理解摄像机.docx
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理解摄像机
理解摄像机
邓
东
按：
这是一篇介绍摄像机相关知识的文章，旨在帮助DV创作爱好者正确认识摄像机，
从而能更理性地选择和使用摄像机。
水平有限，欢迎批评。
目录
摄像机的几个关键部分..................................2
成像器件.....................................................3
采样编码.....................................................7
镜头........................................................10
一些应该知道的理论...................................11
MTF.........................................................11
奈奎斯特极限................................................18
景深与视角..................................................22
感光特性....................................................26
色彩深度....................................................31
摄像机的一些困惑.....................................33
清晰度高就等于分辨率高吗？
..................................33
像素高分辨率就一定高吗？
....................................34
如何评测摄像机.......................................35
色彩准确度..................................................35
感光特性....................................................37
分辨率......................................................39
采样编码....................................................40
实景拍摄....................................................41
选择什么样的摄像机...................................42
白平衡......................................................42
光圈和快门..................................................42
逐行还是隔行？
..............................................42
高清还是标清？
..............................................42
3CCD还是单CCD？
.............................................42
CCD尺寸还是CCD像点数量？
....................................42
哪种视频格式？
..............................................43
磁带？
硬盘？
卡？
............................................43
其他因素....................................................43
录音要求....................................................43
结束语...............................................44
理解摄像机
许多IT类或视频类网站的摄像机版块，经常会推出“某某摄像机评测”。
那些评测的大
致内容无外乎：
首先，描述一下机器外观如何如何，介绍一下这个那个新功能；然后拍一些
花花草草，展示一下该摄像机所拍摄的画面；末了把前面的内容总结一下。
我必须说，这种
评测实际上就是该摄像机的“非官方产品介绍”，充其量只能叫“评说”。
因为它仅是介绍
了机器，展示了特点，却没有“测”什么东西。
这样的评测，除了协助厂商忽悠消费者，并
没有起到什么积极作用。
凭什么这样说呢？
因为那些评测充满了主观判断，除了产品参数，
剩下的就是评测者依据自己观察得出的结论。
而评价一台摄像机，是有一套客观科学的判断
标准的。
既然我们用摄像机创作影像作品，就非常有必要了解一下如何正确评价一台摄像
机。
要评价摄像机，就要先了解摄像机到底是一个什么东西。
摄像机的几个关键部分
摄像机的历史不长，大约四五十年，数字摄像机的历史更短，90年代之后才进入我们
的视野。
在以前的文章中我们提到电影是电视他爹，那么摄像机与胶片摄影机就可以说是一
脉相承。
虽说这爷俩在原理上差别巨大，但干的活儿都是一样的，就是成像。
下面我们来对
比一下他们的工作方式。
胶片摄影机成像在胶片上，经冲洗，得到底片，再经底片扫描，得到数字文件。
这就是
电影生产的过程，跟我们玩胶片照相差不多。
相应的，摄像机的工作过程，就跟我们的数码
相机类似，CCD（或CMOS）成像，经过采样编码，获得数字文件。
胶片摄影成像质量的关键在镜头、胶片、以及后续冲洗、扫描等环节。
镜头不必多说，
有点摄影基础的同学都知道其重要性。
胶片也一样，由于胶片的素质是固定的，选择什么样
的胶片在很大程度上就选择了最终画面质量。
玩胶片摄影的同学都会有自己心仪的胶卷型
号，就是这个道理。
而后续环节在洗印厂完成，可以看成是工业标准，你控制不了，只能信
任它。
相应的，摄像机有镜头、成像件（CCD或CMOS）、采样编码，三个主要部分。
好像也不
复杂，但它跟摄影机相比，有一个“致命的”差别：
这三样东西都不能更换！
OK，一些摄
像机能换镜头，但是，正在读文章的您的摄像机可以换镜头吗？
或者有几个镜头可换呢？
因
理解摄像机
此，这种差别是“致命的”。
选择了摄像机可以说就选择了画面质量，从此买定离手愿赌服
输。
各位挣钱都不容易，在下注之前最好了解一下摄像机的猫腻，赔钱事小，影响工作、心
情、乃至夫妻和睦事大，故不可不察也。
成像器件
大家都知道，摄像机成像器件有CCD和CMOS两种。
CCD（ChargeCoupledDevice），学名叫“感
光耦合器”。
CMOS（ComplementaryMetal-Oxide
Semiconductor），学名叫“互补性氧化金属半导体”（好
拗口
）。
从原理上讲，它们都是将光信号转换成电信号
的器件。
右图就是CCD和CMOS，从外观看起来它们没什
么不同。
它们的表面是由像点（Photosite）组成的矩阵。
像点
是成像器件的基本单位。
简单地说，像点有点类似太阳能电
池，当光照到像点上时，像点就将光能转换为电信号。
摄像
机收集全部像点产生的信号，处理之后生成画面。
描述成像器件的像点数量的方式是：
水平
数量X垂直数量，如960X540。
为了不混淆概念，我们把CCD上的成像单位叫像点，把画面单位叫像素，把显示设备
的单位叫显点。
当然，你都叫“像素”也没问题。
CCD和CMOS像点的光电理论我们就不展开说了，总之他们都是感光元件。
从我们
使用者的角度来讲，可以不考虑CCD和CMOS在技术细节上的区别。
（为了省事，下文用
“CCD”作“成像器件”的代名词）
无论是CCD还是CMOS，它们都有一个非常重要的特性：
它们的像点只能感受光的强
度，不能感受光的色彩。
意思就是说，CCD和CMOS拍到的都是黑白画面，就像黑白胶卷
那样。
这对于早期的摄像机是没有问题的，那时的电视都是黑白的。
但彩色电视的出现要求
摄像机必须能拍摄彩色画面。
我们都知道，彩色胶卷实现彩色画面的方式是片基上有红
绿蓝3层感光剂（左图）。
每层感光剂分别对红、绿、蓝光谱感
光，然后叠加在一起就形成了彩色。
但CCD无法叠在一起成像，
况且CCD本身也不感受色彩。
我们还知道，一个彩色画面是由若干像素组成，每个像素又
由红绿蓝三个参数组成（详细理论请参阅《理解视频格式》）。
只要能分别获得像素所需的红绿蓝信息，就可以“组合”出彩
色画面。
最终，CCD采用棱镜分光的方式实现了分别获取红绿蓝信息（看下页图）。
光经
过一个分光棱镜，被分成了红绿蓝3束光，然后使用3个一模一样的
CCD分别接收这三束光。
3个CCD上的像点分别记录1种颜色的信
息。
然后，再把3个CCD像点的颜色信息合并到1个画面像素中，那
么，画面像素就有了红绿蓝信息而成为彩色画面。
右图是一个3CCD
的外观照片。
可以说，3CCD非常好地解决了获取红绿蓝信息的问题，并且
理解摄像机
每个CCD所获得的红绿蓝信息都是入射光线本身所带的信息，是“原装的”。
哦？
什么意
思？
意思是，有些CCD生成彩色画面的红绿蓝信息不是“原装的”而是“改装的”，我们
后面会讲。
3CCD虽然成功解决了分色的问题，但它并不完美。
首先，它必须有一个棱镜，这就使
得它的体积很难减小。
如果CCD的尺寸要加大，那么棱镜的尺寸也必须加大。
并且棱镜本
身也是光学器件，它的光学失真会直接造成画面失真。
这种天然的障碍使得3CCD的成像方
式很难实现大尺寸成像画幅。
目前3CCD的最大画幅也就做到2/3英吋，再往上，效果和成本
都令人无法接受。
这也是为什么3CCD只应用在摄像机而无法应用在照相机上的原因，想想
135相机的画幅，如果做成3CCD会巨成什么样子。
同时，棱镜对摄像机镜头也造成了影响。
由于光经过棱镜才到达CCD，那么棱镜本身
就占据了镜头后焦距的空间。
什么意思？
你看看照相机，镜头屁股到胶片之间是空的（单反
的反光镜占的地方也不大）。
当镜头变焦至广角端时，镜头的后镜片可以很接近成像平面。
但如果有一个棱镜，镜头尾端到CCD的距离就“天然地”被加长了。
这种情况造成的后果
就是，3CCD摄像机的广角镜头的制造难度被加大。
因为广角就意味着焦距短，但有个棱镜
挡着，想短可不容易。
这就不难理解，为什么大部分摄像机的镜头在长焦端可以“慷慨地”
做到200mm、300mm（等效135相机），而在广角端却连35mm都很少见。
当摄像机需要更大CCD的时候，3CCD的方式就显得捉襟见肘无法应付。
最终，CCD
又选择了原来的方式：
单片CCD。
前面讲过，CCD的像点都是色盲，因此，单片CCD的关
键就是如何识别色彩。
要让单片CCD能实现彩色画面，就必须能分别输出画面所需的红绿蓝信息，就像3CCD
做到的那样。
于是，在70年代末，诞生了滤色片阵技术（ColorFilterArray，简称CFA）。
所
谓滤色片阵，就是在CCD上方覆盖一层滤色片矩阵，告诉每个像点：
“您现在看到的是这
个颜色”。
这样，一块CCD就变成了红绿蓝像点的矩阵。
在CFA技术中，应有最广的是拜尔
片阵（BayerPattern），命名自发明人柯达公司研究员布莱斯.拜尔（BryceBayer）。
下图就是拜尔片阵的红绿蓝滤色片的排列方式。
它的特点是每4个色片中有2个绿色、1
个红色、1个蓝色。
这样，整块CCD获得的色彩信息分别是：
50%绿色、25%红色、25%蓝
色。
为什么绿色要比其他两种颜色多一倍呢？
主要依据是人类视觉对绿色比对其他颜色更敏
感，绿色信息多则更接近人类的视觉感受。
据说，人类对绿色敏感是长期进化过程中在绿色
理解摄像机
丛生的自然界找吃的结果。
（这样的话，估计唐老鸭对蓝色比较敏感吧。
）下面我们来看看
拜尔片阵如何实现彩色画面。
看下图，最左边是覆盖了拜尔片阵的CCD生成的原始画面。
由于CCD是色盲，所以画
面自然就是黑白的。
从图中我们看到，每个像点都只携带了1个颜色的信息。
而生成一个彩
色像素需要3个颜色信息。
那么另外2个颜色的信息去哪里能搞到呢？
答案：
向隔壁老张或者
楼下老李借。
看右边那组图，每个像点有1个颜色，再从临近的像点“借用”另2个颜色，就
凑成3了个颜色，彩色就出来了。
“借来”的颜色能用吗？
直接安上去用肯定是不行的，需
要根据画面的信息进行计算，“模拟”出比较接近“原装”的色彩信息，然后再用，才能组
合出比较接近“原装”的色彩。
图中那些浅色的色块就是经过“计算”获得的色彩信息，即
“改装版”信息。
这就是拜尔片阵CCD生成画面的基本原理。
现在大部分的数码相机和单
片摄像机都使用这种CCD。
既然拜尔CCD这样生成画面，那么“计算”岂不是相当重要？
对的，单片彩色CCD早
在80年代就有了，但数码照相机直到21世纪才逐渐商用，其中一个重要原因就是“计算能
力”还无法获得足够好的“改装”信息。
毕竟，照片对色彩准确的要求比视频影像要高很
多。
但是，无论怎么进行“计算”，改装的终究是改装的。
难道单片CCD就不能生成全部
“原装”的红绿蓝信息吗？
别急，看下面这种CCD。
看下页图，这是另外一种单片CCD。
注意看它覆盖的滤色片阵，红绿蓝像点数量是一
致的。
每个像点依然是记录1种颜色的信息，但在合成画面的时候，3个并排的红绿蓝像点
所携带的信息被用来合成1个像素。
也就是说，这种CCD把3个像点当成1个像点来用。
因
理解摄像机
此，这种CCD生成的色彩信
息都是“原装的”。
但是，
这种CCD的制造难度比拜尔
片阵CCD要大，因为要获得
同样像素的画面，它所需的
像点数量至少是拜尔CCD
的3倍，这就是“原装”的
代价。
目前，有ArriD-21、
PanavisionGenesis和Sony
F35装备了这种“3倍CCD”，其中Pana和Sony是用5760X2160的CCD，生成1920X1080
的高清画面。
算算看，那就是拿6个红绿蓝像点当1个像点来用，也就是图中右下角那种。
另外，除了3CCD和“3倍CCD”，还有一种成像件
也可以实现“原装”色彩，那就是美国Foveon公司研发
的FoveonX3CMOS（见右图）。
这种CMOS模仿胶片
成像原理，用三层叠在一起的像点分别接收红绿蓝信息。
从理论上讲，这是一种非常好的获得分色的方法，但是它
必须要解决光线穿透像点层所产生的损耗问题（比如红光
到达红色像点要经过蓝绿像点层）。
如果因为穿透像点层
而导致色彩信息损失，则同样需要经过“计算”来进行弥
补。
目前在照相机领域，适马（SIGMA）相机装备有这种成
像件，但在摄像机领域还没有出现。
采样编码
理解摄像机
从CCD的原理我们知道，CCD是获取光线中红绿蓝信息的器件。
但是，CCD本身并不
能生成画面。
那些红绿蓝信息要经过摄像机“处理”之后，才能变成画面。
这种“处理”就
是采样编码。
采样编码是两个过程：
采样和编码。
虽说摄像机跟照相机都是生成画面的设备，但摄像机输出的画面大小（像素）是有规定
的，不像照相机，输出什么像素的图片都可以。
摄像机输出的画面必须符合可播放的视频格
式标准（参阅《理解视频格式》）。
播放格式标准无非就两类：
标清、高清。
无论摄像机的
CCD有多少像点，输出的画面也必须“套用”标准尺寸。
而生成这种“标准尺寸”的过程
就是采样。
我们先来看看常见的视频格式的画面尺寸。
常见的视频格式
类型
标清
标清
高清
高清
高清
高清
高清
高清
高清
名称
DV（NTSC）
DV（PAL）
HDV（1080i）
HD（720P）
HD（1080P）
2K（1.85:
1）
2K（2.35:
1）
4K（1.85:
1）
4K（2.35:
1）
画面像素
720X480
720X576
1440X1080
1280X720
1920X1080
1998X1080
2048X858
3996X2160
4096X1714
上表就是主要视频格式的画面尺寸。
CCD像点生成的红绿蓝信息如何生成这些对应的
画面尺寸呢？
看下图，这是红绿蓝信息被处理成画面的过程。
理解摄像机
从图中可以看到，采样就像一把“筛子”。
这把筛子的“筛孔数量”就决定了输出画
面的像素。
假如筛子有1920X1080个筛孔，那么“筛”出来的画面就是1920X1080，如果
筛子是1280X720，出来的画面就是1280X720。
这“筛孔数量”就是传说中的“采样率”
（Sampling）。
如果某台摄像机可以输出1080p、720p、576p等格式的画面，说明这台摄像机
里有好几把“筛子”。
采样除了“筛”出画面尺寸外，同时也对画面的像素进行处理。
我们前面提到的生成
“改装的”色彩信息也是在这个环节中完成的。
因此，采样是一个计算处理CCD信息并
生成画面“采样格式”的过程。
采样格式是画面全部信息的构成方式（参阅《理解视频格
式》），也是最终输出画面的数据基础。
由此可见，采样在摄像机的所有环节中至关重要。
采样是由摄像机的“图像处理器”（Image
Processor）负责。
图像处理器是摄像机中除了CCD之
外另一个核心组件。
在摄像机厂商的宣传广告里，经常
能见到这位老兄的身影。
形象大多这样：
幽暗的电路板
上，一道亮光投射出一枚黑色集成块，上书XX-NB处
理器，并配有惹眼溢美文字，诸如超强超劲超爽超霸见
谁超谁，俨然独门奇侠横出江湖；没几年，新款机器上
市，主角变成XX-NB2处理器，同样打光，同样角度，
同样文字，不信请翻看各厂商历年广告
。
总之，图像处理器是生成画面非常关键的组件，特
别对于拜尔CCD那样需要“改装”色彩的画面信息就尤
其重要。
下面来看一些摄像机的采样率：
3CCD摄像机CCD像点采样率
CanonXLH11440X10801440X1080（HDV）
JVCHD1001280X7201280X720（HDV）
采样格式
4:
2:
0
4:
2:
0
PanasonicHVX200960X540
SonyZ1960X1080
SonyEX11920X1080
SonyF9001920X1080
1280X1080（DVCPROHD）4:
2:
2
1440X1080（HDV）4:
2:
0
1920X1080（HD）4:
2:
0
1920X1080（HDCAM4:
2:
2
单CCD摄影机
ArriD20
CCD像点
2880X2160
采样率
1920X1080（HD）
采样格式
4:
4:
4RGB
PanavisionGenesis5760X2160
RedOne4520X2540
1920X1080（HD）
4096X2048（4K2:
1）
4:
4:
4RGB
RedCode
从表中我们看到，采样率跟CCD像点并不是必然的对应关系。
在一些摄影机中，CCD
像点甚至不及采样率高。
从理论上讲，这对最终画面质量肯定是有影响的。
想想看，CCD
产出的原料都不够筛子去筛的，出来的货能不受影响吗？
CCD像点数量不足影响最大的就
是摄像机分辨率，因为摄像机分辨率跟CCD像点数量有直接关系，这个我们后面会讲到。
再者，CCD像点不足，能提供给画面的色彩信息就有限，因此必须用其他的方法去弥补，
比如使用保持色彩信息更多的采样格式（如4:
2:
2）。
在《理解视频格式》中，我们介绍了YUV色度采样。
这种采样是先将RGB信息转换成
YUV信息，然后在采样过程中，保留全部亮度信息（Y），消减部分色度信息（UV），从而获
理解摄像机
得比较小的数据量，以方便存储及处理。
但小数据量的代价就是牺牲了部分色彩信息。
而
RGB采样，不对CCD生成的RGB信息进行YUV转换，而是直接从RGB信息生成画面数据。
也就是说，RGB采样必然是4:
4:
4的采样。
想象一下，YUV采样因为保留了全部亮度信息
（Y），即便把色度信息（UV）都扔掉，顶多没有色彩，剩下一幅黑白画面。
但在RGB采样中，
RGB你哪个也不能消减；减掉点R试试，出来就是一个完全走样的画面。
因此，RGB采样是
最保真，同时也是数据量最大的采样方式。
它要求数据存储设备要有足够快的吞吐速度和足
够大的存储空间，同时后期设备也必须要有足够强的数据处理能力；同时，投入的制作成本
也自然会暴增。
RGB采样多应用于资金充裕且要求高的影像制作，比如电影。
在上图中，RGB采样中R、G、B的比值其实是1:
1:
1，为了跟YUV采样的表述方式一
致，才叫成4:
4:
4。
我们前面讲过，像素中的RGB信息来源于CCD，如果要让每个画面像素都能分到“原
装”的RGB信息，一种是采用3CCD方式，一种是CCD像点数量3倍于画面像素。
我们
再来看看前面的采样率表中的单CCD摄像机，Arri摄像机的CCD像点数是采样率的3倍，
Panavision是6倍，Red像点数跟采样率差不多。
什么意思？
意思就是说，当Red要输出4K
画面时，CCD并没有足够的“原装”RGB提供给4K的“筛子”用，这时怎么办呢？
还用
问，改装呗。
因此，Red输出4K画面时并不能真正实现4:
4:
4RGB采样。
事实上，Red的4K
也没有直接输出RGB信息，而是将“估值运算”获得的4K画面通过压缩编码（RedCode）
的方式输出。
但如果Red要输出1920X1080的高清画面，完全可以进行4:
4:
4RGB采样。
同理，如果单片摄像机要生成“真正的”2K画面（1998X1080），那么它CCD的像点
数量应该是5994X1080（即2K画面的3倍）；生成4K画面（3996X2160），所需的CCD像
点要达到11988X2160，如果按照Genesis那种6个像点当1个用，那就是11988X4320（5千1
百万像点），嚯嚯，估计终结者的眼睛有这个精度。
可见，目前还没有摄像机能摄取“真正
的”4K画面。
看到这里，似乎有种感觉，好像不用“原装”RGB信息生成画面就是“赝品”，不值
理解摄像机
一提。
如果你这样理解的话，那就大错特错了。
我们前面讲的，仅仅是从理论上分析各类画
面生成方式的差异。
诚然，4:
4:
4RGB采样无疑是最好的画质，但不同的采
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