理解摄像机.docx

1、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. 11MTF . 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

2、. 42光圈和快门 . 42逐行还是隔行？ . 42高清还是标清？ . 423CCD还是单CCD？ . 42CCD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

3、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。

4、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

5、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。C C D （ Char g e C oupl e d D e vice ） ，学 名 叫 “ 感光 耦 合器”

6、 。C M O S（ C o mpl e men t ary M e tal - Oxi d eSemiconductor），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

7、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）

8、。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

9、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

10、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

11、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(Color Filter Array，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，

12、应有最广的是拜尔片阵（Bayer Pattern），命名自发明人柯达公司研究员布莱斯.拜尔（Bryce Bayer）。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

13、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

14、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，

15、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 C C D的 3 倍 ， 这 就 是 “ 原 装 ” 的代价。目前，有Arr i D-21、Panavision Genesis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

16、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Foveon X3 CMOS（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

17、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 (108

18、0P)2K (1.85:1)2K (2.35:1)4K (1.85:1)4K (2.35:1)画面像素720X480720X5761440X10801280X7201920X10801998X10802048X8583996X21604096X1714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

19、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 ” （ I m a g eProcessor）负责。图

20、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Canon XL H1 1440X1080 1440X1080 (HDV)J

21、VC HD100 1280X720 1280X720 (HDV)采样格式4:2:04:2:0Panasonic HVX200 960X540Sony Z1 960X1080Sony EX1 1920X1080Sony F900 1920X10801280X1080 (DVCPRO HD) 4:2:21440X1080 (HDV) 4:2:01920X1080 (HD) 4:2:01920X1080 (HDCAM 4:2:2单CCD摄影机Arri D20CCD像点2880X2160采样率1920X1080 (HD)采样格式4:4:4 RGBPanavision Genesis 5760X2160

22、Red One 4520X25401920X1080 (HD)4096X2048 (4K 2:1)4:4:4 RGBRedCode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

23、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

24、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R GB信息，一种 是采用3CC D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，Arr i摄像机 的CCD 像点数是采样率的3倍

25、，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4:4:4 RGB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，4:4:4 RGB采样无疑是最好的画质，但不同的采