如何看懂 SMPTE 色条、EBU 色条和 PM5544 测试卡

我们的电视屏幕测试提供三种测试图，它们的年纪比大多数使用者都大：EBU 色条、SMPTE 色条和 Philips PM5544 测试卡。这些图案为模拟电视而生，用来校准演播室监视器，也用来填补节目之间的空档。它们原本要测的许多东西，在现代屏幕里已经不存在了。有些还在，还有几个部分找到了新用途。

下面我们逐一说清它们的来历、每个部分的设计用途，以及今天在电视、显示器或投影机上，还有哪些地方值得看。我们查阅了标准和工程师当年发表的论文，文末列出了出处。

色条为什么这样排列

色条几乎总是按白、黄、青、绿、品红、红、蓝的顺序排列，最后往往还有黑色。这不是随意排的。三原色各自完全开启或关闭，一共有八种组合，每根色条就是其中一种。把每根色条写成绿、红、蓝三个开关，便是从白色的二进制 111 倒数到黑色的 000。发生器只需三路方波就能画出来：蓝色每根色条切换一次，红色每两根切换一次，绿色每四根切换一次。

同一个倒数顺序，也让色条按亮度排列。人眼感受到的亮度中，绿色占得最多，红色其次，蓝色最少。标清视频标准 ITU-R BT.601 的亮度信号（luma）公式是：绿色乘以 0.587，加上红色乘以 0.299，再加上蓝色乘以 0.114。算出各根色条的值，便是白色 100%、黄色 89%、青色 70%、绿色 59%、品红 41%、红色 30%、蓝色 11%，黑色为 0。每根都比前一根暗，所以色条也能当灰阶用。

电子色条发生器在彩色电视问世初期就出现了。RCA 工程师 Norbert Larky 和 David Holmes 于 1951 年为彩色测试图发生器申请专利，1956 年获批。

大多数色条并不把各个颜色开到最大，原因很实际。ITU-R BT.471 用四个数字标记色条信号：白条的电平、黑条的电平，以及彩色条的最高和最低电平，全都以白电平的百分比表示。满幅色条（100/0/100/0）中，黄色和青色的彩色视频信号峰值会比白色高出约三分之一。按 SMPTE 自己的背景指南，在 NTSC 中，白色是 100 IRE，而它们会达到 131 至 133 IRE。SMPTE 的 75% 色条中，黄色和青色的峰值则恰好是 100。因此，日常使用的色条把彩色部分设在 75%，让测试信号留在被测系统的范围之内。

EBU 色条

EBU 色条属于 100/0/75/0 这一类：白色为满电平，六种彩色为 75%，最后是黑色。EBU 这个叫法来自它们在欧洲广播中的使用；ITU 标准只把它们称为 100/0/75/0。

我们的文件在 4:3 画幅中画出八根等宽色条，尺寸为 768 × 576，也就是 PAL 画面使用方形像素时的尺寸。在宽屏上，第八根黑色条会和侧面的黑边融为一体。这是正常的。

在现代屏幕上，可以看三点：

每根色条都应该均匀。 从上到下应当是同一种颜色。图像本身完全均匀，因此，如果一根色条内部有偏色，或中间比两端亮，显示出来的就是面板或背光的问题。
亮度应该逐级下降。 把电视的“色彩（饱和度）”调到最低，色条就会变成从左到右逐渐变暗的灰阶，每一级都应分得清。看完记得调回去。
颜色应该浓，而不该像荧光。 在鲜艳或动态画面模式下，黄色和青色常会亮得刺眼，色条之间还会出现细细的亮边或暗边。这些边是电视锐化出来的，并不在原图里。

EBU 色条不适合下面要说的纯蓝检查。它的白条为满电平，彩色条中的蓝色却只有 75%，所以只看蓝色时，白条总会更亮。SMPTE 色条以 75% 灰色开头，因此，四根含蓝色的条中，蓝色分量都一样多。

SMPTE 色条

大多数美国人听到“色条”时想到的就是 SMPTE 色条，它起初是为解决一个具体问题而设计的。1977 年，CBS Technology Center 的 A. A. Goldberg 在 NAB 工程会议上介绍了它。CBS 从 1975 年起就在研究演播室监视器的漂移问题。通常，每场节目开始前都要检查监视器，让整排设备的画面保持一致。当时常用的方法是关闭红、绿电子枪，凭眼睛比较蓝色条，调整色彩和色调。这样并不准确：要比较的色条相隔很远，监视器的蓝色表现可能从屏幕一侧到另一侧有所不同，而人眼对蓝色也不太敏感。

Goldberg 做的改动很小。他在主色条下方加了一条反向排列的色块窄带，让每根需要匹配的色条，正下方都有一个对应色块。他还在右下方的黑色区域加入了用于调整黑电平的 PLUGE 信号。CBS 在纽约的广播网络设施里使用了这个新图案六个月，发现目视调整的结果与使用精密光度计的结果一样准确。CBS 决定不申请专利，于是图案进入了公有领域。SMPTE 先以 ECR 1-1978 发布，后来又作为工程指南 EG 1-1990 发布。

我们的文件沿用了这个布局：

上方三分之二： 七根 75% 色条，起始的是灰色，而非白色。
中间的窄带： 蓝、黑、品红、黑、青、黑、灰。这是上方四根含蓝色的条倒序排列，中间以黑色隔开。
底部四分之一： −I、100% 白色方块、+Q、黑色，以及右侧黑色区域中的三根 PLUGE 条纹。−I 和 +Q 是用于在矢量示波器上检查解码器的 NTSC 彩色信号；在电脑屏幕上，它们只是两个暗色方块，测不了什么。

只看蓝色，调整色彩和色调

把屏幕切换到纯蓝显示。有些电视和投影机在专家或校准设置中提供纯蓝模式。把深蓝滤色片放在眼前，也能起到同样的作用，以前有些校准光盘会附送一片。这时，只有含蓝色的条还亮着：灰、青、品红和蓝，以及它们下方的对应色块。

色彩（饱和度）： 调整到外侧两根条，也就是灰色和蓝色，与各自正下方的色块一致。
色调（色相）： 调整到内侧的青色和品红也与下方色块一致。

先调色彩，因为它会同时改变四根条，再调色调。两项都调对后，每根色条与下方色块之间的界线就会消失。由电脑输入画面的电视，已经没有会漂移的模拟解码器，但“色彩”和“色调”设置仍会改变画面。在电影或 Filmmaker 模式的中性设置下，色条和色块本来就应该匹配。如果不匹配，说明某个设置被改过，或者画面模式自行加了颜色。

PLUGE 与黑电平

PLUGE 是 Picture Line-Up Generating Equipment 的缩写，想法来自 BBC。加拿大广播公司（Canadian Broadcasting Corporation）的 S. F. Quinn 和 C. A. Siocos 于 1966 年在 Electronics Letters 发表了一篇技术短文，说明了它的原理。黑色区域里有两根细条，一根比黑略暗，另一根比黑略亮。降低亮度，直到较暗的细条融入周围的黑色，而较亮的那根仍然可见。此时，黑色已经尽可能深，又不会吞掉高于黑电平的细节。

Quinn 和 Siocos 还发现了一件今天依然成立的事。他们测量了关闭的监视器屏幕反射的光，发现正确的 PLUGE 设置会随反射光变化；到了明亮的控制室，他们给出的数值就不再适用。如今的国际 PLUGE 标准 ITU-R BT.814 也这么说：调整结果很大程度上取决于观看条件。应该在平时实际观看的光线下设置黑电平。

SMPTE 色条的 PLUGE 有三根条纹，分别为 3.5、7.5 和 11.5 IRE。中间一根就是画面的黑色。北美 NTSC 把黑电平设在 7.5 IRE，略高于信号的消隐电平，因此才容得下那根低于黑电平的条纹。

电脑屏幕上的 PLUGE

到了这里，广播系统的规则需要换个读法。我们的文件用 RGB 9、19 和 29 表示三根条纹，满值为 255，分别相当于白色的 3.5%、7.5% 和 11.4%。电脑屏幕的黑色是 0，所以图案本身的“黑”其实是很深的灰色，就连“比黑更黑”的条纹也高于真正的黑色。如果把亮度降到左侧条纹消失，真正的暗部细节就会被压没。

请改成这样看：

三根都刚好可见： 在昏暗房间里，设置合适的屏幕应该能分辨出三根条纹，最左边那根只隐约可见。在宽屏上，两侧黑边是真正的黑色，会比图案本身的黑略暗一点。
左侧条纹不见了： 如果它和中间那根融为一体，暗部就被压黑了。可能是亮度太低、动态对比度模式正在起作用，或者信号电平不匹配（见下一节）。
三根都很显眼： 如果条纹很容易看清，两侧黑边又呈灰色，就是黑位被抬高了。

高清版本

SMPTE 色条最初为 4:3 标清画面而设计。针对 HDTV，日本 ARIB 在 2000 年发布了多格式色条标准 STD-B28，SMPTE 于 2002 年将其采纳为 RP 219，并在 2014 年修订为 RP 219-1。它为 16:9 设计，兼容 HD 和 SD，也有自己的渐变和 PLUGE。我们的测试显示的是经典的 4:3 布局。

PLUGE 今天仍能查出的范围不匹配

电脑通常输出 0 至 255 的 RGB，称为全范围。电视则常常按视频电平接收，黑色为 16，白色为 235，称为有限范围；ITU-R BT.709 的高清视频也使用这些码值。Intel 的驱动指南指出，有限范围在电视上最常见，并建议使用全范围。两种范围本身都正常。问题出在发送端和接收端不一致，笔记本通过 HDMI 连接电视时就经常遇到。

电脑输出全范围，电视按有限范围接收： 16 及以下的值都会显示为黑色。左侧 PLUGE 条纹与边框融成一片黑，中间条纹也只比它高 3 级，电影和游戏里的暗部细节会消失。235 以上的值则全部截成白色。
电脑输出有限范围，电视按全范围接收： 黑色以 16 传来，显示成深灰色。整幅画面发灰、平淡，图案两侧的黑边也会变灰。

解决办法是让两端一致。电脑端的设置名是 Quantization Range（Intel）、Output dynamic range（NVIDIA）或 Pixel Format（AMD）。电视端可以找 HDMI Black Level、HDMI Video Range 或类似选项。屏幕显示 SMPTE 色条时，两端一匹配就能看出来：三根条纹都在，最左边那根仅隐约可见。

Philips PM5544

PM5544 测试卡：灰底上的白色网格、边缘的黑白方块、两侧的彩条，以及圆内的色条、中心十字、光栅和灰阶 — PM5544 测试卡，4:3 画幅，台名栏留空。

PM5544 就是那张圆形测试卡，在世界许多地方，频道没节目可播时就会显示它。1960 年代末，Philips 在哥本哈根附近的电视测试设备实验室研制了它，其布局设计通常归功于丹麦工程师 Finn Hendil。Philips 在 1970 年的季刊 Electronic Measuring and Microwave Notes 中介绍了它。

更早的测试卡通常是一幅摆在摄像机前的图，或者刻在一种叫作单像管（monoscope）的专用摄像管里。PM5544 则以电子方式生成整幅画面。连圆形都是通过数字逻辑，从磁芯存储器逐行画出来的；直径约为画面高度的 83%，误差小于 1%。Philips 写道，当时没有涵盖综合测试图的国际建议，因此他们把预计能长期派上用场的测试信号集合在一起。目标是不借助其他仪器，只看屏幕就能检查和调整电视机、监视器或解码器。

按 Philips 的说明，下面是各个部分原本的用途，以及今天还能看出什么。

圆形只有在宽高比和扫描都正确时才是正圆。今天看到椭圆，说明画面被拉伸了，常见原因是电视的“宽屏”或“缩放”等画面尺寸设置，或者屏幕为了填满画面而缩放了输入分辨率。我们的测试让测试卡保持 4:3，所以原因不在浏览器。
网格也应该由正方形组成，理由相同。在 CRT 上，它还用于检查会聚。在投影机上，它依然有用：可以看梯形校正的情况，以及角落能否保持清晰对焦。
边缘的黑白齿状方块用来检查过扫描，也就是电视把画面边缘切掉的情况。有些电视的 HDMI 输入至今仍会这样，除非开启通常叫作 Just Scan、Fit to Screen 或 Full Pixel 的设置。在宽屏电视上，我们的测试卡占满画面高度，因此，如果顶部或底部的方块被切掉，就说明电视正在裁掉四边，并重新缩放它显示的所有内容。
中心十字的水平线，是用两个隔行场以与网格线相反的顺序拼成的，因此，隔行扫描不正确时，两种线条的宽度会明显不同。在逐行显示的面板上，它就只是中心标记。
色条上方的黑白方块是电平为 75% 的 250 kHz 方波，用来观察过冲和振铃。今天，如果边缘出现亮边或暗边，说明电视在做锐化。
色条采用 75% 色条，作为饱和度参考。关闭红、绿电子枪后，蓝色色条应该与正上方的 75% 灰色方块一致，原理和 SMPTE 检查相同。
光栅是五组正弦波条纹，PAL 版本的频率分别为 0.8、1.8、2.8、3.8 和 4.8 MHz，用来观察电视能传递多少精细细节。普通电视对前三组能保持完整对比度，对最细的一组则只能保留少量对比度。今天，每一组都应该呈现干净、均匀的条纹。闪动的摩尔纹或光晕，说明画面正在被重采样或锐化：可能来自电视的缩放器、锐度设置，或者没有全屏显示的窗口。
灰阶从黑到白共有六级；我们的版本是 0、20、40、60、80 和 100%。每一级都应该能区分，每一块灰都应中性，不偏蓝、偏绿或偏粉。
黄底红块位于圆形底部，用来检查色度和亮度是否同时到达。Philips 说，做了许多实验才选定黄底红色。数字视频仍可能以低于亮度的分辨率传递色度，这就是色度子采样；但在这么大的色块上，它只会表现为边缘略软。
针状脉冲是圆内靠近顶部和底部、黑白阶梯旁的细线，用来检查电缆和天线反射造成的重影。两侧的彩条携带 PAL 色差信号，用来检查解码器。在数字画面上，这两部分都已经没有可检查的对象了。

这些测试图不能告诉你什么

它们供眼睛比较，不是测量仪器。它们能显示画面是否被拉伸、裁切，暗部是否压黑、亮部是否截断，以及锐化是否过度，也能让一些色彩错误变得明显。但它们无法给色准、峰值亮度或背光均匀性一个数值；这需要色度计和校准软件。我们的显示器校准页面说明了哪些设置可以凭眼睛调整。这些图也都是标准动态范围图像。HDR 有自己的版本，BT.814 现在也包含 HDR 的 PLUGE 信号，但浏览器显示的这些测试图仍是 SDR。

试试看

打开电视屏幕测试，选择“广播测试图”。点击、轻点屏幕或按空格键，可以切换图案；按 Esc 退出。几秒后，底栏和关闭按钮会淡出，不再遮挡图案；移动鼠标或轻点屏幕即可让它们重新出现。

在电视上，可以使用电视自带的浏览器，也可以通过 HDMI 连接电脑。投射浏览器标签页或镜像手机画面传送的是压缩视频，会让光栅变模糊，也可能改变 PLUGE 所依赖的近黑条纹。