?dāng)_或其他形式失真。色域監(jiān)測是監(jiān)測數(shù)字節(jié)目分量信號不要超出規(guī)定電壓范圍而成為合法有效信號，來確保數(shù)字節(jié)目圖像質(zhì)量。菱形顯示可有效監(jiān)測色域內(nèi)所有信號矢量都位于G-B和G-R合法菱形內(nèi)。相反，如信號矢量超出菱形外，就是超限幅。

“分離菱形”顯示圖2：（在左下方菜單中選擇）是將菱形顯示圖上下兩部分分開一定距離顯示，這是為如有信號負(fù)向超標(biāo)時，能更直觀判斷是RGB哪個分量信號負(fù)向超標(biāo)，黑電平正確檢測。

在菱形顯示圖1中，由中心到顯示跡線外輪廓頂點垂直軸，表示是被測信號亮度分量，菱形顯示水平軸，指示當(dāng)前信號中色度量，可使分離菱形顯示進(jìn)行黑電平調(diào)整，這樣便于監(jiān)測信號中是否有某些部分處于黑電平以下，有助于觀察黑電平的顯示情況。在菱形顯示跡線最高點處，即在信號跡線色域容限邊緣處出現(xiàn)了限幅或幅度過低，都可檢測到圖像太亮或亮度不夠，需對亮度電平進(jìn)行控制。另外，在黑電平處如出現(xiàn)限幅或幅度過高，表示在中心黑電平較亮或過暗，造成畫面發(fā)灰或?qū)Ρ榷燃又?，也要對黑電平進(jìn)行合理控制。

圖2 分離菱形顯示

在狀態(tài)顯示功能中不僅可記錄超標(biāo)信號類別，例如，R-r-G-g-B-b等，其中，大寫的R-G-B是分量信號正向超標(biāo)，小寫的r-g-b是分量信號負(fù)向超標(biāo)，還能詳細(xì)記錄超標(biāo)信號產(chǎn)生的確切開始時間和結(jié)束時間，便于事后查看或處理。圖2正向超標(biāo)主要是R G B色彩過亮和亮度密切相關(guān)。Rgb負(fù)向超標(biāo)主要是色彩暗部或偏色引起，可通過報警提示做相應(yīng)調(diào)整。同時，打開“超標(biāo)信號突顯”功能后，Display Settings （顯示設(shè)定）→Picture Brightup On RGB Gamut Error （出現(xiàn)RGB色域錯誤時圖像突出顯示）選項中設(shè)置為On，圖像中超標(biāo)部分YRGB信號像素顯示為馬賽克，這樣可辯別出畫面中哪些部位圖像信號超標(biāo)，通過調(diào)整參數(shù)使指標(biāo)合法有效。

RGB也可通過WFM波形顯示來進(jìn)行監(jiān)測，主要是監(jiān)看RGB信號是否平衡，來調(diào)節(jié)RGB信號指標(biāo)是否合法有效。黑電平和亮度電平監(jiān)測，可通過波形選擇單獨監(jiān)測黑電平和亮度電平更直觀。主要作視頻尋道實時監(jiān)測畫面最有效，讓畫面始終保持在合理區(qū)間。亮度信號（Y）最大值103%（721mv）及最小值-1.0%（-7mv），黑底電平信號幅度0～50mv。箭頭顯示則是監(jiān)測SDI信號轉(zhuǎn)換為模擬復(fù)合信號時，復(fù)合全電視信號是否超過規(guī)定模擬復(fù)合信號電平≤800 mv。音頻監(jiān)測方式圖3，主要通過選擇電平表顯示或聲道間相位顯示，可單選某一項或雙選兩種模式。語言電平最大值（-12dBFS）及節(jié)目電平最大值（-6dBFS），（通常在-9 dBFS以下）,基準(zhǔn)電平-20 dbfs。語言電平超過黃色菱形標(biāo)尺后信號顯示為黃色光標(biāo)，即音量超標(biāo)。節(jié)目電平超過紅色菱形標(biāo)尺后信號顯示為紅色光標(biāo)，即音量超標(biāo)。檢查信號相位關(guān)聯(lián)，注意以下情況：相位關(guān)聯(lián)表位于相應(yīng)條形下方，在相位顯示下方還重復(fù)顯示一個相位關(guān)聯(lián)表。對相關(guān)信號指示器將顯示為綠色并移到右側(cè)。對不相關(guān)信號指示器將顯示為黃色并停留在中間位置。對反相關(guān)信號（一個信號向上而另一個向下），指示器將顯示為紅色并移到左側(cè)。當(dāng)信號電平超出指定過載電平時（用戶可以設(shè)置），條形圖上方出現(xiàn)紅色“OVER”字樣，提醒使用者注意“Over”（過載），電平一般設(shè)置在-3dBFS左右。當(dāng)信號被限幅時，條形圖上方出現(xiàn)“CLIP”（限幅），提醒使用者注意。一旦出現(xiàn)限幅指示，電平指示將到柱狀表頂端。如記錄電平超過滿刻度電平時，輸出信號就立刻被削波切掉，造成不可修復(fù)失真。

3 波形監(jiān)測儀應(yīng)用和誤區(qū)

節(jié)目前期準(zhǔn)備可在相同光照條件下進(jìn)行，使用同一種精密測試圖卡調(diào)整一臺攝像機(jī)矩陣設(shè)置。設(shè)置曝光電平、設(shè)置白平衡，然后用矢量儀對彩色進(jìn)行校正。利用波形監(jiān)測儀，憑借其CaptureVu TM特性，提供高級捕獲功能。將已校準(zhǔn)攝像機(jī)與準(zhǔn)備校準(zhǔn)攝像機(jī)由CaptureVu捕獲數(shù)據(jù)跡線同時顯示以進(jìn)行匹配調(diào)整。捕獲信號跡線（如波形顯示和鉆石顯示等）或呈現(xiàn)為圖像顯示，其他攝像機(jī)按此方法進(jìn)行一致性調(diào)整，直至它們間實現(xiàn)準(zhǔn)確匹配。

白場中底色失真對圖像質(zhì)量有重大影響，白底色失真（調(diào)整）是對亮度或彩色中的錯誤進(jìn)行電子補償過程，底色失真主要是由攝像機(jī)光學(xué)系統(tǒng)或時常更換鏡頭引起。當(dāng)用一張帶有蘭色頻譜色調(diào)白紙或不均勻照度來調(diào)整攝像機(jī)白平衡時也會出現(xiàn)問題。白場圖像如偏離矢量顯示器中心則表示彩色不正確，色調(diào)類型決定于偏離角度。借助（如DSC Ambi照明設(shè)備的漫射板）波形監(jiān)測儀按下并保持WFM按鈕以顯示菜單，配置波形顯示為RGB并列模式，確保所有通道均被選中，分別對RGB進(jìn)行調(diào)校。在攝像機(jī)菜單上調(diào)整H和V Saw以使跡線盡可能平坦。然后，在攝像機(jī)菜單上調(diào)整H和V Par以使跡線盡可能地平坦，如圖4所示。

在鉆石顯示中，白底信號失真是在RGB色域中進(jìn)行的，在灰度測試圖卡或照度均勻的白場中會在上、下鉆石顯示圖形中呈現(xiàn)為一條垂直線條，上下部份鉆石顯示中跡線略有偏離，表示藍(lán)綠通道和綠紅通道平衡狀況。偏向表示白底中帶有偏向方色調(diào)。攝像機(jī)中每一RGB通道中saw和par特性均需理想照明即照亮表面，任何不均勻照度均會引起幾何失真。同時，打開“超標(biāo)信號突顯”功能后，Display Settings （顯示設(shè)定）→Picture Brightup On RGB Gamut Error （出現(xiàn)RGB色域錯誤時圖像突出顯示）選項中設(shè)置為On，圖像中超標(biāo)部分YRGB信號像素顯示為馬賽克，可辯別出畫面中哪些部位圖像信號超標(biāo)，通過調(diào)整參數(shù)使指標(biāo)合法有效。

通過觀測分離菱形合法空間，光跡面積越大說明圖像顏色越豐富、色彩飽和度越好。綠色光跡面積越小，說明圖像顏色越不豐富、色彩飽和度、亮度低、色彩單調(diào)。綠色光跡越明亮地方說明圖像分量信號越集中（越多），圖像亮度層次和色彩飽和度越好。反之，圖像亮度層次和色彩飽和度越差。綠色光跡向外伸展越長、在標(biāo)準(zhǔn)線內(nèi)伸展越遠(yuǎn)，說明圖像某些分量信號幅度越大，反之，說明圖像某些分量信號幅度越小。

圖3 音頻電平表和相位顯示

圖4 白底失真RGB調(diào)整前后對比

波形監(jiān)測儀在實際使用過程中會存在許多矛盾的地方，比如，實際運用中監(jiān)測指標(biāo)和畫面間的矛盾，最為明顯的實例是，在整個畫面亮度并沒有超限，可畫面中某個白點或高光部分造成超標(biāo)，如為不超限而降低亮度到合法位置，整個畫面將變暗，碰到類似情況，我們是參考指標(biāo)還是尊重人的客觀感受，從觀眾角度出發(fā)偏向保留大部分畫面而犧牲占比較小瑕疵。但如參加評比碰到類似問題，要么降低亮度到合法位置，要么直接剪掉，問題是降低亮度到合法位置主觀評分會很低，剪掉又影響節(jié)目完整性，左右為難。造成這些問題有多方面原因，牽涉到各工種，特別是舞美燈光，一臺節(jié)目晚會，各工種各自為戰(zhàn)，互不協(xié)調(diào)，節(jié)目質(zhì)量可想而知，畫面質(zhì)量很難讓人滿意，主觀評價和技術(shù)指標(biāo)都不可能完全做到位。

一臺晚會或節(jié)目需所有參與工種在策劃前期提出各自的方案，討論存在的問題，達(dá)成共識，確保節(jié)目順利完滿。其中，視頻，燈光、舞美，音響、化妝造型、主持人服飾顏色搭配都對晚會成功與否以及視頻錄制畫面質(zhì)量好壞起到關(guān)重要的作用。對視頻指標(biāo)影響較大的黃色、綠色、白色須合理搭配，燈光色溫合理、照度均勻不至于影響整體效果。不能只顧節(jié)目現(xiàn)場效果而忽視對視頻制作質(zhì)量的影響。在實踐中，我們的做法是調(diào)光師親自參與白平衡、RGB、色域調(diào)校，通過切換臺劃像，兩兩進(jìn)行比較，主觀判斷加色域比較，使各通道減少色差，保持色彩平衡，畫面顏色基本保持一致。這樣既能保證節(jié)目效果，又能兼顧錄制質(zhì)量，也為后期制作參評提供方便，減少工作量。

波形監(jiān)測儀和矢量監(jiān)測，都是用來監(jiān)測節(jié)目信號指標(biāo)是否合法有效的工具，在實際運用中要結(jié)合節(jié)目特點和要求，靈活運用，不能為指標(biāo)論，也不能只看節(jié)目效果而忽視指標(biāo)。隨著節(jié)目形式多元化，燈光、視音頻技術(shù)迅猛發(fā)展，必將顛覆我們的審美習(xí)慣，監(jiān)測指標(biāo)方式也將隨之改變，我們應(yīng)密切關(guān)注監(jiān)測技術(shù)發(fā)展動向，把握趨勢脈搏，牢牢抓住技術(shù)創(chuàng)新這一主線，將監(jiān)測手段融入到節(jié)目制作的各個環(huán)節(jié)，更好把控節(jié)目質(zhì)量關(guān)。