高清摄像机 信号处理 经典.docx
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高清摄像机信号处理经典
数 字 摄 像 机 的 信 号 处 理 综 述
（2007-04-1617:
06:
23）
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数字摄像机的信号处理综述
张元文
（广东电视台制作部 510066）
1、前言
随着我国电视系统数字化进程的推进，各省级电视台的数字化正从数字电视车、全数字演播室、非编网络、半数字化播出中心向各个领域扩展，我台目前的情况也是这样。
在这个过程中，许多模拟摄像机正在被数字摄像机所取代。
数字摄像机能实现在模拟摄像机中做不到的许多处理与效果；具有高精度的γ校正和线性矩阵（彩色校正），使彩色重现更加逼真；数字摄像机有较大的动态范围；数字摄像机采用低功耗大规模集成电路LSI，电路集成度达到180万门以上，内部线宽减少到0.35μm，工作电压从5V降低到3V，体积功耗都比模拟摄像机小。
总之，数字摄像机不仅图像质量提高，而且工作稳定性、可靠性也提高，方便维护。
因此，对数字摄像机技术有一个全面的认识，是非常必要的。
2、数字摄像机的基本构成
2.1 数字摄像机的由来
三片CCD摄像器件输出的信号经过相关双重取样电路及预放处理后，得到的是模拟图象信号，摄像机的数字化最多只能从预放器后的信号处理电路开始，因此，数字化的摄像机叫做数字信号处理摄像机，数字摄像机是通俗化的叫法。
然而，信号处理通道中进行模/数转换（即A/D变换）的位置可前可后，位置前后与A/D变换选取的量化比特数有关，这就产生了信号处理通道中数字化程度的差别。
目前，数字摄像机的品牌中，主要有10bit数字摄像机和12bit数字摄像机两种（均指的是A/D变换的量化比特数）。
不管数字摄像机中信号处理通道的数字化程度怎样，它的基本构成原理与各部分的作用与模拟摄像机相同。
数字摄像机视频信号处理系统中A/D变换的量化比特数不论是采用10bit的还是12bit的，最终输出都是符合ITU-R601标准的10bit数字信号。
输出形式有Y、R-Y、B-Y数字分量信号；或经数字编码器输出的数字复合信号；有的摄像机为了延伸电缆传输距离，使用机头内部光纤适配器把数字分量信号直接送入适配器变成光信号，用光缆传输，使传输距离达到1-2千米以上。
2.2 10bit数字摄像机
1
理论上摄像机A/D变换的量化比特数应大于10bit，甚至达到16.5bit，才能满足较高的摄像机的动态范围和信噪比要求。
但实践证明，采用14bit以上的A/D变换器，图象质量的提高已经不明显了。
如果量化比特数采用10bit，则必须采取降低比特数的措施，即先经过部分模拟处理，再进行A/D变换。
理由是：
自动黑/白斑校正、自动黑/白平衡调节、增益提升等电路放在A/D变换前，量化时可减少4bit；采用预弯曲电路可以把CCD输出的600%信号电平压缩到200%，量化时可减少1.5bit；还有数字处理部分采取的措施。
这样，A/D变换便可以采用10bit量化并达到演播室的图象质量，这种摄像机的信号处理放大器中含有部分模拟处理，基本组成框图如图1所示：
图1、10bit数字摄像机基本构成图
信号处理包括模拟处理和数字处理两部分。
预放器输出的信号先进入模拟处理部分，在这里进行自动黑斑补偿、自动黑/白平衡、杂散光校正、自动白斑补偿、增益控制、预弯曲等处理放大，再将处理过的模拟视频信号送入10bit量化的模/数变换器，变成数字信号，进行数据检测（为各种自动调节检测误差数据）、轮廓校正、γ校正、彩色校正、混消隐、白切割、色度孔阑、编码矩阵等处理，最后输出数字图象信号。
数字摄像机的主控制器是调节和控制摄像机的核心电路，由CPU、ROM、RAM、E2PROM和接口电路等组成，摄像机面板上的各种开关信号都送给CPU，由CPU发出指令给各存储器、数字信号处理电路的数据检测及有关部分，数字检测电路将检测出的差值、平均值和峰值等送回CPU，进行存储、运算，并送到相应的调整电路及镜头控制电路进行参数值的调整控制。
模拟电路的控制数据经数/模转换成模拟电压，送到相应的调节电路进行调节。
由于模拟电路的调节控制电压是从数字处理部分获得的，所以调节精度和稳定度都相当高。
2.3 12bit数字摄像机
采取了一些必要的降比特措施后，比如在DSP（数字信号处理）内集成一个数字降噪滤波器，或采取预弯曲处理等，可以采用12bitA/D转换，对预放器之后的视频信号直接进行数字化，并且采用16bit内部处理，32bit扩展。
这样便构成所谓的12bit全数字摄像机。
（有的12bit数字摄像机也采取部分模拟处理）。
图2是全数字摄像机的构成原理图。
图2、12bit数字摄像机构成原理图
2
全数字处理意味着所有的非线性处理都是数字化的，预弯曲可以通过数字运算来实现，保证高亮度区压缩部分重现自然彩色。
在600%电平内用12bit量化，也增加了100%电平内的量化级数，使视频信号的主要部分的量化精度提高。
经测试表明：
12bit全数字摄像机的动态范围扩大了，信噪比、图象分解力有所提高，许多参数有所改良。
2.4 数字摄像机的关键部件—CCD摄像器件及预放器
CCD摄像器件及预放器是数字信号处理摄像机的前端电路，它的性能优劣决定着摄像机的图象分解力、信噪比及灵敏度等指标的好坏。
目前的技术、工艺水平可使预放器的功率增益做得相当高，且信噪比大于60dB。
CCD摄像器件型号有IT、FT、FIT型等各种电荷转移方式的型号。
广播级大多选用3片式的2/3英寸FIT型CCD，像素在60万以上，CCD输出信号的动态范围可达80dB。
图3是FIT型CCD示意图。
有的摄像机对CCD器件还采取了改良技术。
如OCL技术，提高CCD的灵敏度；空间像素偏置技术，提高CCD的图象分解力；DPM（DynamicPixel Management）动态象素管理技术，保持4:
3/16:
9格式转换时的图象分解力。
10bit数字摄像机与12bit数字摄像机的电路构成原理相同。
（有区别的只是电路的控制部分），各部分的信号处理过程机理如下所述。
图3、FIT型CCD示意图
3、视频信号的处理过程（机理）
3.1 黑斑校正与白斑校正
3
黑斑现象是由摄像器件的暗电流引起的。
在无光进入镱头时，CCD本应无信号电压输出，但由于分子的热运动，使CCD会有很少的电荷产生，且每个感光单元产生的电荷量不一致，导致画面的黑色不均匀。
白斑效应是由于镜头的透射率不一致及分光棱镜的色渐变现象引起的，其现象是重现的白色不均匀。
在数字摄像机中，黑斑校正与白斑校正可精确地自动调节。
即将整个画面分成114×228=25992个区进行检测，根据数据检测出的误差值，控制黑斑（白斑）地址发生器将地址送入主控制器，用查表方式从存储器中读出调节数据，经D/A变换后送到模拟校正电路进行补偿，对任意形状的黑（白）斑都可以补偿。
通过黑斑校正后，消除暗电流的影响，使黑电平与消隐电平相同，即为基准零电平，输入到后面的增益放大器。
这样，增益变化就不会引起黑电平变化了。
3.2 黑、白平衡调节
当摄像机拍摄黑色物体时或关闭光圈时，红、绿、蓝三路输出的电平称为黑色电平，这个电平送到显像管时荧光屏刚刚不发光，呈现黑色，要使呈现的黑色是纯黑，则要求摄像机输出的红、绿、蓝黑色电平相等，这称为摄像机的黑平衡。
黑平衡调节是在黑斑校正之后进行，通常是在关闭光圈下使摄像机工作，调节红路和蓝路的黑色电平，使它们都与绿路的黑色电平相等。
如果同时调节红、绿、蓝黑色电平，并不会影响黑平衡，这称为总黑电平（M.PEd）调节，这样可调节图象的平均亮度。
摄像机最后输出的图象信号的黑电平是在混入标准消隐脉冲后建立的。
在拍摄纯白色景物时，调节红路和蓝路增益，使红路和蓝路的电平与绿路的电平相等，这样，荧光屏上便能重现出基准白色。
白平衡调节在白斑校正之后进行，电路可进行增益微调，调节方式既可手动调节也可自动调节。
3.3增益提升
摄像机输出信号的幅度必须达到电视传输规定的标准电平0.7Vp-p，为了能在不同的景物照度（包括特殊的较暗场景）条件下都能输出0.7Vp-p的信号，必须使放大器的增益能在较大范围内调节，现在的摄像机设置的增益选择有-3dB、+3dB、+6dB、+9dB、+12dB、+18dB、+21dB等若干档。
由于增益升高时图象上的杂波也会增加，不得以时才用增益档，通常用0dB档拍摄。
3.4杂散光校正
由于镜头中的各片透镜和CCD内部都有很小的反射率（约小于0.1%），所以光线通过时一部分反射光使白色周围的黑色部分稍发白，即提高了图象的黑电平，降低了图象的黑白对比度，使图象看上去如蒙上一层雾，称为杂散光效应。
光的反射量与光波的波长有关，红路杂散光最强，绿路次之，蓝路最少。
杂散光效应也破坏图象的彩色平衡，尤其是黑色平衡。
利用杂散光的强弱随入射光强度成比例地变化的特点，我们可以得出杂散光校正的基本方法。
即把图象信号的平均电平进行负反馈，调节反馈量使之恰好抑制杂散光所引起的黑电平变化。
3.5预弯曲和白压缩
如图4所示是摄像机的传输特性曲线。
图4 摄像机的传输特性（PAL）
4
白压缩顾名思义是把白电平部分压缩。
白压缩的目的是为了提高摄像机的动态范围和降低量化比特数的需要。
实现白压缩的办法是减小放大器在白电平部分的增益。
从图4可见，三条传输特性曲线的白切割电平都在110%处，原特性曲线（是线性的）在切割点处所对应的入射光强度是130%，即动态范围（被摄景物所能传送的最大景物亮度的变化范围）是130%；105%拐点的白压缩后的特性曲线的动态范围是200%；而85%拐点的白压缩后的特性曲线的动态范围是600%。
由于拐点之上部分的灰度层次不是很鲜明，（即拐折后斜率变化了，物理意义上相当于较高的入射光才引起景物亮度的微小变化）所以在入射光不很强时应使拐点升高，以适当扩大亮度传输特性的线性范围，当画面严重反差时，应把拐点调低到85%。
现代摄像机都在处理放大器内设计了自动拐点电路，或称动态拐点或称动态对比度控制（DCC）电路，使拐点随入射光强度自动调节，拐点之上的传输特性曲线的斜率也可以适当设定。
在摄像机视频信号处理放大器中把白压缩分两步进行，如图5所示。
在放大器的输入端先将CCD输出的信号电平限制在600%，而后进行第一次白压缩，又称预弯曲，预弯曲电路在130%电平处开始减小放大倍数，从而使原为600%的电平被压缩为226%的电平。
预弯曲后的信号经过一定的处理和γ校正，再一次进行白压缩，最后的输出信号电平限制在110%。
3.6 孔阑效应及应对措施（轮廓校正）
光电转换过程主要由CCD摄像器件完成，而CCD感光单元的面积不是无限小，难以完满表达比它更小的光像细节，因此产生的图象细节的信号幅度减小，如图6所示，导致重现图象的细节和跳变处变模糊，图象清晰度降低。
这种现象叫作孔阑效应（孔阑失真）。
由于CCD感光单元对光学信息的传送是按抽样方式进行的，所以我们也可以用脉冲序列的数学模型来引证出孔阑失真的影响。
设取样脉冲周期为Ts，脉冲宽度为τs，这样的取样脉冲列可以写成：
其中
5
图6 图象细节的孔阑失真
其频谱为：
显然，用Sδ（t）对信号f（t）进行抽样时，抽样后的信号频谱也是幅度受到sinx/x函数的调制。
CCD感光器件的光电转换过程相当于用一定宽度的电子束对图象进行抽样，输出值为这一段区域内图象信号的平均值，这种情况可以看作是抽样间隔与抽样脉冲宽度一致的抽样。
因此，根据上式分析，抽样以后信号的频谱将会产生的高频频谱幅度下降。
如图7所示，这就是通常所说的孔阑效应。
摄像机所摄取的电视信号实际上是对图象进行三维抽样的结果，摄像机除了要在水平和垂直两个空间方向上对图象
图7 孔阑失真的影响
信号进行抽样外，还必须在时间轴的方向上以场扫描的形式
对图象抽样，因此，电视信号的频亦也受到这三种抽样脉冲宽度的影响，其高频频谱衰减已示于图7。
解决孔阑失真的对策是轮廓校正，目的在于增强图象的边沿轮廓，改善图像细节，提高图象的清晰度。
在数字摄像机中，轮廓校正使用数字化技术。
把A/D变换后的不延时，延时一行，延时二行的（R+G）/2信号送到轮廓校正电路中进行运算，产生行、场及斜向等细节（DTL）信号，DTL信号通过挖芯电路去除杂波后，在彩色校正电路之后混入红、绿、蓝三路图象信号中。
数字轮廓校正的核心技术是采用非递归型滤波器，即线性相位数字滤波器，实现三维滤波。
图8是数字轮廓校正的行细节信号产生电路。
数字轮廓校正电路对各种颜色，各种图案及图象暗部都能产生准确的校正信号，得到良好的校正效果
图8数字轮廓校正的行细节信号产成电路
3.7 彩色校正
6
彩色电视摄像机输出电压的光谱响应（与摄像机的分光系统及摄像器件有关）必须接近理想光谱特性且与显像管荧光粉的混色曲线一致，但实际的摄像机光谱响应曲线缺少了理想光谱特性中的负区和正次区，这必然使摄像机输出的R、G、B电压的比例偏离理想值，引起彩色失真，故必须对输出电压的光谱响应进行校正。
具体的办法是：
某一基色光谱响应的负区和正次区可以用另外的两个相应的基色信号模拟，存在着线性矩阵的关系，因此这种彩色校正电路也叫做线性矩阵电路。
令R0、G0、B0为校正后的信号，R、G、B为校正前的信号，则彩色校正信号可用矩阵运算式表示为：
彩色信号经过校正矩阵后，白平衡应不变，同时，要尽量限制杂波增加，根据彩色校正原理，把上式进行变形，最后得出：
R0=R+b（G-R）+C（B-R）
G0=G+d（R-G）+f（B-G）
B0=B+g（R-B）+h（G-B）
上式形式的校正电路称为差信号校正电路，只有6个系数，便于在电路中调节校正系数，有助于不同CAM的彩色匹配。
在数字处理放大器中可存储几组校正系数供选用，也可以输入新的校正系数并加以存储。
3.8 γ校正
电视系统的最终目的是在电视屏幕上显示出逼真的图象，其中包括不失真地重现原景物的亮度层次。
要保证亮度层次不出现畸变，就要求从摄像—传输—显像的整个系统都是线性的，但实际上，CCD摄像器件的光电变换特性为u=k1≈k1B1，可认为是线性的，而显象管的电光变换特性（彩色显象管的γ2=2.8），是非线性的。
所以，必须在摄像端对图象信号进行相反的预校正，抵消显像管的非线性，使系统总特性成为线性，这种预校正称为γ校正。
摄像端γ校正放大器的传输特性应为：
,
对于彩色显像管来说，γ=1/2.8=0.35，实际中考虑各种因数，通常γ值取在1~0.45之间可调节，以得到最佳的校正效果。
图9是电视系统的γ特性。
数字摄像机的γ校正采用数字γ校正电路。
R、G、B信号经A/D变换后送到γ表进行γ校正，γ表由CPU接口进行写入和控制。
数字γ校正不仅能够使R、G、B三路信号的γ校正特性精确一致，提高了重现图象的彩色质量，变光圈时可保持色调不变，而且调整方便，简单地改变计算参数即可调节γ特性。
图9电视系统的γ特性
7
3.9 混消隐与黑、白切割
CCD摄像器件一般都用行、场推动脉冲作为消隐脉冲，比标准消隐时间短，必需在视频处理的最后一步混入标准的行消隐脉冲（12μs宽）及场消隐脉冲（1.6ms）宽，并建立起摄像机最后输出的图象信号的黑电平（2-5）%。
如图10所示。
混消隐的做法从图像上的处理效果来看相当于剪切掉了像面四周的边幅。
黑、白切割是为了规范图象信号的电平标准而采取的措施。
黑切割就是切除多余的消隐脉冲，去除消隐期间的杂波，建立黑电平。
[通常切割电平是固定值的，所以黑电平（2-5）%的建立是通过调节在前面的黑电平调节电路中的直流（钳位）电平来实现的]。
白切割是切除某些白色信号，限制信号幅度。
图11是数字白切割电路。
摄像机中100%的图象信号电平为
图10混消隐的作用
0.7Vp-p，通常在最后输出级的白切割电平为（105~110）%。
数字摄像机的混消隐与黑、白切割在数字处理部分进行。
4、相关数字电路与宽屏幕变换
4.1 全数字钳位电路
在数字系统中，阻容耦合不会造成直流分量丢失（模拟视频系统中通过阻容耦
合将丢失直流分量，靠钳位电路恢复直流）。
图11数字白切割基本电路
因此，在A/D变换时进行一次钳位后（以恢复变换点之前信号的直流分量和固定A/D变换所需要的电平），再后的数字处理中通常可不再进行钳位。
为了克服模拟钳位时常发生图现拖尾、行杂波、毛刺等缺点，因而开发了全数字钳位电路，如图12所示。
该电路A/D变换输出的数字信号应有直流电平Es，如果由于某些原因引起直流电平变动，成为Es±△ε。
在消隐期间抽样脉冲将消隐电平送入锁存器。
销存器的输出在减法器中与基准电平Es相减，得到差值±△ε，经寄存器送入ALU电路，同时，数字视频信号Es±△ε在ALU中与±△ε相减，输出信号的直流电平为：
Es=（Es±△ε）-（±△ε）=Es
显然，ALU输出的信号中消除了直流电平的变动量
8
。
4.2 数字降噪电路
某些摄像机采用了数字降噪电路（降噪器）来提高图像质量。
若摄像机在低照度下拍摄时必须采用高增益，噪声也会随之增加；数字摄像机的噪声主要来于两个方面，一是预放器的噪声；二是量化噪声。
为了提高技术质量，必须使用数字降噪器。
另一方面是使用了降噪器可降低A/D变换时所需的量化比特数。
数字降噪器的工作原理是：
利用图象信号在同一行的相邻象素间、同一场的相邻行间及相继帧的同一行间都有较强的相关性，而它们信号中的杂波则并非相关性，因此，将相关性强的象素所对应的信号叠加起来，进行平均，图象信号将形成平均值，杂波则明显减小。
经分析，完善的降噪方法应是采用帧间平均化处理，即对相继帧间的对应象素从时间上进行平均处理低通滤波。
电路的核心器件是帧存储器。
图13是基本递归型低通滤波器。
其信噪比改善量如下式：
S/N改善量=10lg （dB）.
经验表明，K=0.75较合适。
为了改善活动图象的降噪质量，（既能降低噪声，又能保全原图象质量），还要在上述电路中添加运动检测电路，用其输出信号去自动控制K值的大小。
4.3 宽屏幕变换电路
（1）在16:
9格式CCD上输出4:
3格式图象
有的数字摄像机装置了16:
9格式的CCD，当要在16:
9格式的CCD上输出4:
3格式图象时，方法有两种：
①在CCD上读取象素时进行格式变换；②在数字处理电路中进行格式变换。
在CCD上读取象素进行格式变换时，只读出像面中间3/4宽的图明，CCD两边各丢弃1/8像宽的图象。
原16:
9格式的水平读出时钟频率为18MHz或22.5MHz，变换时水平读出时钟频率应为18×（3/4）=13.5MHz或22.5×3/4=16.875MHz，在行消隐期间用54MHz或67.5MHz的时钟控制，将CCD两边
的电荷放掉，放电占用的消
隐时间为4.3μs。
如图14所
示。
于是，16:
9格式的CC
9
D便输出了4:
3格式的图象。
用数字处理电路进行16:
9格式变换时，是用2个行存储器来完成的。
存储器的读写时钟频率不同，读写控制脉冲的宽度也不同。
存储器输入信号格式为16:
9，写入时要在行两端各丢掉1/8的图象，写入时钟频率与输入信号的时钟频率相同，而读出时钟频率降低为写入时钟频率的3/4。
由读写脉冲控制、交替地对两个存储器进行读写。
写入控制脉冲的宽度是读出控制脉冲的3/4，存储器输出图象便可变成4:
3格式。
（2）在4:
3格式CCD上输出16:
9格式图象
飞利浦公司的LDK200的摄像机内安装了4:
3格式的DMPFTCCD，当要输出16:
9格式图象时，采用动态像素管理（DMP）技术实现格式变换。
水平方向像素数不变，在垂直方向上由每四个感光单元对应一行像素变为每三个电极对应一行像素，使像素的高度缩小到3/4，而垂直方向的有效行数保持不变，这样就保持了水平分解力和垂直分解力都不变。
5、结束语
摄像机是把光图象转变为电信号的电视信号源设备。
通过摄像机，大千的自然景色（包括活动图象）可以栩栩如生的展现在人们的面前。
尽管计算机技术、动画特技制作日渐普及成熟，而占据视频信号源绝对优势的摄像机的地位却依然不会动摇。
随着数字技术的发展，数字摄像机已向高清晰度、摄录一体化、小型化的方向迈进。
不久的将来，小巧玲珑，画面清晰逼真的数字摄像机将展现在世人的面前。
参考文献：
1、杜百川.《数字电视》.中国电子学会广播电视技术分会.
2、车晴、王京玲.《数字卫星广播系统》. 北京广播学院出版社.2000.4
3、孙景鳌、蔡安妮.《电视摄像机与视频处理》.电子工业出版社.
4、张琦、杨盈昀、张远、林正豹.《数字电视中心技术》.2001.3
10
5、GrassValleyGroup.《DesigningDigitalSystems》.April1993.
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