传统电视机和背投电视的清晰度

作者：家庭影院技术 陈俊文

欢迎访问e展厅 展厅 1 电视机/机顶盒/投影机展厅 数字电视/智能电视, 机顶盒, 广告播放机... 大家已经知道，电视图像的最终清晰度，是由图像信号的分辨率、传输系统和显示设备这3方面综合作用的结果。现在来讨论显示设备的图像清晰度了。对这个问题，我们先从传统电视机和背投电视谈起，下一次再谈高清电视机的清晰度问题。 当前市场上的图象显示设备种类越来越多，现在市场上有传统电视机、背投电视、投影电视、液晶电视、等离子电视和计算机显示器等。这些显示设备的原理不尽相同，结构不一，他们的清晰度计算方法也不会完全一样。为了讨论的方便，我们还是从传统电视机的图像清晰度说起，并顺便说一说背投电视的清晰度。 电视机本身性能所决定的图像清晰度是由3个方面决定的，一是图像信号的接收和处理电路系统，二是显像管扫描会聚系统，三是屏幕的荧光粉点距。在这三个系统中，电路系统和扫描系统近年来进步得比较快，它们的结构和性能是随着时间、品牌和型号不同在不断改变和进化着的，虽然它们对清晰度也有很大的影响，但没有一个固定的模式和统一的计算方法来进行具体的推论和进行对清晰度影响的计算，所以本文不准备谈这两个可变系统，而专门就荧光粉点距对电视机最高清晰度的影响加以讨论。 进行荧光粉点距对清晰度影响的讨论和计算之前，先要搞清楚屏幕高度和宽度的计算方法，以及相关系数的甄别，然后就可以比较方便地计算电视机的清晰度了。 一、屏幕高度和宽度的计算 要搞清楚电视机显示的图像清晰度，必须会计算屏幕的荧光粉点距和在屏幕上能显示的最大扫描线数；要搞清楚点距和最大扫描线数，必须会计算屏幕的有效高度和宽度。在进行这些计算前，还需要首先解决两个相关的附带问题。 1、两个相关的附带问题 两个相关的附带问题是指：屏幕名义尺寸和有效尺寸的关系、过扫描画面与实际显示画面的关系。 （1）名义尺寸和有效尺寸 CRT电视机屏幕的规格是以名义尺寸来标注的，实际有效尺寸小于名义尺寸。我们探讨的电视机图像清晰度，是指实际显示出来的清晰度，当然应当以实际尺寸来进行计算。不同品睡和型号的显像管，其命名方式、名义尺寸与有效尺寸的关系可能有所不同，因此难以用统一的方式进行换算。为了便于计算，我们可以采用一种折衷的方式，即假设名义尺寸为29英寸的电视机有效尺寸为27英寸、34英寸的有效尺寸为32英寸、38英寸的有效尺寸为26英寸。从我们对多台不同型号电视机屏幕尺寸的实际测量来看，这种在名义尺寸的基础上减去2英寸作为有效对角线尺寸的方法，对大多数大屏幕电视机来说是误差是不会太大的。 （2）过扫描画面和实际显示画面 以电子束进行“扫描”的形式来显示图像的电视机和显示器，无一例外地存在所谓“ 过扫描”的问题。由于过扫描的画面大于实际显示的画面，所以通过电子束提供给显示屏幕的扫描像素，有相当多的一部分扫描到屏幕的有效尺寸以外去了，从而使电子束扫描提供的图像分辨率有一部分在最终显示的图像清晰度中没有作出贡献。因此，在用从图像信号分辨率向电视机清晰度进行换算时，还要打一个折扣。过扫描的大小单面可达到5%-10%，双面就达10%-20%，因此这个折扣是比较大的，不能不考虑进去。 2、屏幕高度和宽度的计算 4:3窄屏幕和16:9宽屏幕电视机的屏幕有效高度和宽度的计算方法如下： （1）计算通式 电视机的对角线与屏幕高度和宽度的相对关系如图1。设屏幕对角线为C，高度为H，宽度为W，根据色股弦定理，则有 C2=H2+W2…（1）（见图1） 根据这个公式，我们可以分别对计算窄屏幕和宽屏幕的有效高度和宽度的公式进行推导。 （2）窄屏幕电视机屏幕的高度和宽度公式 对于4:3窄屏幕电视机，按照H=（3/4）W代入（1）式，可求得屏幕高度与对角线长度的关系为： H=0.6C…（2） 这就是说，对于窄屏幕电视机，其屏幕高度是对角线长度的0.6倍。同理，按照W=（4/3）H代入（1）式，可求得屏幕水平宽度与对角线长度的关系为： W=0.8C…（3） 由此可见，对于窄屏幕电视机，其屏幕宽度是对角线长度的0.8倍。利用（2）式和（3）式的这种关系，可以极为方便地求出窄屏幕电视机的宽、高尺寸来。 （3）宽屏幕电视机屏幕的高度和宽度公式 对于16:9宽屏幕电视机，按照H=（9/16）W代入（1）式，可求得屏幕高度与对角线长度的关系为： H=0.49C…（4） 这就是说，对于宽屏幕电视机，其屏幕宽度是对角线长度的0.49倍。同理，按照W=（16/9）H代入（1）式，可求得屏幕水平宽度与对角线长度的关系为： W=0.87C…（5） 由此可见，对于宽屏幕电视机，其屏幕宽度是对角线长度的0.87倍。利用（4）式和（5）式这种关系，可以极为方便地求出宽屏幕电视机的高度和宽度来。 3、五种大屏幕电视机的屏幕高度和宽度 因为点距是以毫米为单位的，所以必须将以英寸为单位的对角线尺寸换算成以毫米为单位的高度尺寸和宽度尺寸。为此，应当先将不同规格电视机的名义对角线长度减去2英寸后，作为有效对角线尺寸，再利用1英寸=25.4mm的关系，将对角线化为公制的毫米。最后，利用（2）、（3）、（4）、（5）式，就可以分别求出两种幅型比的各种型号电视机的屏幕高度和宽度来。 具体计算过程从略，现将最常用的3种4:3幅型比和2种16:9幅型比大屏幕电视机的屏幕尺寸计算结果列表于后（表1），这在下面计算点距和显示性能时要用到 将表1的结果稍加整理，即把有效数字取到十位，可以归纳出这五种大屏幕电视机的有效宽度W和有效高度H，以供大家进行有关计算时作为常用数据来使用。 29英寸：W×H=550×410（mm） 34英寸：W×H=650×490（mm） 38英寸：W×H=730×550（mm） 32英寸：W×H=660×370（mm） 36英寸：W×H=750×420（mm） 二、几种0.75系数的区别 在正式对电视机的清晰度进行计算之前，还要特别强调一个问题，就是几种0.75系数的区别。 在进行视频图像的清晰度计算时，有3个地方用到了系数0.75。我们曾经介绍过两种数值为0.75的系数，现在还要增加一种。为了使读者印象更加深刻，以免在实际使用中混淆，下面将3种0.75的系数都明确一遍。 1、有效系数K=0.75 有效系数K是指从显示的扫描线行数换算成清晰度电视线数时的关系系数。这个有效系数实际上有一个专用名词，叫克尔系数（Kell），其取值范围在0.5~1之间。 有效系数在垂直方向和水平方向都要用到，在垂直方向时，是指扫描线由于不可能全部正好扫在图像的黑线或白线上引起的垂直清晰度降低；在水平方向时，是指由于孔阑效应而使携带水平像素点的电子束不可能全部打在图像的黑点或白点上引起的水平清晰度降低。虽然根据克尔系数的取值范围可以取0.5~1之间的各种值，但是，如果不将电气性能和其他因素也纳入有效性中去考虑，而仅仅以扫描位置和图像细节位置的相对关系来考虑，有效系数取0.75比较符合统计学原理。因此，在我们文章中，一律使用了K=0.75的取值。 但是，由于K=0.75这个值与下面将要讲到的两个也是0.75的值相同，因而带来了使用上的不便和不同，因而带来了使用上的不便和不少人的误解。这种误解本来就是一种错误，但它不但流传在部分人的口头上，而且在一些家电文章中也不时可见，因此我们才反复对此加以说明。 2、窄屏幕电视幅型比的A=0.75 设窄屏幕电视的4:3幅型比为A，当A=4/3时，其值为A=1.33…，有的资料或文章将其取作A=1.4。这就是说，在将屏幕高度折算为屏幕宽度，即由小变大时，要用乘以1.33或1.4来计算。反之，当A取其倒数为A=3/4时，其值为A=0.75。这就是说，在将屏幕宽度折算为屏幕高度，即由大变小时，要用乘以0.75来计算。这就是第2种0.75系数。 3、从宽屏幕向窄屏幕幅型比的折算系数B=0.75 众所周知，窄屏幕的幅型比是4:3，宽屏幕的幅型比是16:9。那么，两种屏幕从宽到窄，或从窄到宽，又是一种什么换算关系呢？ 为了便于与宽屏幕的16:9比较，窄屏幕的4:3可以表示为12:9。这就是说，当两种幅型比屏幕在高度上一致时，其宽度是16:12的关系，也就是新的4:3的关系（因为16:12=4:3）。那么，在从窄屏幕的宽度折算到宽屏幕的宽度时，是B=16:12=4/3=1.33…的关系；反之，在从宽屏幕的宽度折算到窄屏幕的宽度时，是12:16=3/4=0.75的关系，即B=0.75。也就是第3种0.75系数。 以上3种0.75系数在计算清晰度时都要用到，所以概念一定要清楚，以免将有效系数理解成幅型比，或者把幅型比说成是有效系数。 三、传统大屏幕电视机的清晰度 1、大屏幕电视机 传统电视机系指幅型比为4:3的阴极射线管（CRT）直观式电视机。这类电视机有大屏幕与非大屏幕之分，一般将25英寸作为一个界限，等于和大于25英寸的称为大屏幕电视机，小于25英寸的为非大屏幕电视机，或叫小屏幕电视机。由于小屏幕电视机显示的图像质量比较好，一般不对它们多加研究，而大屏幕电视机的图像清晰度差，扫描线明显，颗粒感重，所以多以它们为研究的对象。根据市场现有情况，本文只就29英寸、34英寸和38英寸的大屏幕电视机的清晰度进行讨论。 2、荧光粉点距及其对清晰度的影响 在电视机的清晰度问题上，与电路有关的因素已经不是最难解决的影响因素，而最难解决的因素还是荧光粉点距问题。因此，本文不讨论电路系统和聚焦系统对电视机清晰度的影响，而专门就荧光粉点距对清晰度的影响加以讨论。 “荧光粉点距”是指由红、绿、蓝三种荧光粉最小单元按一定方式排列组成的相邻“荧光粉组合”之间的水平距离，一般用PH来表示。所谓“荧光粉点”是一个用俗了的称呼，实际上不一定是一个点，而是由不同形状的3种颜色荧光粉小单元各自构成的三种不同形状的“荧光粉组合”：圆点状的小单元，成三角形排列，三色荧光粉圆点构成了一个基本称得上是点的荧光粉点（见图2）；短条状的小单元，纵向平行排列，三色荧光粉短条构成了一个正方形荧光粉块或长方形的荧光粉块（见图3）；长线状的小单元，也是纵向平行排列，三色荧光粉长线构成了一条荧光粉线组（见图4）。以上3种情况，看起来是把单色荧光粉小单元从点向长里做，先得到短条状得，进一步作为线状的。作成了线状，就达到了极端的情况，如同索尼的新型平面特丽珑显像管，其荧光粉组合已经既不是点，也不是条块，而是从屏幕上边缘一直拉到下边缘的一条长线。由于这种情况下是线，因此水平像素之间的距离已经不称做点距，而称为“线距”。但是，为了讨论问题的方便，一般情况下还是使用点距一词，只有在特定情况下才使用线距一词。（见图2、3、4） 就垂直方向来说，如果是荧光粉点或荧光粉块，也有一个点距问题，一般用PV来表示。这种垂直点距或块距不论在对垂直清晰度的影响上有无具体作用，总还能有点距或块距可言：如果是如同索尼显像管的整条荧光粉线，那么在垂直方向上还有什么点距或块距可言呢？实际上，在垂直方向上民有影响垂直清晰度的点距，不过这个点距不一定是荧光粉实际具有的点距，也可以是由水平扫描线在垂直方向上从荧光粉条或荧光粉线上切割出来的。因此，我们可以认为这种由扫描线切割出来的点距是“相当点距”。垂直分辨率高的水平扫描线切割出来的相当点距细，得到的图像垂直清晰度高；反之，垂直分辨率低的水平扫描线切割出来年相当点距粗，图像垂直清晰度低。 由于人眼对水平清晰度更为敏感，所以人们往往将垂直清晰度先放在一边，而只谈水平清晰度。我们平时所说的点距，是指水平为距PH，因此，通常所说的荧光粉点距或线距只决定水平清晰度，与垂直清晰度无关。正因为如此，本文也只讨论和计算电视机的水平清晰度。 一般的规律是，电视机荧光粉点距的大小，决定了能够显示的图像细节的小大。荧光粉点越细，点距越小，能显示的图像细节越精细丰富，图像清晰度越高；反之，荧光粉点越粗，点距越大，能显示的图像细节越粗糙，图像清晰度越低。但是，这种点距的大小对清晰度的影响并不是线形的，它与扫描电子束的大小存在如下3种情况的相互关系：当电子束提供的图像信号分辨率较低时，其像素点较大，如果信号的像素点明显大于荧光粉点距时，这时电视机显示出来的图像清晰度是由图像信号的分辨率决定的，而与点距无关，这时的清晰度比较低。当图像信号的分辨率较高时，其像素点较小，如果信号的像素点大小与荧光粉点的大小相当时，能充分发挥信号像素和荧光粉点的最高性能，获得最高清晰度的图像；如果信号的像素点过小，明显小于荧光粉点距，这时的图像清晰度仍然由荧光粉点距决定，高分辨率的图像信号不能充分发挥出自己应有的清晰度来。因此，在保证电子束提供的图像信号的分辨率等于和大于荧光粉点所决定的分辨率这两种情况下，电视机最终显示出来的图像水平清晰度，都是由荧光粉点距的大小来决定的，这时的清晰度就是该电视机所能显示的最高水平清晰度。 3、传统大屏幕电视机的最高清晰度 计算由荧光粉点距决定的电视机最高水平清晰度，比计算从图像信号源，包括传输系统在内的多因素所决定的最高清晰度要容易得多，因为这时我们可以不去考虑视频带宽，扫描的过程，逆程情况，会聚性能和画质处理电路等，而是假设这一切都能满足的情况下，只就荧光粉点距来说最大能显示出多高的清晰度。在这种情况下，计算就来得十分简单：只要计算出在屏幕上能显示出的最细扫描线的数量，再乘以有效系数K=0.75就行了。 传统电视机最高水平清晰度计算的具体方法如下：设水平清晰度线数为N，屏幕的宽度为W，荧光粉点距为d，有效系数为K，则有： N=KW/ d…（6） 在（6）式中，W/d实际上就是可以显示在最大垂直扫描线行数n，将其乘以有效系数K，就换算成了清晰度线数。 29英寸电视机的荧光粉点距多在0.73~0.80mm之间，我们平均以0.75计：34英寸的荧光粉点距多在0.8~0.9mm之间，我们平均以0.85mm计：38英寸的多在0.85~1.00mm之间，我们平均以0.95mm计，再利用表1所提供的大屏幕电视机的平均屏幕宽度，就计算出了各种电视机可以显示的最高水平清晰度来。对3种大屏幕电视机的计算结果见表2。 由表2可见，从3种大屏幕电视机的最高水平清晰度显示能力来看，它们是差不多的，即大约都在550~570线的范围。目前普通电视信号只能提供468线的水平清晰度， DVD机只能提供将近500线的水平清晰度，数字摄录机只能提供500~540线的水平清晰度。因此，现在的大屏幕电视机所具有的荧光粉点距对于显示现有图像信号源的清晰度还是有富余的，而对显示未来的高清晰度电视就力不从心了。 四、背投电视的清晰度 本文前面通篇都在强调点距，有些读者可能注意到，背投电视也有一个“点距”问题。尤其是近年来出产的新型背投，大多数厂家都在宣传自己品牌背投的屏幕栅条是已经精细化处理的，栅距从0.75mm减小到了0.52mm，并称这种背投的图像更为细腻，清晰度更高，有的厂家直接将其称为“高清背投电视”。所以有的读者以为，传统电视机29英寸、34英寸和38英寸规格的，其点距才分别为0.75mm、0.85mm和0.95mm左右，屏幕宽大到42英寸、51英寸和60英寸的背投电视，其点距竟然只有0.52mm，看来真正是高清晰度的了。 实际情况并不是如此，现在市场上栅距为0.52mm的所谓“高清背投”，不但不能显示出真正的高清晰度图像来，而且在同一分辨率图像信号源的情况下，背投显示出来的清晰度会明显低于传统电视机显示出来的清晰度。 这种看法，不是与背投的“点距”只有0.52mm相矛盾吗？其实不矛，因为传统电视机的点距是指显象管屏幕上的荧光粉点距，它与可以显示出的最高清晰度直接相关；而背投的0.72mm或0.52mm栅距是指组成屏幕的散光层栅条之间的距离，应当称为“栅距”，而不是许多人误认为的“点距”。虽然散光层的栅距与形成的图像清晰度有些关系，但关系不如显象管荧光粉点距的那么大。这样说不大好理解吧？要明白这个问题，需要先搞清背投屏幕上的图像是如何形成的和背投电视屏幕的结构。 以CRT背投为例，图像首先是在机内下部的投影管中形成，它的成像原理仍然利用电子束扫描，将图像信号分别在只有7英寸的R、G、B三个单色投影管里成像，通过投射管进行校正和聚焦，把图像向后上方投射到背后斜向的反射镜上，再由反射镜反射到前面的垂直屏幕上。背投电视的显示屏幕是特殊塑料制作的，一般由4层组成，里面一层为菲涅尔透镜聚光层，向着观众的外层为硬质保护层，在保护层里和双凸透镜透光层之间还夹着一层散光层（背投屏幕结构见图5）。（见图5） 因此，观众从背投屏幕看到的图像不是如同传统视机那样直接在荧光屏上生成的，而是在投影管中已经生成的3个单色小图像，再将这3个单色小图像的光线投射出来，并使这些图像光线经过校正、聚焦、反射、折射和散射等一系列的变化，最后在屏幕上形成放大了的间接图像来。由于这种图像在投射和放大的过程中所经历的反射、折射和散射等，使原来生成的图像质量劣化。如果用一种分辨率的图像信号输入背投和传统电视机中，将二者显示的图像相比，在背投上显示的画面清晰度降低，图像细节损失大，画面风格缺乏锐利感，如果聚焦稍微有偏差，经过放大后就会造成图形边缘着色不准，出现彩色镶边现象等。 由于背投电视的图像质量普遍较差，所以不宜近看，而适宜较远距离观看。背投电视屏幕栅距的细化与显象管荧光粉点距的细化对图像清晰度的影响完全不可相提并论，虽然目前背投电视的屏幕栅距已经下降到0.52mm，但并不能说明就能显示出真正的高清晰度图像来。由于背投电视图像光线变化的复杂性，一般无法计算它的最高水平清晰度。 关于高清晰度电视机和显示器等的清晰度问题，我们将在以后的文章中加以讨论。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/3/2004)