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【技术文章】

没有胶片的摄影机
薛殿玉
本文作者薛殿玉先生，北京科学教育电影制片厂教授级高级工程师。
关键词：数字摄影机　胶片摄影机　传感器　D-20 　　自从HDTV面世以来，一向以胶片摄影机著称的德国ARRI公司在不断推出高质量胶片摄影机的同时，还涉足数字电影研究，取得了引人关注的成果。最近该公司公布了其数字摄影机的研发情况。笔者有机会采访了ARRI摄影机技术顾问Marc Shipman-Mueller先生。　　薛殿玉：ARRI为什么要涉足数字摄影机研究？对模拟向数字的转变、电子摄影对胶片摄影的影响，以及35mm胶片是否将被取代等业内关注的热点问题，ARRI有何看法？　　Marc Shipman-Mueller：由于数字技术的发展，胶片摄影遇到了挑战，于是ARRI在多年前就开始投入数字电影研究，目的是比较电子和胶片摄影的画面质量。许多人可能还记得，2001年在故事短片《爱的轮回》中，多台胶片摄影机和高清摄像机同时应用于现场拍摄，胶片摄影机使用了ARRIFLEX 535B、ARRICAM ST、ARRIFLEX 765及16SR3等机型，而数字摄影使用了Sony的24P HDW-F900。对拍摄结果进行比较，结论是胶片的画面质量远优于高清，在现场拍摄环境中，胶片取得的效果更佳。从图1的对比画面可以清楚地看到差别，在大屏幕放映时，24P在表现人物和场景的细部及处理低照度灯光场景明显有困难和局限性；而胶片能更好地处理曝光不足或曝光过度及复杂的灯光环境，它是捕捉画面的更好工具。

业内很多专家预测，电影技术从模拟到数字的演变会经历三个阶段，即电视剧4～8年、广告片6～15年、故事片8～20年。一些专家对广告片和故事片拍摄胶片被完全取代仍然持怀疑态度，它在解析率、宽容度、对比度、色彩层次等方面远优于目前的高清格式。因此，对于“35mm胶片将被取代”这一观点，ARRI公司认为：不论是目前、还是可预见的未来，仍缺乏技术基础和经济模式。有专家认为，从胶片转向数字的过程会比预计的更长。但是面向电视传播的应用，时间和成本是关键因素，数字画面捕捉将成为一种可行的选择。因此美国摄影技术委员会主席Steven Poster说：“胶片是用于电影的，高清是用于电视的”。　　薛：ARRI在数字电影研究方面进展如何？　　Mueller：在数字电影研究中，我们拍摄了很多测试短片，在实验室进行分析，并与业内专家频繁地沟通。此外，还定期对电子和胶片摄影机的图像质量进行对比测试。　　除了这些测试，我们还与其他公司合作研究图像感应技术。如与Lockheed-Martin一起研制了实验用CCD摄影机(如图2)，它拥有3个12兆象素传感器，目标是制造一台画面质量相当于35mm胶片的数字摄影机。结果画面解析度出奇得高，4k图像，没有瑕疵；但是，传感器的宽容度不够，画面有分割边界，另外，对于每秒8.5GB的图像数据，目前还没有比较经济的储存媒介。通过实践我们认为，目前还不可能制造出与35mm胶片摄影机具有同等画质、体积和成本的数字摄影机。

ARRI在欧洲研究项目Meta Vision中与其他多家机构一道，研究开发数字图像数据的捕捉和数据处理技术，目的是应用到专业拍摄环境中，并希望摸索出拍摄制作链上可行的经济模式。而要制造紧凑经济的机身和达到便携式存储媒介(记录载体)，还须进一步研究和努力。面向电视传播应用，我们推出了D-20数字摄影机研究项目。　　薛：D-20与目前市场上已经实用的高清摄像机有什么不同？　　Mueller：它是面向电视应用并具有电影风格的数字摄影机，但现在还不是一个产品(图3)。与高清摄像机不同，它　　保持了胶片摄影机的工作习惯和35mm电影镜头所能提供的创作空间，动态范围和彩色还原也比高清摄像机更好，而且记录的原始数据可以保存。无论是外型、还是操作感觉，它都更像一台摄影机。另外它不会太贵，不会在短期内就被淘汰。　　我们在研究了当今所有传感器技术之后，最终选择了CMOS传感器。它是单一的传感器，带Bayer色罩，也就是说，象素上有特殊排列的红绿蓝滤色镜。如图4。　　D-20就是采用了这种特殊设计的单个为600万象素的CMOS传感器，图像记录格式为高清/标清或4∶4∶4 RGB原始数据输出。除了高解析度外，传感器的选择完全符合摄影的最基本要求，即大动态范围、高色彩保真度(Bayer色彩罩)、可在变格中捕捉画面、使用35mm电影镜头、与35mm胶片摄影机有同样的像场和景深。为了获得最佳的焦点和构图，光学取景器和旋转叶子板与ARRI摄影机十分相似，让摄影师可以看到比传感器捕捉到的更大的画面范围，而光学取景器无需供电。　　薛：为什么选择CMOS传感器? 　　Mueller：我们认为目前CMOS相对于其他技术具有许多优势，如曝光宽容度高、色彩保真度优良、可以变格拍摄、采用模块化设计便于升级等。它与CCD传感器不同，从CMOS传感器任意部位都可以读出数据，这就方便不同的画幅宽高比，并且可以适应不同的片速。摄影机上的传感器部分是模块式的，便于升级，这在高清摄像机上是不可能的。 CMOS传感器的靶面大小为24mm×18mm，象素为2880×2160，像点大小为8.25μm×8.25μm；35mm胶片感光面积为24mm×18mm；而2/3" CCD传感器的靶面大小为9.4mm×5.3mm，象素为1920×1080，像点大小为4.9μm×4.9μm。大面积传感器的一个好处是，每一个象素都更大，可以采集到更多光线，因而信噪比会更好。　　薛：D-20在图像数据处理方面有什么特点？　　Mueller：D-20具有6兆象素、高传输速率，32个平行工作的12b A/D转换器连接内部数据总线输出图像数据，码率可以高达10Gb/s，即可在1s内填满一张光盘。但这时的数据依然是原始的，这里包含了所有描述画面的信息，但不能被显示。　　D-20同时具有在线数据处理通道，在机器内部进行实时画面重组，通过单一接口输出的是标准视频数据流。对应高清格式是1920×1080象素，虽然这样的分辨率比传感器低，但图像捕捉的采样频率“过高”带来的画面质量，好于按照输出格式来捕捉的图像。　　薛：D-20有哪些图像数据存储和输出格式？　　Mueller：D-20的图像数据输出没有固定哪一种现有的记录格式，而是设计成一个灵活界面，可以支持多种记录格式。硬件是基于行业标准HD-SDI接口，可以平行安装3个码率为1.5Gb/s的接口。　　为使存储输出部分可以使用多年，我们设计了内置的10Gb/s高速数据总线。传感器的数据通过总线到达后部。目前D-20有三种输出选择。最直接的存储格式是2个平行HD-SDI接口，把传感器取得的原始Bayer数据直接输出存储到硬盘区。数据一旦记录下来，图像则以离线的过程重新组合。这种方法的好处是摄影机所捕捉到的数据都原封不动，没有内部压缩处理，重组图像的质量独立于压缩处理的速度和数据量。但这种数据必需脱机处理，也就是说图像不能直接观看和评估，就像电影负片一样需要先洗印。第二种输出是实时HD 1920×1080 YUV(4∶2∶2)信号。第三种输出是实时SD Video(标清视频信号)。　　D-20后部的设计也是模块式的，如果需要其它输出选择，可以插入不同的输出电路板。　　D-20在变格拍摄方案的模式下，摄影的拍摄是72fps，原始数据的输出是通过2个HD-SDI接口连接到一对ARRI特殊研制的编码器上。每3张图像中，一张传输全部数据，其它2张则大比例压缩，这样数据的大小更适合管理，而72fps以下的任意输出格数都可以进行序列重组，甚至可以满足升降格。　　薛：ARRI计划何时推出实用型产品？　　Mueller：D-20还不是一个产品，之所以在研发阶段展示给大家，目的是为了客户的反馈意见，以便进一步改进，使之符合市场的要求。　　由于当前技术的局限性，许多方面还需要进一步完善，比如：处理捕捉到的大量图像数据的记录技术目前还不能做达到便携；还要研究寻找适合的记录系统以便处理高数据流；图像处理还需优化；需要寻找合理的工作流；等等。我们计划2004年生产出原始机型提供试用，2005年推出实用型数字摄影机产品。
	来源：《世界广播电视》