数字摄像机的技术特点和指标教材.docx

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数字摄像机的技术特点和指标教材

数字摄像机的技术特点和指标

[作者：

广东电视台李秋旻]

    一摄像机发展的简要历程

    最早的电视摄像机以电真空摄像管作为摄像器件。

摄像管在工作之前必须进行预热，时间长了以后，工作状态容易发生漂移。

摄像管本身有多项调整，例如重合调整、机械聚焦、电聚焦调整、白黑平衡、黑斑校正调整等。

往往在使用一段时间以后，工作状态发生改变，必须重新进行调整。

摄像管的耐震动性能差，工作中需要比较复杂的电源供电系统，这一部分的电路十分复杂，因而故障率比较高。

    以后出现了CCD为摄像器件的摄像机。

CCD是大规模集成电路（VLSI）的产品。

在CCD刚刚出现的时期，某些技术指标，例如信噪比、清晰度、灰度特性的指标还达不到摄像管的水平，还有一些CCD固有的缺陷。

但是，随着VLSI技术的进步，近几年来，CCD器件的技术指标获得了长足进展。

现在可以说，CCD器件的技术指标已经全面超过了摄像管的指标。

这样，摄像管的摄像机就彻底退出摄像机的市场了。

    数字处理摄像机是在CCD器件的基础上发展起来的。

1989年，日本松下公司推出了世界上第一部数字处理摄像机AQ-20时，曾经引发了一场议论。

有人认为，在当时的条件下，模拟处理摄像机的功能已经达到十分完美的程度，似乎没有必要采用数字处理的方法。

然而，经过了近十年的实践，现在事实已经证明了，数字处理具有模拟处理无法比拟的独特优点。

现在新推出的摄像机，毫无例外都是数字处理的摄像机。

    二数字处理摄像机的优点

    1.适合于使用计算机处理

    在现代的数字处理摄像机中，普遍采用了微处理机（MCP）作为中心处理元件，实现控制、调整、运算的功能，并且采用了多种专用的大规模集成电路，使得摄像机的处理能力，自动化功能获得极大增强。

    2.简化调整机构和调整方式

    模拟摄像机大多数采用调整元件（电位器、可调电容、线圈等）进行调整，许多摄像机的调整元件位于电路板上，因此，必须打开外壳才能实现调整操作，非常不方便。

模拟处理摄像机一旦调整失误，恢复到原来的状态十分困难，因此，模拟处理摄像机的调整工作一般由经验丰富的技术人员进行，即便如此，也必须慎重行事，要是调乱了，要恢复到原来的状态，将是一件非常麻烦的事情。

    数字处理摄像机采用菜单显示，由按键进行增减调整。

这样，从用户的角度来看，本来必须由技术熟练的技术人员进行认真调整的工作，现在，一般的技术人员，甚至摄像员也能够进行调整。

调整好的数据以文件的形式保存在存储器中，如果对于自己调整好的数据不够满意，可以调出机器出厂时（标准的），或者这一次调整前的数据进行比较，因此不必担心因为经验不足而把数据调乱。

操作者完全可以放心大胆的进行反复调整，以获得满意的结果。

从制造厂家的角度来看，便于实现制造和调试过程的自动化，提高生产效率，降低成本。

    3.可以实现精确，细致的调整

    从本质上看，数字处理摄像机对于信号进行了变换，将原来的模拟信号变换0，1代码表示的符号。

这样，数字处理摄像机所处理的是符号，而不是模拟的信号本身。

符号具有以下主要的特性：

    *模拟信号在处理和传输的过程中，难免产生失真和噪声，一旦产生了失真和噪声，降低了信号的质量，就很难恢复；而数字信号具有优良的稳固性，在存储和传输的过程中，不易产生失真。

在数字领域，可能出现的问题是误码，采取一定的措施，例如，通过信道编码，采用前向纠错的方法，可以有效地克服误码。

当然，在电路设计时，还是应该谨慎小心，不应该让系统接近崩溃区域，应该在适当的时候进行信号再生。

否则，误码大得超出了纠错的能力范围，将一发而不可收拾。

但是，经过正确设计，这种局面完全是可以避免的。

模拟处理的本质是信号复制，因而伴随着信号失真，数字处理的本质是信号再生，因此可以准确重现无噪声和失真的信号。

    *模拟信号很难对特定的某一段幅度或者频率特性单独进行调整。

为了调整其中的某一段特性，可能引起其他部分特性的改变。

另一方面，如果需要几种参数配合调整，就显得非常困难；在数字处理时，可以对信号的某一部分特性单独进行调整，例如，单独进行伽码校正调整和拐点调整；对于某一段频率，或者对于某一段幅度电平单独进行调整，并保持其他部分信号的特性不会改变。

此外，还可以将某几项调整结合在一起，相互关联，进行配合调整。

例如，在应用过程中，往往需要对于色度、对比度、亮度等结合进行相关配合的调整。

在模拟条件下，几乎是做不到的事情，在数字条件下，可以比较容易实现这种类型的功能。

有人说在数字领域，只有想象不到的功能，没有实现不了的功能。

实际情况应该是，只要是合理的想法，数字技术都有能力予以实现。

即使当时的计算能力尚有困难，但是，随着算法、存储和计算速度等技术的发展，终究能够得以实现。

    *处理精度高，对于10比特的量化，可以区分为1024个电平等级进行调整，高档的摄像机可以实现12，14比特，相当于4096，16384电平等级，甚至更高级别的处理。

要进行如此精细的调整，模拟的处理方法是无能为力的，只好望洋兴叹了。

    三数字摄像机的技术特点

    ITU-R601对演播室数字信号编码规定的最低要求是用8b量化。

数字摄像机输出的信号质量应达到ITU-R601规定的最低要求。

所以初期数字摄像机都采用最少8b量化。

现在12bA/D转换器已成为当今主流，这两年14bA/D转换器也出现在摄像机中。

    A/D变换和DSP会引入量化噪声。

摄像机的信杂比现达到60dB~62dB。

当然，这是在去掉γ校正时测量的，实际上没这么高。

如果用8b量化，由于DSP使摄像机的信杂比下降0.7dB，对于ENG应用，这个损伤还是容许的，但是要采用预γ校正、黑色低通以及颤抖校正来减小伪轮廓效应和降低量化噪声。

对演播室用的摄像机必须用10b以上进行量化，使量化噪声对摄像机的信杂比损伤小于0.5dB。

如果用14b量化，则信杂比降低量小于0.2dB。

这么小的变化，人眼觉察不到。

    保证数字摄像机的图像质量符合ITU-R601规定的演播室质量，首先要保证数字信号的量化级差相同。

因此，用10b量化不能使视频处理全部数字化，必须先经过部分模拟处理后才能进行A/D变换。

若从预放开始数字化，则需要更多量化比特。

    数字信号处理摄像机的特点如下：

    1.稳定性和高可靠性

    数字信号处理受温度影响小、干扰小，数字处理容易做成大规模集成电路，各种参数存储在存储器里，调节时采用数字设定、微机控制，取消了大量的调节电位器，减少了调节点，也减少了调节量，并可长时间保持不变，所以其稳定性和可靠性大大提高。

    2.图像质量提高

    许多在模拟处理中无法进行的工作可以在数字处理中进行，例如二维数字滤波、肤色轮廓校正、细节补偿频率微调、准确的彩色矩阵、精确的γ校正等，这些处理都提高了图像质量。

    3．调节精确灵活

    各种调节是通过数字设定，比用电位器调节准确而容易。

各台摄像机的参数差别是难免的，对于模拟摄像机很难使各台摄像机调节得一致，而用数字处理可通过均衡各参数值的方法把各摄像机之间的差别缩减到最小，可以用一个调节卡调节各台摄像机，并且摄像机的许多参数都可以调节和设定，设定的参数可很大范围内变化，调节量可迅速改变、存储和读取。

    4．宽高比可变

    可进行画面格式16:

9和4:

3变换。

具体作法是：

通过改变CCD的时钟频率和读取范围，以电子方式改变CCD的有效区域，即去掉画幅的左右部分，从而实现16:

9到4:

3的转换。

如图1所示。

可以看出，在输出16:

9格式图像时，CCD的水平读出时钟频率为18MHz。

在输出4:

3格式图像时，保持垂直扫描行数不变，有效行期间仍为52μs，水平分解力不变。

比较4:

3与16:

9可知，在上述条件下，两种格式的像宽之比为3：

4。

在16:

9的CCD上只读出中间3：

4宽的图像，即可输出4:

3格式的图像。

CCD两边各丢掉1/8像宽的图像。

因为要保持行正程时间不变，都是52μs，所以4:

3格式的水平读出时钟频率应为18MHz×3/4=13.5MHz。

    使用左右"遮幅"技术进行宽高比转换时，对应两种宽高比情况下CCD的水平像素数将有所不同。

通常,在16:

9时总像素为60万的CCD,在4:

3时有效像素数将只有40多万，这将使摄像机的水平清晰度（调制度）大打折扣。

若16:

9时摄像机的调制度（对应5MHz）为70%，则4:

3方式时调制度将下降到50%。

并且，对应于两种宽高比格式，视频信号的读出扫描频率不同，还会对摄像机预放器电路提出不同要求，必需进行相应的调整。

    为了弥补清晰度方面的损失，CCD生产厂家又研制了74万像素的CCD，确保4:

3格式下仍能够获得60万像素，使其调制度达到70%以上。

但是，在CCD靶面尺寸不变的情况下，增加像素数将会导致每个像素变小，这又会影响到摄像机的灵敏度和动态范围。

    采用左右"遮幅"方式还会带来成像靶面水平视场角变化。

对应的4:

3格式时水平视场角为44°，对应的16:

9格式时则为57°。

若使用一固定镜头以不同宽高比进行拍摄，构图大小将发生变化。

从另一个角度讲，所对应的镜头变焦比无法在两种情况下均与镜头的标称一致。

因此，使用"遮幅"镜头的摄像机，要根据不同宽高比选用相应的镜头，或使用带有宽高比可转换功能的镜头。

    另一种宽高比转换方法是汤姆逊的DPM技术。

其数字摄像机内装配了4:

3格式的CCD，每一行的水平像素为1000。

以4:

3格式为基础，在输出16:

9格式图像时，它可以自动地把垂直方向的三个像素或四个像素组合在一起，成为一个新的像素元，分别适应16:

9或4:

3格式的需要；而且无论在哪一种格式下，每一行的水平像素不变；同时通过严格的计算，可以不改变垂直方向的行数，从而确保了行场方向的分辨率，并且不改变水平方向的视角范围。

    5．动态范围达600%

    对比度较高的被照物体也可得到对比度合适的图像；根据视频信号电平分布直方图来自动地控制每一象素的对比度，以利用视频信号标准的有限动态范围。

通过数字化系列处理，动态对比度控制技术将动态范围很宽的自然光压缩记录在有限的视频电平内，以达到可清晰再现高亮度区图像细节的目的。

黑扩展，只增强暗处细节和灰度层次，不影响亮处的图像，将低照度的图像电平提高，从而改善其被照体的沉黯部分，扩展电平3%~7%；黑压缩只提高暗处的对比度，不影响亮处的图像。

    人眼的视觉对图像和亮度有很宽的动态范围，人眼对高亮度和黑暗部分的景像细节都看得清楚，然而用摄像机拍摄高反差的图像时，若调整光圈大小适合于明亮部分，则暗部分的层次细节就很难重现出来，反之亦然。

为了扩大摄像机的动态范围，都采取了白压缩、自动拐点电路和黑扩展、黑压缩等先进技术。

对高亮度图像把白切割电平提高到115%；在电平为100%~115%部分采取白压缩的方法，使放大器增益减小，这样在入射光超过200%之后，输出电平才达到白切割电平，因此在入射光100%~200%的范围内，其图像的亮度层次仍然重现出来，从而扩大了动态范围。

白压缩开始作用的点即增益减小的起始点，称为拐点（KNEEPOINT）。

对于拍摄高对比度的景像，如逆光像，若把拐点设在比100%高得不多的电平处，动态范围还是不够的。

若调节光圈使较暗的前景图像亮度合适时，则很亮的背景部分就完全失去了灰度层次而呈现一片白，反之亦然。

为了提高动态范围，现代摄像机都采用了自动拐点（AUTOKNEE）电路，其拐点可随入射光的强度自动调节。

当入射光增强时拐点自动降低，在拐点降低到85%时，入射光强度增高到600%，摄像机输出的信号电平仍不超过切割电平，即重现图像在高亮度处仍能显示出灰度层次，也就是摄像机的动态范围已由100%扩大到600%。

但是传统的模拟摄像机，其拐点处理是红、绿、蓝各通道单独进行的。

由于拐点校正是一种非线性的处理过程，它又位于γ校正之后，当重新设定之后，色度、亮度和饱和度的平衡都会被改变，每一种拐点电路所处理的相关颜色的点都完全取决于画面的构成和色彩的平衡，因此当某一颜色处于转换曲线的非线性部分时（超过拐点部分）另一颜色可能仍处于线性部分（低于拐点部分），在这种情况下画面中高亮度区域的色度信号会发生变化，色彩不能得到真实地再现。

为了解决这个问题并改善画面的总体质量，新的数字摄像机增加了Trueye处理功能，其拐点处理是在γ校正之前用亮度、色调和饱和度来代替单独的红、绿、蓝信号进行处理，这样拐点校正就只对亮度信号有效，不会造成色调偏转，但饱和度会随着信号电平接近切割电平而慢慢降低，拐点饱和度功能可以将画面中被压缩处理的区域的饱和度恢复过来，使色彩饱和度真实地再现。

黑扩展（BLACKSTRETCH）可以只提高低亮度处的电平，使暗处图像清晰地再现出来，而对亮处的图像信号电平没有影响，也不影响色度信号，不改变图像的色调，只使暗处的灰度层次较好地重现出来。

黑压缩（BLACKPRESS）就是只降低暗处的亮度信号电平，不影响亮处的信号电平，也不影响色度和色调，它只使图像暗处的灰度层次受到压缩。

    6．预拐点数字处理，稳定高质量画面

    现在CCD图像传感器的动态范围已达到600%，由于10bA/D转换器受到量化比特数的限制，所以在进行A/D转换之前，在模拟预放器中要进行预拐点处理，将600%的信号压缩至226%，相当于1023量化级，其中拐点设在130%处。

12bA/D转换器可直接处理600%的信号，所以在进行A/D转换前没有必要对信号进行压缩处理，使得信号的非线性处理（如γ较正、拐点处理等）过程得以在数字范畴内进行。

故它不仅可以保留10bA/D处理时暗区有很高的细节，而且使得高光区域的图像色彩更加逼真；伽码轮廓校正数字处理，高信噪比，高清晰度，避免信号的降级。

轮廓校正功能有对角线轮廓、软轮廓、肌肤轮廓。

对角线轮廓除校正水平和垂直边缘外，还可校正对角线方向的边缘，使画面显得更加自然，并减轻串色现象。

肤色轮廓可对脸部等肤色部分的细节加以软化，以适应特定画面显示的需要。

超级V采用帧存储方式和1/50电子快门的超级V功能，垂直清晰度提高20%；扩展清晰扫描可在50Hz之下增加一段选择范围，例如25.4Hz~48.5Hz，使拍摄影片影像时不出现横向干扰条纹。

连续可调电子快门，在拍摄电脑或电视显示屏无滚动、闪烁或黑道。

    7．多区彩色线性矩阵，重现鲜明色调

    多区彩色线性矩阵，可以自动选择某一特定颜色，色彩饱和度有20级可调整范围，补偿光学系统的色还原性，重现自然鲜明的色调，有助于尽量降低后期制作时，进行彩色校正的费用。

皮肤细节调整功能对有效区域进行自动检测，使拍摄对象的脸部肤色令人满意，同时仍能保持画面其他部分的清晰度。

RGB轮廓采用R、G、B各个信号分别为独立的垂直轮廓信号，大幅度提高红、蓝色被照体的清晰度。

并以亮度、色调和饱和度三方面处理视频信号，保证在极端高亮度的条件下也无特别明显的彩色失真。

    8.自动跟踪白平衡

    自动跟踪白平衡是在色温发生变化的情况下，如从室外到室内，从日光下到荧光灯下，做连续跟踪拍摄，又没有机会重新手动调整白平衡的情况下进行的，能满足专业需求，提高了白平衡调节的精确度，实现白平衡自动跟踪。

全电平控制系统可将在自动光圈控制范围之外（高或低于控制范围）的入射光，通过使用由AGC及CCDAE组成的自动光圈控制，获得正确的图像曝光，它使操作高级摄像机变得简单且保持了低噪声的特性。

肤色自动光圈功能用来控制镜头光圈，以保证画面中由肤色细节控制部分设定的区域，始终保持相同的视频电平。

    9．稳定性和制作效率高

    程师菜单调整时能同时看出调整后的效果，并能在调整中非常容易恢复初始值（00标准值，+-为调整值）。

用微处理器自动控制，大大减轻了摄像机工作状态的预设操作，并易于维持其稳定性和提高节目制作效率。

如EZ模式，可迅速地将摄像机设置为标准或自动位置；EZ聚焦功能可以帮助用户快速精确聚焦而不必手动改变镜头的光圈，按下EZ聚焦按钮将自动打开光圈以减小景深，以便精确的聚焦，同时电子快门将自动设置以获得准确的亮度.

    四电视摄像机的三大指标及测量

    灵敏度，分解力，信噪比统称为电视摄像机的三大指标。

是摄像机最重要的技术指标。

    1.摄像机灵敏度

    是在标准摄像状态下，摄像机光圈的数值。

标准摄像状态指的是，灵敏度开关设置在0DB位置，反射率为89.9%的白纸，在2000勒克司的照度，标准白光（碘钨灯）的照明条件下，图像信号达到标准输出幅度时，光圈的数值称为摄像机的灵敏度。

通常灵敏度可达到F8.0，新型优良的摄像机灵敏度可达到F11。

相当于高灵敏度ISO-400胶卷的灵敏度水平。

    在摄像机的技术指标中，往往还提供最低照度的数据。

在选择时，这个数据更为直观，所以具有一定的价值。

最低照度与灵敏度有密切的关系，它同时与信噪比有关。

最新摄像机的最低照度指标是，光圈在F1.4，增益开关设置在+30DB档，则最低照度可以达到0.5勒克司。

在ENG条件下使用时，可以选择低照度的摄像机。

这样，在外出摄像时，可以降低对于灯光的要求，甚至在傍晚肉眼看得不清楚的环境下，不用打光，也能摄出可以接受的图像。

对于演播室应用的场合，利用高灵敏度的摄像机，可以降低对于演播室灯光照时的要求。

降低演播室内的温度，改善演职人员的工作条件，降低能源消耗，节约制作的经费。

    灵敏度的测量：

    *测量条件：

备灰度卡一张；景物照度：

2000lx；光源色温3200K；光圈伺服：

手动；测量点：

摄像机的视频输出端。

    *测量方法：

调整光圈，使图像信号的白色电平为700MV，在光圈控制环上读出F数。

测量布置如图1。

    图1灵敏度测量图

    *测量步骤：

    （a）垂直放置反射型灰度卡，并使灰度卡上的照度均匀地为2000lx；

    （b）闭合摄像机电源；

    （c）将摄像机的增益开关置0dB；

    （d）摄像机的滤色片打到3200K档，调整白平衡；

    （e）阻止入射光，调整黑电平为40mV；

    （f）拍摄灰度卡，调节光圈使白电平达到100%（即700mV），读出光圈F数。

视频波形如图2。

    图2灰度卡的波形图

    测量时要注意各类灰度卡的反射系数的差别，它们会使测量结果有所不同。

    2.水平分解力

    分解力又称为清晰度。

其含义是，在水平宽度为图像屏幕高度的范围内，可以分辨多少根垂直黑白线条的数目。

例如，水平分解力为850线，其含义就是，在水平方向,在图像的中心区域，可以分辨的最高能力是，相邻距离为屏幕高度的850分之1的垂直黑白线条。

    现在，高档的业务级摄像机能够达到的水平分解力是800线。

有的摄像机采用像素错位的技术，号称清晰度达到850线。

实际上，片面追求很高的分解力是没有意义的。

由于电视台中的信号处理系统，以及电视接收机中信号处理电路的频带范围有限，特别是录像机的带宽范围的限制，即使摄像机的分解力很高，在信号处理过程中也要遭受损失，最终的图像不可能显示出这么高的清晰度。

    两部摄像机，即使具有相同的分解力，但是，图像信号的调制度不同时，获得图像的视觉效果也会大不相同。

因此，在比较摄像机优劣时，应该在相同调制度的条件下进行比较，分解力越高，则质量越好。

一般摄像机产品没有提供调制度的数据，在购买时，应该通过对比，以判明优劣。

    摄像机的垂直清晰度主要取决于扫描格式，即扫描的行数。

因此，对于摄像机的垂直清晰度不必加以考虑。

    分解力的测量：

    *测量条件：

分解力卡一张；景物照度：

2000lx；光源色温3200K；测试点；摄像机的视频输出端。

测量布置如图3。

它由分解力卡标准测试灯光盒，摄像机，波形监视器和高分解力黑白监视器组成。

    图3分解力测量图

    *测量步骤：

    （a）调节焦距使分解力卡图像充满荧光屏，并使图像最清晰；

    （b）用选行示波器观察上图中的分解力卡，选行波形如图4；

    图4选行波行

    （c）调节光圈使白电平达到100%（即700mV）；

    （d）调制深度刚超过5%的电视线数代表极限分解力，而用绿路图像的分解力代表摄像机的分解力时，测量点应在放大器的绿路输出端。

    3.信噪比

    表示在图像信号中包含噪声成分的指标。

在显示的图像中，表现为不规则的闪烁细点。

噪声颗粒越小越好。

信噪比的数值以分贝（DB）表示。

用肉眼观察，已经不会感觉到噪声颗粒存在的影响了。

    摄像机的噪声与增益的选择有关。

一般摄像机的增益选择开关应该设置在0DB位置进行观察或测量。

在增益提升位置，则噪声自然增大。

反过来，为了明显地看出噪声的效果，可以在增益提升的状态下进行观察。

在同样的状态下，对不同的摄像机进行对照比较，以判别优劣。

    噪声还和轮廓校正有关。

轮廓校正在增强图像细节轮廓的同时，使得噪声的轮廓也增强了，噪声的颗粒增大。

在进行噪声测试时，通常应该关掉轮廓校正开关。

    信噪比的测量：

    *测量点：

摄像机的视频输出端；

    *测量方法：

用视频杂波仪测量摄像机输出视频信号的信噪比。

测量时应接通色度副载波陷波器，断开轮廓校正开关，如图5。

    图5信噪比测量图

    所谓轮廓校正，是增强图像中的细节成分。

使图像显得更清晰，更加透明。

如果去掉轮廓校正，图像就会显得朦胧，模糊。

早期的轮廓校正只是在水平方向进行轮廓校正，现在采用数字式轮廓校正，在水平和垂直方向上都进行校正，所以，其效果更为完善。

但是轮廓校正也只能达到适当的程度，如果轮廓校正量太大，则图像将显得生硬。

此外，轮廓校正的结果将使得人物的脸部斑痕变得更加突出。

因此，新型的数字摄像机设置了在肤色区域减少轮廓校正的功能，这是智能型的轮廓校正。

这样，在改善图像整体轮廓的同时，又保持了人物的脸部显得比较光滑，改善了演员的形象效果。

    *调节光圈使白电平达到100%（即700mV），调整黑电平为40mV。

阻止入射光，在信噪比测量仪上直接读出信噪比值。

    五摄像机的其他主要指标

    1.CCD的类型和规格

    CCD是大规模集成电路制造的光电转换器件，从字面上翻译叫做电荷耦合器件，根据制作工艺和电荷转移方式的不同，可以分为FIT型－帧行间转移，IT型－行间转移和FT型－帧间转移等三种类型。

常用的是前两种类型。

FIT型的结构较为复杂，成本较高，性能较好，多为高档摄像机所采用。

IT型价格比较便宜，但可能产生垂直拖尾。

近年来，由于技术的进步，拖尾现象有所改进。

因其价格较低，故多为业务级摄像机所采用。

    根据CCD器件对角线的长度，可以有1/3英寸，1/2英寸和2/3英寸等不同规格。

CCD是一种半导体器件，每一个单元是一个像素。

摄像机的清晰度主要取决于CCD像素的数目。

一般来说，尺寸越大，包含的像素越多，清晰度就越高，性能也就越好。

在像素数目相同的条件下，尺寸越大，则显示的图像层次越丰富，在可能的条件下，应选择CCD尺寸大的