數碼攝像機技術指標及選型知識

除了利用字幕機或計算機動畫設備制作電視圖像外，電視節目制作的第一步都是利用攝像機攝取畫面。攝像機是產生電視素材信號的最主要設備。如果素材信號的質量不高，那么，要制作質量上乘的作品簡直就是天方夜談。一般來說，經過處理，記錄，傳輸以后，信號質量總會產生不同程度的劣化，很難有明顯提高。因此，選擇優良的攝像機具有非常重要的意義。近年來，攝像機技術取得了長足的進展。CCD攝像器件逐漸取代了真空管的攝像器件，后來又出現了數字處理的攝像機。
??? 數字處理攝像機問世至今，僅只10年。剛開始時，數字處理攝像機還存在若干不足之處。所以，在一段時期中，數字處理攝像機和傳統的模擬處理攝像機并行存在，平分秋色。隨著技術的飛速發展，現在，數字處理攝像機的功能和技術指標已經全面超過模擬處理的攝像機。因此，模擬處理的攝像機已經難免淘汰的命運。本文闡述CCD攝像機的主要指標，數字處理攝像機的若干特點以及將來發展的方向，供選擇攝像機時作為參考。

一、攝像機發展的簡要歷程
??? 最早的電視攝像機以電真空攝像管作為攝像器件。攝像管在工作之前必須進行預熱，時間長了以后，工作狀態容易發生漂移。攝像管本身有多項調整，例如重合調整、機械聚焦、電聚焦調整、白黑平衡、黑斑校正調整等。往往在使用一段時間以后，工作狀態發生改變，必須重新進行調整。攝像管的耐震動性能差，工作中需要比較復雜的電源供電系統，這一部分的電路十分復雜，因而故障率比較高。
??? 以后出現了CCD為攝像器件的攝像機。CCD是大規模集成電路（VLSI）的產品。在CCD剛剛出現的時期，某些技術指標，例如信噪比、清晰度、灰度特性的指標還達不到攝像管的水平，還有一些CCD固有的缺陷。但是，隨著VLSI技術的進步，近幾年來，CCD器件的技術指標獲得了長足進展。現在可以說，CCD器件的技術指標已經全面超過了攝像管的指標。這樣，攝像管的攝像機就徹底退出攝像機的市場了。
??? 數字處理攝像機是在CCD器件的基礎上發展起來的。1989年，日本松下公司推出了世界上第一部數字處理攝像機AQ-20時，曾經引發了一場議論。有人認為，在當時的條件下，模擬處理攝像機的功能已經達到十分完美的程度，似乎沒有必要采用數字處理的方法。然而，經過了近十年的實踐，現在事實已經證明了，數字處理具有模擬處理無法比擬的獨特優點。現在新推出的攝像機，毫無例外都是數字處理的攝像機。

二、電視攝像機的三大指標
??? 靈敏度，分解力，信噪比統稱為電視攝像機的三大指標。是攝像機最重要的技術指標。

1、攝像機靈敏度
??? 是在標準攝像狀態下，攝像機光圈的數值。標準攝像狀態指的是，靈敏度開關設置在0DB位置，反射率為89.9％的白紙，在2000勒克司的照度，標準白光（碘鎢燈）的照明條件下，圖像信號達到標準輸出幅度時，光圈的數值稱為攝像機的靈敏度。通常靈敏度可達到F8.0，新型優良的攝像機靈敏度可達到F11。相當于高靈敏度ISO-400膠卷的靈敏度水平。
??? 在攝像機的技術指標中，往往還提供最低照度的數據。在選擇時，這個數據更為直觀，所以具有一定的價值。最低照度與靈敏度有密切的關系，它同時與信噪比有關。最新攝像機的最低照度指標是，光圈在F1.4，增益開關設置在+30DB檔，則最低照度可以達到0.5勒克司。在ENG條件下使用時，可以選擇低照度的攝像機。這樣，在外出攝像時，可以降低對于燈光的要求，甚至在傍晚肉眼看得不清楚的環境下，不用打光，也能攝出可以接受的圖像。對于演播室應用的場合，利用高靈敏度的攝像機，可以降低對于演播室燈光照時的要求。降低演播室內的溫度，改善演職人員的工作條件，降低能源消耗，節約制作的經費。

2、水平分解力
??? 分解力又稱為清晰度。其含義是，在水平寬度為圖像屏幕高度的范圍內，可以分辨多少根垂直黑白線條的數目。例如，水平分解力為850線，其含義就是，在水平方向,在圖像的中心區域，可以分辨的最高能力是，相鄰距離為屏幕高度的850分之1的垂直黑白線條。
??? 現在，高檔的業務級攝像機能夠達到的水平分解力是800線。有的攝像機采用像素錯位的技術，號稱清晰度達到850線。實際上，片面追求很高的分解力是沒有意義的。由于電視臺中的信號處理系統，以及電視接收機中信號處理電路的頻帶范圍有限，特別是錄像機的帶寬范圍的限制，即使攝像機的分解力很高，在信號處理過程中也要遭受損失，最終的圖像不可能顯示出這么高的清晰度。
??? 兩部攝像機，即使具有相同的分解力，但是，圖像信號的調制度不同時，獲得圖像的視覺效果也會大不相同。因此，在比較攝像機優劣時，應該在相同調制度的條件下進行比較，分解力越高，則質量越好。一般攝像機產品沒有提供調制度的數據，在購買時，應該通過對比，以判明優劣。
??? 攝像機的垂直清晰度主要取決于掃描格式，即掃描的行數。因此，對于攝像機的垂直清晰度不必加以考慮。

3、信噪比
??? 表示在圖像信號中包含噪聲成分的指標。在顯示的圖像中，表現為不規則的閃爍細點。噪聲顆粒越小越好。信噪比的數值以分貝（DB）表示。最近，攝像機的加權信噪比可以做到65DB。用肉眼觀察，已經不會感覺到噪聲顆粒存在的影響了。
??? 攝像機的噪聲與增益的選擇有關。一般攝像機的增益選擇開關應該設置在0DB位置進行觀察或測量。在增益提升位置，則噪聲自然增大。反過來，為了明顯地看出噪聲的效果，可以在增益提升的狀態下進行觀察。在同樣的狀態下，對不同的攝像機進行對照比較，以判別優劣。
??? 噪聲還和輪廓校正有關。輪廓校正在增強圖像細節輪廓的同時，使得噪聲的輪廓也增強了，噪聲的顆粒增大。在進行噪聲測試時，通常應該關掉輪廓校正開關。
??? 所謂輪廓校正，是增強圖像中的細節成分。使圖像顯得更清晰，更加透明。如果去掉輪廓校正，圖像就會顯得朦朧，模糊。早期的輪廓校正只是在水平方向進行輪廓校正，現在采用數字式輪廓校正，在水平和垂直方向上都進行校正，所以，其效果更為完善。但是輪廓校正也只能達到適當的程度，如果輪廓校正量太大，則圖像將顯得生硬。此外，輪廓校正的結果將使得人物的臉部斑痕變得更加突出。因此，新型的數字攝像機設置了在膚色區域減少輪廓校正的功能，這是智能型的輪廓校正。這樣，在改善圖像整體輪廓的同時，又保持了人物的臉部顯得比較光滑，改善了演員的形象效果。

三、攝像機的其他主要指標

1、CCD的類型和規格
??? CCD是大規模集成電路制造的光電轉換器件，從字面上翻譯叫做電荷耦合器件，根據制作工藝和電荷轉移方式的不同，可以分為FIT型－幀行間轉移，IT型－行間轉移和FT型－幀間轉移等三種類型。常用的是前兩種類型。FIT型的結構較為復雜，成本較高，性能較好，多為高檔攝像機所采用。IT型價格比較便宜，但可能產生垂直拖尾。近年來，由于技術的進步，拖尾現象有所改進。因其價格較低，故多為業務級攝像機所采用。
??? 根據CCD器件對角線的長度，可以有1/3英寸，1/2英寸和2/3英寸等不同規格。CCD是一種半導體器件，每一個單元是一個像素。攝像機的清晰度主要取決于CCD像素的數目。一般來說，尺寸越大，包含的像素越多，清晰度就越高，性能也就越好。在像素數目相同的條件下，尺寸越大，則顯示的圖像層次越豐富，在可能的條件下，應選擇CCD尺寸大的攝像機，當然價格也就越貴。高級攝像機的像素可能達到60多萬個。在高清晰度攝像機中使用的2/3英寸CCD器件，像素數目甚至高達200萬個。
??? 根據攝像機內使用CCD的數目，分為單片CCD和三片CCD兩種，電視臺使用的攝像機一般都是具有三片CCD的攝像機。RGB分別各由獨立的CCD進行成像。比較低檔的攝像機也可能采用單片CCD，單片式攝像機只用一片CCD器件處理RGB三路信號。其價格比較低廉，相應于彩色重現能力比較差。此外，高級的攝像機也可以使用四片的CCD。除了RGB外，還專門使用一片CCD產生Y信號，以提高處理精度。

2、灰度特性
??? 自然界的景物具有非常豐富的灰度層次，無論是照片，電影，繪畫或電視，都無法絕對真實的重現自然界的灰度層次。因此，灰度級的多少只是一個相對的概念。由于顯像管的發光特性具有非線性，在輸入低電壓區域，發光量的增長速度緩慢，隨著輸入電壓增大，發光效率逐漸增大。然而，攝像器件的光電轉換特性卻是線性的（電真空攝像管和CCD器件都是如此），因此，必須在電路中進行伽碼校正。實際上是從顯像管的電光變換特性反過來來推算伽碼校正電路應該具有的校正量。要想獲得良好的圖像灰度特性效果，主要的措施是，必須準確地調整好攝像機的伽碼特性。
??? 在室內觀察，圖像中最低亮度與最高亮度之比在1：20的范圍內是適當的。如果這個比例太大，長時間觀看的結果，容易產生視覺疲勞。在這個范圍內，灰度層次在11級左右，可以獲得滿意的觀看效果。

3、動態范圍和拐點特性
??? 有時，電視攝像是在強光照明條件下，或者是在太陽光下進行的，某些反射體反射出特別明亮的光點，攝像機將產生特別強的信號。如果不加以限制，那么，在電路的處理過程中，信號可能遭受限幅，也就是說，受到白切割。在顯示的圖像中，將出現一塊慘白，沒有層次的部分，影響了圖像的視覺效果。在電路處理中，是將超亮部分進行逐步壓縮，使得在后續處理中不會出現白切割，在圖像中的超亮部分保留一定程度的層次，則可以大大改善圖像的視覺效果。這種未壓縮的輸入信號與壓縮后輸出信號的幅度關系曲線中，表現為在高幅值位置出現曲線的拐點，這就是拐點處理。攝像機能夠處理輸入光通量超過正常最大光通量的比例，是攝像機的動態范圍。現在，優良攝像機的動態范圍可以達到600％。

4、量化比特數
??? 現代數字攝像機的取樣一般都符合ITU-R 601（即CCIR 601）4：2：2的取樣規格。就是說，Y信號的取樣頻率為13.5兆赫茲，R-Y，B-Y信號的取樣頻率分別為6.75兆赫茲。量化級可以為8、10、12比特。比特級越大，則產生的量化噪聲越小，量化噪聲是數字攝像機的重要固有噪聲源。對于演播室使用的攝像機，應盡可能選用量化比特級高的攝像機。除了量化噪聲小外，在運算和處理中，可以獲得較高的處理和調整精度，得到更好的效果，有的攝像機采用4：4：4的取樣格式，甚至4：4：4：4的取樣格式，是在亮度、兩種色差信號之外，還增加了專用的鍵信號，供信號處理過程中使用。每種信號的取樣頻率都是13.5兆赫茲。因為攝像機一般都采用不壓縮（比特透明）的數字處理方式，因此，信號的碼率非常之高，對于信號處理速度的要求是非常苛刻的。

5、中性濾色片
??? 新型攝像機有時設置多個中性濾色片，濾色片的作用是減少光通量，這是因為，在強光的情況下，由于自動光圈的作用，光圈會變得很小，產生的圖像會顯得比較生硬，鏡頭不能工作在最佳的狀態下。使用適當的中性濾色片，使得自動光圈張大一些，則圖像就會顯得比較柔和，提高了電視圖像的總體效果。

6、鏡頭的選擇
??? 現代攝像機都使用變焦距鏡頭。應該根據實際使用的場合，選擇不同變焦范圍的鏡頭。如果用于攝取會議畫面，通常必須選擇短焦距的變焦鏡頭，有利于攝取廣角畫面。如果用于攝取室外畫面，進行遠距離攝像，例如，攝取野生動物的鏡頭，或需要進行遠距離偷拍時，宜選擇長焦距的變焦鏡頭。可以選擇適當的遠攝倍率鏡或廣角倍率鏡。對于ENG使用的鏡頭，現在，廣角鏡頭的焦距可以做到小于4.8毫米（鏡頭型號A10×4.8BEVM-28）。對于具體的攝像機，成像大小決于CCD的尺寸,像距也是確定的，因此，根據最短焦距可以計算出攝像的張角。最短焦距在4.8毫米時，攝像的張角約在85～90度范圍（與CCD的尺寸有關）。望遠鏡頭的焦距可以做到大于700毫米（鏡頭型號A36×14.5BERD-R28）。有的時候，一部攝像機可以備用2種或多種鏡頭，根據實際使用的需要，可以在適當的時候，更換相應的鏡頭。還有一種稱為魚眼附加器的鏡頭裝置，很適合于某些特定場合（例如偷拍）時使用。鏡頭的另一個重要的參數是最大相對孔徑，相對孔徑越大，則失真越小，光的利用效率就越高。優良的大口徑鏡頭，不僅在中心區域有很高的分辨力，而且在邊緣區域，也具有很高的分辨力，較小的圖像和彩色失真。
??? 彩色還原能力也是攝像機的一個重要特性。但是它難以用測試指標來說明，一般的攝像機廠商也沒有提供關于該性能的指標數據，通常可以根據實際觀察的效果，通過比較進行判斷。
??? 對于電真空型的攝像器件，還有RGB重合精度的指標，對于CCD攝像機，這個指標已經不再成為問題了。

四、數字處理攝像機的優點
??? 下面簡要說明數字處理攝像機的特點。

1、適合于使用計算機處理
??? 在現代的數字處理攝像機中，普遍采用了微處理機（MCP）作為中心處理元件，實現控制、調整、運算的功能，并且采用了多種專用的大規模集成電路，使得攝像機的處理能力，自動化功能獲得極大增強。

2、簡化調整機構和調整方式
??? 模擬攝像機大多數采用調整元件（電位器、可調電容、線圈等）進行調整，許多攝像機的調整元件位于電路板上，因此，必須打開外殼才能實現調整操作，非常不方便。模擬處理攝像機一旦調整失誤，恢復到原來的狀態十分困難，因此，模擬處理攝像機的調整工作一般由經驗豐富的技術人員進行，即便如此，也必須慎重行事，要是調亂了，要恢復到原來的狀態，將是一件非常麻煩的事情。
??? 數字處理攝像機采用菜單顯示，由按鍵進行增減調整。這樣，從用戶的角度來看，本來必須由技術熟練的技術人員進行認真調整的工作，現在，一般的技術人員，甚至攝像員也能夠進行調整。調整好的數據以文件的形式保存在存儲器中，如果對于自已調整好的數據不夠滿意，可以調出機器出廠時（標準的），或者這一次調整前的數據進行比較，因此不必擔心因為經驗不足而把數據調亂。操作者完全可以放心大膽的進行反復調整，以獲得自已滿意的結果。從制造廠家的角度來看，便于實現制造和調試過程的自動化，提高生產效率，降低成本。

3、可以實現精確，細致的調整
??? 從本質上看，數字處理攝像機對于信號進行了變換，將原來的模擬信號變換0，1代碼表示的符號。這樣，數字處理攝像機所處理的是符號，而不是模擬的信號本身。符號具有以下主要的特性：
??? (1)模擬信號在處理和傳輸的過程中，難免產生失真和噪聲，一旦產生了失真和噪聲，降低了信號的質量，就很難恢復；而數字信號具有優良的穩固性，在存儲和傳輸的過程中，不易產生失真。在數字領域，可能出現的問題是誤碼，采取一定的措施，例如，通過信道編碼，采用前向糾錯的方法，可以有效地克服誤碼。當然，在電路設計時，還是應該謹慎小心，不應該讓系統接近崩潰區域，應該在適當的時候進行信號再生。否則，誤碼大得超出了糾錯的能力范圍，將一發而不可收拾。但是，經過正確設計，這種局面完全是可以避免的。
??? 模擬處理的本質是信號復制，因而伴隨著信號失真，數字處理的本質是信號再生，因此可以準確重現無噪聲和失真的信號。

??? (2)模擬信號很難對特定的某一段幅度或者頻率特性單獨進行調整。為了調整其中的某一段特性，可能引起其他部分特性的改變。另一方面，如果需要幾種參數配合調整，就顯得非常困難；在數字處理時，可以對信號的某一部分特性單獨進行調整，例如，單獨進行伽碼校正調整和拐點調整；對于某一段頻率，或者對于某一段幅度電平單獨進行調整，并保持其他部分信號的特性不會改變。此外，還可以將某幾項調整結合在一起，相互關聯，進行配合調整。例如，在應用過程中，往往需要對于色度、對比度、亮度等結合進行相關配合的調整。在模擬條件下，幾乎是做不到的事情，在數字條件下，可以比較容易實現這種類型的功能。
??? 有人說在數字領域，只有想象不到的功能，沒有實現不了的功能。實際情況應該是，只要是合理的想法，數字技術都有能力予以實現。即使當時的計算能力尚有困難，但是，隨著算法、存儲和計算速度等技術的發展，終究能夠得以實現。

??? (3)處理精度高，對于10比特的量化，可以區分為1024個電平等級進行調整，高檔的攝像機可以實現12，14比特，相當于4096，16384電平等級，甚至更高級別的處理。要進行如此精細的調整，模擬的處理方法是無能為力的，只好望洋興嘆了。

五、數字處理攝像機的缺點

1、變換損失
??? 從攝像機的攝像器件（無論是攝像管或CCD）開始，產生的信號都是模擬信號。經過一系列的處理和傳輸以后，在顯像管上顯示圖像時，仍然必須采用模擬信號。由此可知，所謂數字處理，首先是將模擬信號變換為數字信號（ADC），只是在中間的處理和傳輸過程中，采用數字信號的形式，最終，仍需將數字信號變換為模擬信號（DAC）。模數變換和數模變換將產生量化誤差失真。在信號的處理過程中，必須經過各種運算，在運算過程中會產生舍位和進位誤差，如果還要進行碼流變換，將產生新的變換誤差。這些誤差的結果累次疊加，構成總體的損失。因此，任何數字系統，都應該盡可能避免各種類型的信號變換。
??? 增大量化的比特數和信號處理時的比特數可以減小這些誤差，最早的數字處理攝像機AQ-20采用8比特的量化級，相對于256級的量化電平。由此產生的量化損失不容忽略。如果量化比特數提高為10比特，則量化電平可以達到1024級，相應的量化誤差可以達到60dB，其噪聲實際上接近于可以忽略。但是考慮到計算中產生的舍位和進位誤差的積累，優秀的攝像機通常采用12，14甚至更高比特的信號處理器。
??? 攝像機通常采用比特透明的處理方式，即采用非壓縮，全比特的處理方式。因此不存在壓縮和解壓縮引起的質量損失。如果信號采用壓縮的方法進行存儲、加工、傳輸時，則還應該考慮壓縮以及碼流變換造成的質量損失。

2、碼率高，給信號的處理帶來困難
??? 根據ITU-R 601（即CCIR 601）推薦的取樣參數，即4:2:2的取樣方式，Y信號的取樣頻率為13.5兆赫茲，R-Y，B-Y信號的取樣頻率分別為6.75兆赫茲。如果采用8比特量化，則可以計算視頻信號的數據碼率：
????? （13.5+2×6.75）×8=216兆比特/秒
??? 扣除消隱區的無效信息：
????? 216×（64-12）/64×（312.5-25）/312.5=161.46兆比特/秒。
??? 因為同步信息量很少，予以忽略。這里暫不考慮聲音信號的信息。
??? 由此可知，量化比特數為8時，視頻信號的碼率仍然高達161兆比特。也就是說，攝像機每秒鐘必須處理1.6億比特的數據量。如果采用10，12，14比特的量化級，則數據量還要按比例急劇增加。由此可知，數字處理攝像機的數據處理量是大的異常驚人的。而且，攝像機是所有處理都必須是實時處理。因此，對于內裝的IC和微處理器的運算能力和運算速度提出了十分苛刻的要求。

3、功耗大
??? 如上所述，數字處理攝像機必須高速處理極其巨大的數據量，每一步運算都伴隨著能量消耗。因此，早期的數字處理攝像機的溫升很高。特別是主要處理電路板上的VLSI，竟然達到發燙的程度。顯然，功耗引起溫升，是不穩定和造成故障的根源。功耗大增加了供電電源的負擔。在許多場合下，攝像機由充電蓄電池供電工作，由于功耗大，同樣的電池只能夠工作較短的時間，給實際工作帶來諸多不便。攝像機的功能越來越強，則信號數據的處理工作量越來越大，能量的消耗也就越來越大。另一方面，由于算法的改進，以及集成電路技術的進步，功耗不斷下降，這是辨證的發展過程。
??? 可以預測，現有數字攝像機的缺點，隨著技術的發展將逐步得以克服。