你真的了解DVD画面分辨率吗？——DVD分辨率深入探讨解析（兼谈像素与画面比例）
本帖最后由 IsaacZ 于 2011-8-5 20:01 编辑转贴自：http://strong.zhu.blog.163.com/blog/static/98947055200910269714550/
IsaacZ注：本文以NTSC制式为例。NTSC 4:3画面下像素比小于1，即10:11(NTSC 4:3)。请注意与PAL制相关区别。
DVD现在已经算是个普及的东西了，一般的碟友对于DVD的各种技术细节也都能说个七七八八，比如视频采用MPEG-2编码啦、最高码率10.08M/s啦、最多容纳8条音轨啦等等。可是往往有些最基本的东西却没多少人能说清楚，就比如说画面分辨率吧。对于NTSC制DVD，很多人都知道其画面分辨率是720*480像素，但如果你仔细想想，就会发现有点问题：720:480=3:2，既不是4:3也不是16:9，那我们看到的画面怎么会是比例正确的4:3或16:9呢？
最容易想到的一个解释大概是：这720*480是大家以讹传讹吧？DVD的分辨率应该是720*540（4:3）或者960*540（16:9）吧？用PowerDVD截下来的图片可都是这样的尺寸啊。
并非如此。720*480的确是DVD画面的标准分辨率，这是毫无疑问的。PowerDVD的截图不是这个大小是因为设置的关系。PowerDVD的截图功能有两个选择：按照影片原始大小，或者按照播放窗口大小。一般来说我们播放DVD时，为了始终保持图像比例正确，在PowerDVD里都会选中“保持画面比例”，截图的设置也是设为按照窗口大小。所以这样截下来的就是播放的窗口尺寸而不是原始的画面尺寸。要想得到原始画面，我们应该在截图选项中选择按照影片原始大小。这样无论什么DVD，1.33:1的、2.35:1的、可变形的、不可变形的，截出来的就全都是720*480的图像了。但是，仔细观察这个720*480的画面就会发现：它的比例是不正确的，也就是说，它在水平方向上是拉长的——什么？你截的图正好相反，是水平压缩的（图1）？
图1
那你肯定是截了一幅变形宽银幕的画面。为了简单起见，我们这里只讨论不可变形的4:3全屏画面。现在你看到画面是水平拉长的了吧（图2）？
图2
因为原始画面是水平拉长的，所以PowerDVD播放时要在垂直方向进行拉伸，这样才能得到比例正确的画面，也使得不可变形画面按照播放窗口大小截出来是720*540像素（图3）。
图3
那么，为什么原始画面要做成拉长的？做成比例正确的不是更方便吗？电脑播放器可以方便地进行拉伸，DVD机和电视又是怎么实现拉伸的呢？其实，原始画面做成“拉长”的，正是为了适应视频系统的要求，使其不用进行拉伸就可以得到比例正确的图像。
从像素说起
为了说明这个问题，让我们先从像素说起。大家都知道像素是组成图像的基本单位。一般的概念里像素都是方方正正的，电脑显示器上也的确是如此，每个像素都是一样宽一样高的。但是在视频业界可不是这样，我们经常会遇到长方形的像素。其实在模拟电视上讨论“像素”是不合适的，因为它的图像是由扫描线构成的，所谓的像素其实是扫描线上的取样点。但为了方便讨论，我们可以借用一下像素的概念。播放NTSC 制DVD时，电视像素的高宽比是11/10，也就是每个像素都略显瘦长（准确的说法应该是水平方向上的取样要比垂直方向上的取样更密集一些）。
为什么会有瘦长的像素？这是由数字视频技术标准决定的。 从视频业界的角度来看，目前的数字视频格式，包括DVD、DV、VCD、SVCD、数字电视等所有实际应用的格式，都是为了通用性而设置的。二十世纪七十年代晚期数字视频技术诞生的时候，已经有了大量的模拟视频设备和素材。如果下一代的数字设备和这些已有的设备全无关系而且要把老设备完全扔掉的话，那真是巨大的浪费。因此数字视频技术标准从一开始就考虑到了和以前模拟设备的兼容性，以及对模拟素材的数字化。
当时的模拟电视制式主要有PAL、SECAM以及NTSC，为了统一标准以及降低设备成本，人们需要制定一个统一的取样率标准对各种制式进行数字化。这个取样率被定为13.5 MHz。我们知道对于NTSC制式，可以认为是相当于每秒钟扫描29.97帧图像，每幅图像由525条扫描线组成。这样每条扫描线的时长就是1/(29.97*525)=63.5微秒。但是这63.5微秒并不能全部用来搭载图像信息，因为要有大约10微秒用于回扫和同步信号，实际可以搭载图像信息的时长只有约53.3微秒。对于13.5 MHz的取样率，这53.3微秒的取样数是多少呢？53.3*13.5约等于720，每条扫描线有720个取样，这就是水平分辨率720像素的由来（图4）。
图4
那么垂直方向上是如何取样的呢？很简单，就是按照有效扫描线的数量来取样。NTSC制式虽然总共有525条扫描线，但用于显示图像的有效扫描线只有486条（其它的也是用于回扫和同步），所以垂直方向上应该就是486个取样。不过486这个数字不零不整，而MPEG-2对画面是按16*16像素的宏块来处理的，如果取样数能被16整除会很方便。因此在垂直方向上裁掉6个像素而只保留480个像素，这就得到了NTSC制式720*480的画面分辨率。
可是，前面说了NTSC制式的像素高宽比是11/10，720/1.1/480也并不等于4/3，还差了3%左右啊。的确是这样。首先，垂直方向上为了处理方便而截掉了6个像素，其次，在水平方向上，前面说过每条扫描线的时长为53.3微秒，可是这里面还有一些时间消耗在了信号的上升和消隐上，真正的有效时长是52又2/3微秒，所以每条扫描线的实际有效像素只有52又2/3*13.5 MHz=711个。剩下的9个像素可以用来搭载图像信息，不过在CRT电视上它们一般都放不出来。所以，假如有一部“理想电视”能把所有该有的扫描线都放出来（一般家用电视做不到这一点），它所显示的画面就是711*486像素。但因为技术规范规定了垂直方向只能有480个像素，所以为了保持比例正确，水平方向也只能用上704个像素（704/1.1/480=4:3）。也就是说，在技术规范所规定的720*480的画面中，应该只用中间这704*480的一块来显示画面，左右各8个像素用黑色补足（图5）。
图5
听起来很复杂吧？不妨这样想一下，现在有一幅640*480的标准4:3画面（图6）。
图6
要怎样处理它才能在电视上得到最佳的图像呢？由于水平方向上需要720个像素，所以我们要把640变成720。这有几种方法，第一种方法是用黑色在左右两边各补上40个像素。这样得到的图像在电脑上直接观看左右两边都有黑边，但中间的图像部分比例正常（图7-1）。
图7-1
而在我们上面所说的“理想电视”上一放，毛病就大了：由于像素是“瘦长”的，我们看到的图像不但左右有黑边，而且中间的图像也是水平压缩的（图7-2）。
图7-2
第二种方法，我们把640*480的画面进行重取样，水平拉伸到720*480。这样得到的画面在电脑上直接观看是水平拉长的（图8-1）。
图8-1
在“理想电视”上播放的时候，最边上的9个像素是看不到的，屏幕上水平方向只有中间的711个像素，垂直方向上则有全部480个像素。我们可以看到屏幕上下都有窄窄的黑边，高度为3个像素（图8-2）。
图8-2
这样的画面是有点问题的，因为画面的部分内容被裁掉了，而且有效画面的比例也不完全正确，水平方向上拉长了一点点（大约1%）。虽然这种程度的拉长人眼其实看不出来，但毕竟不够完美。
第三种方法，我们也是把640*480的画面进行重取样，但只拉伸到704*480，然后在左右两边各添上8个像素宽度的黑边，形成720*480的画面。这个画面在电脑上直接观看也是水平拉长的，而且两边有垂直的黑边（图9-1）。（IsaacZ注：这是小日本4的做法，参考另一帖的讨论 ）
图9-1
这样在“理想电视”上放出来画面四周都有窄窄的黑边。但中间的画面却是内容完整而且比例正确的（图9-2）。
图9-2
这才是最好的处理方式。
有人可能会说，第三种方法其实也不够完美啊，电视屏幕并没有被完全利用，四周都有黑边。当然，这肯定是不够完美，但这已经是我们能够得到的最好结果了。首先，四周都有黑边是由于NTSC制式所限，为了保证电视画面的比例就只能这样。而且，在家用电视上其实是看不到这些黑边的，这是因为有过扫描的存在。
过扫描是指电视在显示画面时，会把图像的宽度和高度都扫描得大一点，使其四周处于屏幕以外，从而防止在屏幕上四周出现黑边或者变形、模糊等显示瑕疵。适当的过扫描是必要的，因为CRT显示器的原理决定了图像边缘的质量肯定不如中心。但如果过扫描过多，有时就会看到部分字幕、台标被切掉。一般来说，家用电视每边的过扫描控制在5%左右是比较合适的。在这样的电视上看我们用第三种方法制作的画面，高宽各被裁切了10%，但图像比例正确（前提是电视的过扫描是成比例的）而且没有黑边（图10）。
图10
对比前面的图我们可以看到，过扫描裁掉的图像范围还是相当大的。大多数人恐怕根本没想到自己在电视上看到的DVD画面会缺了这么多，但如果用Avia或Digital Video Essentials之类的测试碟看一看就很清楚了。
那么，为什么大多数DVD都不按第三种方法来制作呢？首先，有些制作人员可能根本就不知道这些东西。其次，很多制作人员也根本不在乎这些微的差别，因为反正最后都要被电视过扫描裁掉不少画面，而且比例稍稍差一点谁也看不出来，更不用说电视本身的显示比例也可能不准。其实，很多制作者对DVD画面的处理是相当随意的，不该有的黑边经常出现。就以港产精品《少林足球》来说，很多画面上都有黑边，而且不同的镜头黑边的位置和宽度还不一样。比如图11，注意看左边和上边的黑边。但这些还不是最重要的原因。最重要的原因是为了适应电脑的播放。
图11
我们上面所说的“完美”方法是指对于电视而言。现在随着技术的发展，用电脑播放DVD并用LCD、等离子或者投影来显示画面已经成为潮流。这种播放方式克服了CRT电视的种种固有缺陷，可以很容易地实现完美的画面。在这种播放方式下，第三种方式的画面不再完美。因为电脑播放时只是简单地将720*480的画面垂直拉伸到720*540，所以第三种方式现在不但左右都有黑边，有效画面的比例也不对了，水平方向上略有压缩（图12）。
图12
现在第二种方式制作的画面才是真正的完美，因为它不但比例正确，内容完整，而且充分利用了整个屏幕（见前图3）。
电视和电脑播放DVD的原理存在着巨大的差别。在当前的格式下无法让电视和电脑都放出完美的图像来，所以只能在两者之间进行取舍。现在的模拟电视有着诸多的先天缺陷，即使是理论上也很难得到完美图像，而电脑系统则可以。所以优先满足电脑系统的要求是大势所趋。这么看来，HTPC大有其可行之道。而电视用户也不必心理不平衡：反正你看到的图像本来也被裁掉了不少。要想追求完美还是赶快向电脑系统靠拢吧。
上面说的是NTSC制式，PAL制的情况则刚好反过来，它的像素是“矮胖”的，高宽比为54/59。PAL制的画面是怎样的情况，大家可以自己研究一下。 好多的数字哟，值得深入研究的东西。。。 基本上看不懂，看我的：<font face="Verdana"><a href="https://www.dianbo.org/forum.php?mod=viewthread&tid=4816">[原创] 像素比、分辨率、画面比的概念区别 以及 它们在小日本转换当中的影响[点拨论坛]</a></font> 谢谢！学习了 楼主应该把图一起转过来啊！ 本帖最后由 IsaacZ 于 2009-12-22 22:00 编辑
谢谢提醒，已经上图。 太好了精华啊 我还是回去看那篇简单一点的好了。。
研究了几天了，还是没有想通。。
啊。。救命啊。。好复杂。。 学习了，谢谢 学习了