[资料] 11345 29.97 Hz 这种奇葩帧率是怎么来的?

[复制链接]
查看62 | 回复0 | 2020.2.8 20:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
  制作电影或视频的人也许知道,有些影视节目的帧率是 29.97 帧每秒。你也许有想过:这个数字明明这么接近 30,为什么就不能凑个整呢?我在网上试图找寻答案,却发现竟然没有一篇文章能够清晰、完整地梳理出 29.97 这个数字的来历。那么,就由我来考一下古,补上这个空缺吧!当然,作为半个外行,考证出的细节难免有错误或遗漏,欢迎影视、通信等业内人士纠正、补充。

1.jpg

  29.97 Hz 这个帧率,要追溯到 1950 年代美国模拟电视的 NTSC[1]标准。模拟电视在最近十年已经逐渐被数字电视所取代了,但模拟电视带给我们的影响还未消散。NTSC 是模拟电视的三种制式之一,另外两种是 PAL 和 SECAM。三种制式分别由美国、德国和法国提出,它们的使用范围如下图所示。


2.jpg

图 1:三种模拟电视制式在世界上的分布。
  NTSC 制式标准有过两代:第一代是 1941 年制定的,只支持黑白画面,此时的帧率确实是正好的 30 帧每秒。到了 1953 年,又推出了支持彩色画面的第二代标准。在第二代标准的制定过程中,人们发现,为了避免声音信号对彩色画面产生干扰,不得不对第一代标准中已经定好的一些参数进行微调,29.97 Hz 的帧率就是这样微调出来的。

  在这篇文章中,我就来追溯一下 NTSC 黑白及彩色电视标准的制定过程,以及在选取一些参数时的技术考量。你将会看到第一代标准是怎样给第二代标准埋下了坑,第二代标准又是怎样通过「丑陋而又巧妙」的方式避开这个坑的。

一、NTSC 黑白电视标准

1.1 画面标准
  黑白模拟电视的原理大概是这样的:屏幕后面有一个显像管,它可以发射电子束打到屏幕上,形成亮斑。电子束的强度以及它打在屏幕上的位置都是可以控制的。电子束在屏幕上沿水平方向从左扫到右(称为一条「扫描线」),就可以显示出一行画面;从上到下扫描许多行(称为一「场」),就可以在显示出一幅完整的画面来了。
  屏幕上的扫描线数,实际上会多于画面在竖直方向的分辨率。多出来的扫描线不会在屏幕上显示出画面,而是用于承载同步信号等必要的信号,或者字幕等额外信息。为了减弱画面的闪烁感,实际电视中还采用了「隔行扫描」技术,也就是在一场中只扫描偶数行,下一场中只扫描奇数行,这样就需要两场才能显示一帧画面。
  NTSC 黑白电视标准制定于 1941 年。其中,与画面有关的参数为:
  ● 帧率为 30 帧每秒,采用隔行扫描,故场频为 30 * 2 = 60 Hz;
  ● 画面分辨率为 486 行 * 720 列;
  ● 水平扫描线数为 525 条,故行频为 30 * 525 = 15,750 Hz。

  这里,场频 60 Hz 这个数字与美国交流电的频率一致,这样取的好处是可以减少电源杂波的干扰。720 列这个数字可以说是「拍脑袋」想出来的,并没有什么原因要求它必须正好是这个数值,它与本文下面的讨论关系也不大。486 行这个数字,是从 525 条扫描线中扣除承载其它信息的扫描线后剩下来的。而 525 条扫描线这个数字的来源就比较复杂了[2]:
  首先,扫描线的数量需要是一个奇数。这样,在扫描完最后一个偶数行(第 524 行)后,开始扫描第一个奇数行(第 1 行)时,电子束需要上移 523 行的距离;在扫描完最后一个奇数行(第 525 行)后,开始扫描第一个偶数行(第 2 行)时,电子束也需要上移 523 行的距离:这两个距离一致,比较方便电路实现。
  其次,扫描线的数量不能包含比较大的质因数。这是因为,在发射端(电视台)和接收端(电视机)中,都需要用电路来产生频率为场频和行频的周期性信号。为了保证这两个信号的同步,它们是从同一个振荡器发出的高频周期性信号中通过「分频器」降频产生的。以 40 年代的技术水平,分频器输出的频率只能是输入频率的小整数分之一。
  扫描线的数量既然是奇数,就说明它不能包含质因数 2。如果只允许它含有质因数 3、5、7,那么在 400 ~ 700 之间(画面竖直分辨率的合理范围)可选的数就只有如下这些:

equation.svg (8.27 KB, 下载次数: 0)
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册账号

本版积分规则