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一、Video Picture Aspect Ratio 與 Active Format Aspect Ratio

在視頻處理中，Picture Aspect Ratio (PAR) 和 Active Format Aspect Ratio (AFAR) 是兩個關鍵但易混淆的概念，它們共同決定了視頻最終顯示的寬高比。以下是它們的對比解析：

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1. 基礎定義

術語	英文全稱	中文名	作用
Picture Aspect Ratio (PAR)	圖像寬高比	像素寬高比	定義單個像素的物理形狀（寬:高）
Active Format Aspect Ratio (AFAR)	有效格式寬高比	活動畫面寬高比	定義視頻信號中實際有效圖像區域的寬高比（排除黑邊/過掃描區域）
Display Aspect Ratio (DAR)	顯示寬高比	最終顯示寬高比	由PAR和分辨率計算得出的實際觀看比例（DAR = 水平像素數 × PAR / 垂直像素數）

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2. 技術細節對比

(1) Picture Aspect Ratio (PAR)

• 定義：單個像素的寬度與高度之比
  • 方形像素（Square Pixel）：PAR=1:1（如1080p視頻）
  • 非方形像素：PAR≠1:1（如DVD的720×480 NTSC，PAR=8:9）
• 計算公式：

  PAR = \frac{DAR \times 垂直分辨率}{水平分辨率}
  

• 常見場景：
  • 現代數字視頻：通常PAR=1:1（如1920×1080）
  • 傳統標清視頻：PAR≠1:1（需校正以避免畫面變形）

(2) Active Format Aspect Ratio (AFAR)

• 定義：視頻信號中有效圖像區域的寬高比（排除黑邊或冗余信息）
• 編碼方式：
  • 通過 AFD（Active Format Description） 元數據傳遞（如HDMI的AVI InfoFrame）
  • 常見值：16:9、4:3、2.35:1
• 典型應用：
  • 電影寬銀幕內容（2.35:1）在16:9信號中的實際有效區域
  • 廣播電視避免臺標/字幕被裁剪

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3. 三者關系圖示

┌───────────────────────────────────────────┐
│              視頻文件/信號                │
│  ┌─────────────────────────────────────┐  │
│  │         Active Format (AFAR)        │  │
│  │  ┌───────────────────────────────┐  │  │
│  │  │  Picture (PAR)                │  │  │
│  │  │  [像素陣列]                    │  │  │
│  │  └───────────────────────────────┘  │  │
│  └─────────────────────────────────────┘  │
└───────────────────────────────────────────┘
最終顯示比例（DAR）= AFAR范圍內像素的PAR綜合結果

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4. 實際案例解析

案例1：DVD視頻（NTSC 720×480）

• 存儲分辨率：720×480（非方形像素）
• PAR：8:9（需拉伸修正）
• AFAR：
  • 全屏內容：16:9（實際DAR=16:9）
  • 寬銀幕電影：2.35:1（帶黑邊，DAR=2.35:1）
• DAR計算：

  16:9 = \frac{720 \times 8/9}{480} \quad \text{(全屏)}
  

案例2：4K超寬電影（3840×2160容器）

• 存儲分辨率：3840×2160（方形像素，PAR=1:1）
• AFAR：2.35:1（有效圖像區域≈3840×1634，上下加黑邊）
• DAR：2.35:1（顯示器自動隱藏黑邊）

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5. 常見問題

Q1: 為什么需要PAR和AFAR兩個概念？

• PAR 解決像素形狀問題（防止拉伸變形）
• AFAR 解決有效內容界定問題（防止錯誤裁剪）

Q2: 如何檢測視頻的PAR和AFAR？

• 工具：
  • MediaInfo：查看編碼參數
  • FFmpeg命令：

    ffprobe -v error -show_streams input.mp4 | grep aspect_ratio
    

• AFAR元數據：需專業分析工具（如HDR10+ Analyzer）

Q3: 錯誤設置的后果？

• PAR錯誤：畫面變形（如人臉被拉寬）
• AFAR錯誤：內容被裁剪或顯示多余黑邊

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6. 行業應用規范

標準	PAR要求	AFAR處理
廣播電視	BT.601/BT.709規定	強制AFD元數據（防過掃描）
流媒體	通常1:1	靠容器元數據標記（如MP4的paspbox）
游戲	強制方形像素	引擎直接控制輸出

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總結

• PAR：像素層面的寬高比，解決"單個像素是否方形"問題
• AFAR：信號層面的有效區域，解決"實際內容邊界"問題
• DAR：最終觀眾看到的比例，由前兩者共同決定
• 關鍵口訣：

  “PAR管像素形狀，AFAR管畫面范圍，DAR管最終顯示”

二、 Video RGB Quantization Range（RGB量化范圍）

RGB量化范圍定義了視頻信號中RGB分量（紅、綠、藍）的數值如何映射到實際的亮度/色彩輸出，是保證圖像準確還原的關鍵參數。以下是深度解析：

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1. 基礎概念

(1) 什么是量化范圍？

• 將連續的模擬信號轉換為離散數字值時，允許的數值范圍
• 在8-bit系統中：
  • Full Range（全范圍）：0-255
  • Limited Range（限制范圍）：16-235（亮度Y），16-240（色度Cb/Cr）

(2) 兩種主要標準

類型	數值范圍（8-bit）	應用場景	黑電平	白電平
Full Range	0-255	PC顯示器、游戲、圖像處理	0=純黑	255=純白
Limited Range	16-235（Y） 16-240（CbCr）	廣播電視、藍光、流媒體	16=黑	235=白

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2. 技術細節

(1) Limited Range的由來

• 廣播歷史原因：模擬信號需要預留空間給同步頭和過沖
• 安全閾值：防止信號處理時的截斷誤差（headroom/footroom）
• 現代延續：即使數字信號仍保持兼容性

(2) 位深擴展

• 10-bit系統中：
  • Full Range：0-1023
  • Limited Range：64-940（Y），64-960（CbCr）

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3. 實際影響

(1) 錯誤匹配的后果

發送端	接收端	現象
Full Range	Limited Range	畫面發灰（黑不純、白過曝）
Limited Range	Full Range	對比度拉高（暗部死黑、亮部細節丟失）

(2) 典型場景案例

• 游戲主機接電視：
  • PS5/Xbox需設置為"Limited Range"匹配電視標準
  • 若誤設"Full Range"會導致暗部細節丟失
• PC接顯示器：
  • 通常使用Full Range（0-255）
  • NVIDIA控制面板中的"輸出動態范圍"設置

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4. 行業規范

(1) 標準制定組織

標準	量化范圍	適用領域
ITU-R BT.601	Limited Range	標清電視（SD）
ITU-R BT.709	Limited Range	高清電視（HD）
sRGB	Full Range	PC顯示、網絡圖像
HDMI 2.1	可協商（EDID通信）	自動匹配最佳范圍

(2) 元數據標記

• HDMI AVI InfoFrame：包含Quantization Range字段
• HEVC/H.264 VUI：video_full_range_flag參數
  • 0=Limited Range, 1=Full Range

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5. 常見問題

Q1: 為什么Limited Range的黑色從16開始？

• 預留0-15給同步信號和超黑（Super Black）區域
• 確保模擬-數字轉換時的安全裕度

Q2: HDR視頻是否還用Limited Range？

• HDR10/Dolby Vision：仍使用Limited Range（但白電平擴展到1000+尼特）
• PQ曲線：實際亮度由元數據動態映射

Q3: 如何強制轉換范圍？

• FFmpeg示例（Full→Limited）：

  ffmpeg -i input.mp4 -vf "scale=out_range=limited" -c:a copy output.mp4
  

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