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Video_AVI_Packet（2）
一、Video Picture Aspect Ratio 与 Active Format Aspect Ratio
在视频处理中，Picture Aspect Ratio (PAR) 和 Active Format Aspect Ratio (AFAR) 是两个关键但易混淆的概念，它们共同决定了视频最终显示的宽高比。以下是它们的对比解析：
1. 基础定义
| 术语 | 英文全称 | 中文名 | 作用 |
|---|---|---|---|
| Picture Aspect Ratio (PAR) | 图像宽高比 | 像素宽高比 | 定义单个像素的物理形状（宽:高） |
| Active Format Aspect Ratio (AFAR) | 有效格式宽高比 | 活动画面宽高比 | 定义视频信号中实际有效图像区域的宽高比（排除黑边/过扫描区域） |
| Display Aspect Ratio (DAR) | 显示宽高比 | 最终显示宽高比 | 由PAR和分辨率计算得出的实际观看比例（DAR = 水平像素数 × PAR / 垂直像素数） |
2. 技术细节对比
(1) Picture Aspect Ratio (PAR)
- 定义：单个像素的宽度与高度之比
- 方形像素（Square Pixel）：PAR=1:1（如1080p视频）
- 非方形像素：PAR≠1:1（如DVD的720×480 NTSC，PAR=8:9）
- 计算公式：
PAR = \frac{DAR \times 垂直分辨率}{水平分辨率} - 常见场景：
- 现代数字视频：通常PAR=1:1（如1920×1080）
- 传统标清视频：PAR≠1:1（需校正以避免画面变形）
(2) Active Format Aspect Ratio (AFAR)
- 定义：视频信号中有效图像区域的宽高比（排除黑边或冗余信息）
- 编码方式：
- 通过 AFD（Active Format Description） 元数据传递（如HDMI的AVI InfoFrame）
- 常见值：
16:9、4:3、2.35:1
- 典型应用：
- 电影宽银幕内容（2.35:1）在16:9信号中的实际有效区域
- 广播电视避免台标/字幕被裁剪
3. 三者关系图示
┌───────────────────────────────────────────┐
│ 视频文件/信号 │
│ ┌─────────────────────────────────────┐ │
│ │ Active Format (AFAR) │ │
│ │ ┌───────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ Picture (PAR) │ │ │
│ │ │ [像素阵列] │ │ │
│ │ └───────────────────────────────┘ │ │
│ └─────────────────────────────────────┘ │
└───────────────────────────────────────────┘
最终显示比例（DAR）= AFAR范围内像素的PAR综合结果
4. 实际案例解析
案例1：DVD视频（NTSC 720×480）
- 存储分辨率：720×480（非方形像素）
- PAR：8:9（需拉伸修正）
- AFAR：
- 全屏内容：16:9（实际DAR=16:9）
- 宽银幕电影：2.35:1（带黑边，DAR=2.35:1）
- DAR计算：
16:9 = \frac{720 \times 8/9}{480} \quad \text{(全屏)}
案例2：4K超宽电影（3840×2160容器）
- 存储分辨率：3840×2160（方形像素，PAR=1:1）
- AFAR：2.35:1（有效图像区域≈3840×1634，上下加黑边）
- DAR：2.35:1（显示器自动隐藏黑边）
5. 常见问题
Q1: 为什么需要PAR和AFAR两个概念？
- PAR 解决像素形状问题（防止拉伸变形）
- AFAR 解决有效内容界定问题（防止错误裁剪）
Q2: 如何检测视频的PAR和AFAR？
- 工具：
MediaInfo：查看编码参数FFmpeg命令：ffprobe -v error -show_streams input.mp4 | grep aspect_ratio
- AFAR元数据：需专业分析工具（如HDR10+ Analyzer）
Q3: 错误设置的后果？
- PAR错误：画面变形（如人脸被拉宽）
- AFAR错误：内容被裁剪或显示多余黑边
6. 行业应用规范
| 标准 | PAR要求 | AFAR处理 |
|---|---|---|
| 广播电视 | BT.601/BT.709规定 | 强制AFD元数据（防过扫描） |
| 流媒体 | 通常1:1 | 靠容器元数据标记（如MP4的paspbox） |
| 游戏 | 强制方形像素 | 引擎直接控制输出 |
总结
- PAR：像素层面的宽高比，解决"单个像素是否方形"问题
- AFAR：信号层面的有效区域，解决"实际内容边界"问题
- DAR：最终观众看到的比例，由前两者共同决定
- 关键口诀：
“PAR管像素形状，AFAR管画面范围，DAR管最终显示”
二、 Video RGB Quantization Range（RGB量化范围）
RGB量化范围定义了视频信号中RGB分量（红、绿、蓝）的数值如何映射到实际的亮度/色彩输出，是保证图像准确还原的关键参数。以下是深度解析：
1. 基础概念
(1) 什么是量化范围？
- 将连续的模拟信号转换为离散数字值时，允许的数值范围
- 在8-bit系统中：
- Full Range（全范围）：0-255
- Limited Range（限制范围）：16-235（亮度Y），16-240（色度Cb/Cr）
(2) 两种主要标准
| 类型 | 数值范围（8-bit） | 应用场景 | 黑电平 | 白电平 |
|---|---|---|---|---|
| Full Range | 0-255 | PC显示器、游戏、图像处理 | 0=纯黑 | 255=纯白 |
| Limited Range | 16-235（Y） 16-240（CbCr） |
广播电视、蓝光、流媒体 | 16=黑 | 235=白 |
2. 技术细节
(1) Limited Range的由来
- 广播历史原因：模拟信号需要预留空间给同步头和过冲
- 安全阈值：防止信号处理时的截断误差（headroom/footroom）
- 现代延续：即使数字信号仍保持兼容性
(2) 位深扩展
- 10-bit系统中：
- Full Range：0-1023
- Limited Range：64-940（Y），64-960（CbCr）
3. 实际影响
(1) 错误匹配的后果
| 发送端 | 接收端 | 现象 |
|---|---|---|
| Full Range | Limited Range | 画面发灰（黑不纯、白过曝） |
| Limited Range | Full Range | 对比度拉高（暗部死黑、亮部细节丢失） |
(2) 典型场景案例
- 游戏主机接电视：
- PS5/Xbox需设置为"Limited Range"匹配电视标准
- 若误设"Full Range"会导致暗部细节丢失
- PC接显示器：
- 通常使用Full Range（0-255）
- NVIDIA控制面板中的"输出动态范围"设置
4. 行业规范
(1) 标准制定组织
| 标准 | 量化范围 | 适用领域 |
|---|---|---|
| ITU-R BT.601 | Limited Range | 标清电视（SD） |
| ITU-R BT.709 | Limited Range | 高清电视（HD） |
| sRGB | Full Range | PC显示、网络图像 |
| HDMI 2.1 | 可协商（EDID通信） | 自动匹配最佳范围 |
(2) 元数据标记
- HDMI AVI InfoFrame：包含
Quantization Range字段 - HEVC/H.264 VUI：
video_full_range_flag参数0=Limited Range,1=Full Range
5. 常见问题
Q1: 为什么Limited Range的黑色从16开始？
- 预留
0-15给同步信号和超黑（Super Black）区域 - 确保模拟-数字转换时的安全裕度
Q2: HDR视频是否还用Limited Range？
- HDR10/Dolby Vision：仍使用Limited Range（但白电平扩展到1000+尼特）
- PQ曲线：实际亮度由元数据动态映射
Q3: 如何强制转换范围？
- FFmpeg示例（Full→Limited）：
ffmpeg -i input.mp4 -vf "scale=out_range=limited" -c:a copy output.mp4