描述電視攝像機質量的技術指標有:
攝像設備的數量、尺寸、類型、像素數,如三個2/3英寸幀間傳輸CCD,像素數為786×581;
感光度,比如2000Lux照度下光圈F 8.0,色溫3200 K,增益0db;
信雜比:信噪比,如60dB;
水平分辨率,比如700電視線;重合誤差,如小於0.05%;垂直拖尾,如-120 db;;動態範圍,如600%
為了提高現代電視攝像機的質量,在鏡頭、CCD攝像機和視頻處理方面采用了壹系列先進技術,包括從模擬到數字。
方向發展。
1,帶內焦變焦鏡頭。
隨著現代CCD相機的快速發展,對相機鏡頭提出了更高的要求。CCD相機中,CCD芯片直接固定在分光棱鏡上,精度高,但壹旦固定就不能移動。它不能像攝像管壹樣來回微調位置來減少鏡頭縱向色差的影響。而且由於CCD的信號輸出是通過時鐘脈沖驅動的電荷轉移獲得的,不像攝像管是通過電子束的連續掃描拾取信號,透鏡的橫向色散造成的重合誤差無法修正,所以要求在透鏡的設計階段就將色散修正到最小。CCD相機鏡頭的光學玻璃質量要更好,要精確計算R、G、B的成像平面位置。最近,引入了內部聚焦透鏡。以前對焦鏡頭在鏡頭前面,對焦的時候可以前後移動,前遮光罩也是旋轉的。在內部對焦模式下,對焦組的鏡頭分為兩部分,固定部分在前,可動部分在後。對焦時,變焦鏡頭的前端(連同遮光罩)是固定的,而後面的可移動部分是移動的。這種模式在結構上更為復雜,需要較高的機械精度,但可以實現最合適的像差矯正。因為對焦時內部對焦鏡頭前端是固定的,所以可以把遮光罩做成圖片形狀的長方形。這樣可以充分利用有效光遮擋無用光,相對於圖形遮光罩可以減少雜散光的影響,方便安裝各種有確定位置關系的濾光片,如偏光鏡、十字鏡、半彩色濾光片等。對焦時,用它們獲得的畫面效果不會改變。此外,它還具有可移動鏡頭少、重量輕、操作方便、電機驅動時省電、對焦速度快等優點。
2、第四代CCD攝像裝置的使用及其發展
CCD攝像器件進入廣電領域後,發展很快,年年改進,新的CCD攝像機不斷問世。CCD的缺點不斷被克服,性能不斷提高。在靈敏度方面,已經超越了攝像管相機的第壹光圈,水平分辨率達到了700電視線以上,信雜比達到了60dB以上,符合精度達到了0.05%以下,幾何畸變達到了不可檢測的水平,色彩還原趕上了氧化鉛管相機。CCD垂直拖尾、固定圖形雜亂和莫爾幹涉的缺點也正在被克服。CCD相機發展的關鍵是CCD器件的不斷創新。第壹代FT(幀轉移)CCD是FT-4,每行600個有效像素;第壹代IT(行轉移)CCD每行有500個有效像素。1986第壹代CCD應用於專業相機,感光度低,標準條件下光圈F4和莫爾幹涉明顯,紅豎尾色嚴重。第二代FT CCD為FT-5,每行784個有效像素;第二代IT CCD是空穴積累二極管傳感器CCD,每行有786個有效像素。1989第二代CCD應用於CCD攝像機,靈敏度為F5.6,水平分辨率為700 TV線。第二代CCD有空穴積累層,將暗電流降低到原來的1/10,減少像素面積,提高每英寸像素,減少垂直拖影,拖影不再紅。第三代CCD 1991應用於CCD相機,其特點是比第二代CCD相機提高了感光度,縮小了壹個臺階。第三代IT CCD稱為Hyperhad CCD,可以將相機的光圈縮小到F8.0,第三代CCD的結構與第二代CCD基本相同,但不同的是在其表面增加了壹層微透鏡,稱為片上透鏡,它是傳感器上的凸透鏡,垂直傳輸寄存器上的凹透鏡,這樣可以將更多的入射光集中在傳感器上,從而提高靈敏度,減少漏入垂直傳輸寄存器的光,從而減少垂直拖尾。用這種CCD相機拍攝,光圈不要太大,景深可以更大,低照度下圖像雜波更小,信噪比提高,也有利於提高電子快門速度。但片上微透鏡也有壹些缺點:壹是會降低“空間像素偏移”的影響,從而影響靜止圖像的清晰度;二是由於低照度導致光圈增大時,入射到微透鏡上的遠軸光無法聚焦在感光面上,會影響感光度,加重垂直拖影。第四代CCD,1992第四代CCD相機投入使用,其特點是分辨率高。其典型產品是Hyper HAD 100 FIT CCD,有效像素980×582=570360,高達62萬像素。HDTV攝像機使用的CCD像素達到200。
最近,Power HAD CCD又出現了。以前Hyper安裝的片上鏡頭有CCD,大大提升了相機的性能。Power HAD CCD技術是基於最新的電路處理技術。其傳感器進壹步減少了垂直拖影,擴大了畫面創作的自由度,相應提高了感光度。在暗光環境下,依然可以得到信噪比很好的優秀圖片。比如索尼的數碼Betaeam相機DVW-709WSP和DVW-790WSP的感光度為F9.0光圈;DVW—707P的感光度達到F10光圈,均配有大功率HAD CCD單元。高靈敏度CCD和超級增益電路(如++48dB)使新型數碼Betacam相機能夠在0.2Lux以下的光線下拍攝,顏色識別能力甚至超過人眼。再比如索尼最新的BVP-570工作室相機,采用Power HAD 1000 CCD,4: 3和16: 9兩種格式,62萬像素,信雜比63dB,感光度F8.0,光圈和拖影級別-145 dB(貼合型)和-65435 dB。
3、先進的視頻處理技術
由於鏡頭、分光系統和攝像器件的特性不理想,CCD光電轉換產生的信號不僅微弱,而且存在圖像細節信號弱、亮度不均勻、色彩不自然等諸多缺陷。圖像信號必須通過視頻信號處理放大器進行放大和校正,否則捕獲的圖像質量會很低。視頻處理放大器包括:黑點校正、增益控制和調整、自動白平衡、γ預校正、色彩校正、輪廓校正、γ校正、雜散光校正、黑電平控制、自動黑平衡、混合消隱、白切等。更先進的相機有自動拐點、色度光圈、超高光圈、柔化輪廓、黑擴、黑壓、超色電路等。
數字信號處理相機由模擬處理部分和數字處理部分組成。CCD輸出的圖像信號經過預播放後進入模擬處理部分,完成黑點補償、自動黑白平衡、雜散光校正、白點補償、增益控制、γ預校正等。如果這些部分也采用數字處理,則要求信號量化位數為13位,否則會出現數模轉換中量化位數低的問題。按上半部分劃分,後半部分采用10位量化數字化處理,包括色彩校正、輪廓校正、伽瑪校正、混合消隱、白切、色度孔徑、二維濾波、數據檢測、編碼矩陣、彩條生成器。其主控制器由微機、ROM、RAM、數模轉換電路等組成。
數字信號處理攝像機具有以下優點:
1具有高穩定性和可靠性,數字信號處理受溫度影響小,幹擾少。數字處理容易做成大規模集成電路,各種參數存儲在存儲器中。調節時采用數字設定和微電腦控制,省去了大量的調節電位器,減少了調節點數和調節量,並能長期保持不變,因此其穩定性和可靠性大大提高。
2.圖像質量得到改善。很多在模擬處理中做不到的工作,在數字處理中都可以做到,比如二維數字濾波,皮膚輪廓校正,細節補償頻率微調,精確的顏色矩陣,精確的伽馬校正,這些都提高了圖像質量。
調節準確靈活,各種調節都是數字設定,比用電位器更準確更容易。相機之間的參數差異是不可避免的,模擬相機很難統壹調整。然而,數字處理可以通過平衡參數值來最小化相機之間的差異。壹個調整卡可以用來調整每壹個攝像頭,攝像頭的很多參數都可以調整和設置。設定參數可大範圍改變,調整量可快速改變、存儲和讀取。
4長寬比可變,可轉換圖片格式16∶9和4∶3。
人的視覺具有較寬的圖像和亮度動態範圍,人眼可以清晰地看到高亮度和暗部的細節。然而,當用照相機拍攝的圖像時,如果調整光圈大小以適合余部分,則難以再現暗部的層次細節,反之亦然。為了擴大相機的動態範圍,采用了白壓縮、自動拐點電路、黑擴展、黑壓縮等先進技術。對於高亮度圖像,白切等級提高到115%;當電平為(100 ~ 115)%時,放大器增益降低,使入射光超過200%後輸出電平達到白切電平,因此圖像亮度在入射光的(100 ~ 200)%範圍內。白壓縮開始起作用的點是增益降低的起點,稱為拐點。對於拍攝高對比度的場景,比如背光的畫面,如果拐點設置在遠高於100%的水平,動態範圍還是不夠。如果調整光圈使暗的前景圖像亮度合適,亮的背景就會完全失去灰度,呈現白色,反之亦然。為了提高動態範圍,現代相機采用AUTO KNEE電路,它的KNEE可以隨著入射光的強弱自動調節。當入射光增強時,拐點自動減小,當拐點減小到85%時,入射光強度增加到600%,相機輸出的信號電平仍不超過切割電平,即再現圖像在高亮度下仍能顯示灰度級,即相機的動態範圍從100%擴大到600%。而在傳統的模擬相機中,對紅綠藍每個通道分別進行拐點處理。
因為拐點校正是壹個非線性的處理過程,所以定位在伽馬校正之後。重置後,色度、亮度和飽和度的平衡將被改變。每個拐點電路處理的相關顏色的點完全取決於畫面的構圖和色彩的平衡。因此,當壹種顏色處於轉換曲線的非線性部分(拐點之外)時,另壹種顏色可能仍處於線性部分(拐點之下),這種情況下畫面高亮度區域的色度信號會發生變化。為了解決這壹問題,提高畫面的整體質量,新款數碼相機加入了Trueye處理功能,其拐點處理是將伽馬校正前的單壹紅綠藍信號替換為亮度、色相和飽和度。這樣,拐點校正只對亮度信號有效,不會造成色調偏轉,但飽和度會隨著信號電平接近切割電平而逐漸降低。拐點飽和度功能可以還原畫面中壓縮區域的飽和度,讓色彩飽和度真實再現。黑色拉伸只能提高低亮度時的層次,使暗部圖像得到清晰的再現,但對亮部圖像的信號層次沒有影響,對色度信號也沒有影響,也不改變圖像的色調,只能更好地再現暗部的灰度。黑色壓縮只是降低了暗處的亮度信號電平,不影響亮處的信號電平,也不影響色度和色相。它只壓縮圖像暗部的灰度。
新型數碼Betacam攝像機采用新型高精度12位數模轉換處理芯片和先進的數字信號處理技術,不僅使畫面的動態範圍達到600%,而且增強了色彩還原,具有以下新功能:
1)多區色彩矩陣可以自動選擇特定顏色,其顏色和飽和度有20級可調範圍,有利於後期制作中的色彩校正。
2)色彩平衡使用自動白平衡或自動黑平衡時,所有色彩都能得到準確的平衡設置。
3)自動跟蹤白平衡當光線色溫發生變化時,可以自動跟蹤白平衡。這個功能在我們跟隨目標,從室外到室內,從日光到日光燈做連續跟蹤拍攝,沒有機會重新調整白平衡的時候非常有效。
4)色溫控制妳可以隨意設置相機上的色溫值,比如“暖色調”或者“冷色調”。在混合光色的場景中應用這個功能,很有創意,也很獨立。
5)準確的γ曲線γ曲線決定了中間灰色區域的色調,對整體拍攝效果非常有效。以前的伽馬曲線由32個點組成,而新的伽馬曲線由48個點組成,因此更加自然和平滑。此外,對於主γ和γ平衡,提供了幾條單獨的γ曲線,以提高操作的靈活性,它們都可以從設置菜單中獲得。曲線a是標準設置;曲線b提供了更高的伽馬增益值來增強圖片的暗區;曲線c進壹步增加了γ的初始值;曲線f稱為“薄膜效應的γ值”。根據膠片的平均轉換特性設定,其斜率在暗區相對較小,在中灰度區壹致,在高亮度區變平,從而提高整體動態範圍。黑γ功能可以精確控制陰影部分,有助於在不影響中間灰度級色調的情況下,再現畫面暗部的細節,同時精確保持黑電平不變。γ曲線和黑γ的靈活設置給我們帶來了多樣的創作,取得了令人滿意的效果。
6)自適應高亮度控制功能內置全新大規模集成電路,分析CCD單元每個像素的輸出電平,自動確定拐點和拐點斜率,在高亮度區域再現更詳細的信息。
7)拐點飽和度控制功能應用索尼最新的Trueye技術,用亮度、色相、飽和度代替單獨的紅綠藍信號進行處理,使拐點處理只對亮度信號有效,不會造成色度信號偏差,真實再現高亮度區域的自然色彩。
8)自適應細節控制功能該功能可以有效消除細節增強帶來的高亮度區域和高對比度環境中物體的勾邊效應,同時可以隨意控制物體邊緣的“粗細”,使整個畫面更加自然真實。
9)三種膚色細節控制功能突破了傳統“膚色細節修正”功能在處理膚色範圍上的局限,可以在增強或減弱其他兩種顏色細節信號的同時,“柔化”膚色範圍的細節,使整個畫面的細節控制更加全面靈活。
10)電子柔焦功能通過減少原始信號的細節來降低整個畫面的清晰度,提供類似於柔焦濾鏡的效果。此功能可與膚色細節修正功能配合使用,使粗糙的皮膚看起來光滑。