【技术文章】
| 广播用数字摄像机 | |
| 李国燃 | |
| 本文作者李国燃先生，中央电视台教授级高级工程师 | |
| 关键词：全数字摄像机 CCD器件 DSP 量化 4:3/16:9切换 摄录一体机 1989年松下AQ-20数字处理摄像机的上市，揭开了广播用摄像机由模拟向数字进军的序幕。随着技术的发展，广播用数字摄像机已从数字处理型向全数字型，从标准清晰度型向高清晰度型迈进。今天，数字摄像机已经广泛应用在演播室、转播车、EFP、ENG等场合，大大提高了电视节目的技术质量。本文将从七个方面探讨数字摄像机的发展。 一 关键在于CCD器件 作为摄像机的光电转换器件，固态电荷耦合器(CCD)取得了长足的进步。主要表现在： 1. 克服CCD器件垂直拖影的缺陷 垂直拖影是CCD器件固有的缺陷，即在强光点上下容易产生垂直亮条。其是由CCD器件中连续的电荷细流通过图像传感器的“空穴”漏入垂直寄存器中而形成的污斑所致。早期的IT CCD摄像机尤为明显。防止垂直拖影最有效的方法是改进CCD结构。例如，在IT CCD中设置纵向溢流沟道，排除高亮度形成的多余电荷；在FIT CCD中增加一个存储区，并且提高垂直转移速度，保证电荷的正常转移，使垂直拖影最小。FT CCD 摄像机中设计了精确同步的机械快门，在电荷转移时既能有效挡住入射光线，使象素不起光电转换作用，又能避免垂直拖影的产生。Sony推出的IT-HAD摄像器件，即使对准强光拍摄，也难以察觉垂直拖影，其性能比FIT 器件毫不逊色。 2. 提高CCD器件的灵敏度、信杂比 CCD器件的小型化和高密度化，会造成灵敏度下降。为了提高灵敏度，一般采用以下方法： a. 改进光敏器件的结构，提高光电转换效率。 b. 扩大有效光面积，提高开口率。 c. 采用带微透镜的CCD器件，增强光收集能力，提高入射光的利用率。 d. 在电路上采用10b或12b A/D变换器和高比特的数字运算处理，以取得高信杂比、大动态范围。 e. 采用电子制冷器，保证CCD器件恒温工作。 3. 提高CCD器件的分解力 最有效的方法就是增加CCD的象素数。过去，象素数最多可做到40～50万个，为了提高摄像机分解力，不得不在电路上做文章，如采用双G电路等。现在，2/3"、60万象素数的IT/FIT/ FT CCD制造技术都已成熟，并已运用到广播用数字摄像机中；50万以下象素的 CCD一般降为专业级使用。60万象素的CCD，在水平方向具有1000个象素，水平分解力可达750线(4:3)。为使水平分解力达到1000线(16:9)，CCD在水平方向需要1920个象素，总象素应为200万个以上。不过，200万象素的 CCD生产成本非常高，因此HDTV数字摄像机价格不菲。 4. 新器件的研制 据介绍，国内外正在研制新型真空微电子平板摄像器件，它具有摄像管、CCD的优点，制造简单。在2/3"面积上可做到2500万个象素，能完全吸收入射光，功耗也很小。一旦实用化，数字摄像机很可能发生质的变化。 二 10b还是12b量化 量化比特数n与量化信杂比成正比的关系，其公式如下：S/N=(6n+10.8)dB 不难看出，每增加1b，信杂比提高6dB。根据公式，必须确保8b以上的量化，才能满足60dB以上的量化信杂比。采用10b量化，量化信杂比可达70dB。因此大部分数字摄像机采用10b A/D变换器。 实际上，A/D变换器的输入都高于100%，达到140～200%，这样量化噪音将增加：输入取140%，则信杂比下降3dB；取200%，则信杂比下降6dB。当输入取200%时，采用10b量化，其信杂比达64.8dB，仍然大于60dB。但是，CCD器件的动态范围已达到600%，如果用10b量化，就会导致0～100%视频量化粗糙、丢失信息、信杂比下降。因此，不得不在A/D变换器前进行预拐点或预伽玛处理，将600%的信号压缩至226%，相当于1023量化级。如图1所示，使用12b量化，可以直接把600%视频信号变换成具有4095量化级，使暗区杂波减少，高光区不发白。这样预拐点或预伽玛等非线性处理就可直接在数字域进行。 必须指出，CCD是一种模拟器件，因此数字处理都是在预放器之后。所谓的全数字摄像机，它除包含数字处理外，其输出是数字而非模拟视频信号。 三 数字处理 数字摄像机一般采用1～2块超大规模集成电路，完成全部数字处理项目。这些数字处理(DSP)芯片的设计主要考虑运算速度、尺寸大小、功耗、功能和价格等因素。由于采用LSI、微机控制、数据存取、高比特运算等技术，凸显了数字摄像机的优势。体现在： 1. 高性能、低功耗、小型化。 2. 采用微机控制，不仅减少了调节电位器，而且数字电平基本不受环境如温度、震动等影响，加上故障自诊断电路，提高了摄像机的稳定性、可靠性。 3. 采用数字处理，使得高亮度压缩、伽玛校正等非线性处理更容易、更精确。 4. 产生多种形式的数字轮廓，如斜边轮廓、肤色轮廓和提升频率可调的轮廓电路，以及暗区轮廓、软轮廓、纤细轮廓等。此外，还采用了行存储器代替模拟轮廓中的超声延时线，使结构简化、体积减小。 5. 提供各种运算精确的非线性校正，如伽玛校正、黑扩展和黑压缩、真彩色数字高亮度压缩。 (a)伽玛校正 在模拟电路中，一般使用晶体管的非线性或三段折线接近方法，达到近似的伽玛曲线。数字电路中可选择更多的折线接近方法进行精确计算，保证了R、G、B伽玛特性的一致性。经数字伽玛处理后，能使黑背景下的柔和对比加强，亮背景下饱和色彩对比强烈，达到类似电影胶片的效果。 (b)黑扩展、黑压缩 这两种校正是在较低电平下进行的，不会影响亮区的图像质量。采用黑扩展技术可使暗区伽玛值提高4~5倍，从而改善暗区的细节和灰度层次。黑压缩是用来改善暗区的亮度反差，提高被摄主体灰白部分的亮度，以突出被摄主体。 (c)真彩色数字高亮度压缩 常规高亮度压缩采用的拐点电路，会产生彩色图像中的色调与饱和度随压缩而变化的问题。这是其顶部Y信号的压缩曲线对R、G、B三基色不同所致。所以高亮度压缩必须对信号的亮度、色度或饱和度等进行折中处理。采用数字处理，容易优化这种处理。 6. 准确的彩色校正。彩色校正电路分为线性与可变性矩阵。前者用于补偿分光棱镜的分光特性，实现色还原；后者用于特殊照明下进行色还原补偿，或多台摄像机之间的色匹配调整。采用数字处理，使得矩阵系数精度高、重复性强、操作简单，容易实现多机拍摄的色匹配。 7. IC存储卡。 用户可以通过摄像机单元的菜单操作，把调整好的数据存入IC卡中，也可以从中调出所需数据。 四 4:3 与16:9切换 由于16:9画面的视觉效果较好，因此HDTV采用了16:9格式。为了适应宽屏幕画面的节目制作需要，现在的SDTV数字摄像机都具有4:3/16:9宽高比切换功能。但是，在保持相同的水平分解力和在相同的基准上进行4:3/16:9切换，是一个难题。那么，数字摄像机是如何解决这个问题的呢？归纳起来有三种方法。 1. 利用CCD器件自身，通过CCD驱动法达到水平切换或垂直切换的目的。 (a)水平切换。主要用于IT、FIT 16:9 CCD器件。如池上HK-388W(PW)和汤姆逊1657D/1557D Wide FX等数字摄像机。采用不同取样频率，进行高速转换，切去两边各1/8图像，如图2a所示。采用这种方法，数字摄像机在16:9状态下使用全部象素；而在4:3时仅使用70%的象素，其分解力必然下降。 (b)垂直切换。 用于飞利浦4:3 FT CCD器件的LDK-20S数字摄像机。该机配备了飞利浦独特的动态象素管理(DPM)传感器，能瞬间完成4:3/16:9之间的切换，并能保持水平和垂直分解力均不变，实现了与16:9的兼容，如图2b所示。DPM没有改变CCD成像区域的水平尺寸，而仅改变垂直尺寸。在4:3时每4行CCD象素合成一个扫描行，而在16:9时每3行CCD象素合成一个扫描行，保证了垂直尺寸减小而水平扫描行不变，因此水平与垂直分解力不变。用奇偶场之间的相关性，对各行进行加权和插值计算，以达到准确的2:1隔行比。 2．数字电路处理方法。 这种方法是在不影响CCD器件正常工作下，使用存储电路和改变输入/输出时钟频率而得到的。如图3所示。松下的AQ-235W/23W和日立的SK-2800PW 都是采用此方法。 3. 4:3与16:9 CCD组件的机械性更换。采用此法更换组件很不方便，但4:3图像格式具有较高的水平分解力。 五 数字信号的传送电缆 摄像机头的信号通过电缆可以达到CCU。模拟摄像机早期采用多芯电缆，因传输距离短、传输特性差，而代之以宽带三同轴电缆。根据传送信号带宽和信号格式可以分成三种：超宽带三同轴电缆，传送G 12MHz、R/B 10MHz信号；长距离宽带三同轴电缆，传送G 7MHz、R/B 6MHz信号；宽带三同轴电缆，传送Y 10MHz、U/V 6MHz信号。这三种电缆容许传输距离为1～3m。数字信号占用的频带宽，不能直接传送，因此在数字摄像机头中必须先经D/A转换成模拟R、G、B或Y、U、V信号，然后用宽带三同轴电缆传送至CCU，再经A/D转换成数字信号。由于这种反复转换会带来信号劣化，数字摄像机一般采用下列两种方法传送。 a. 光缆传送 松下率先在AQ-235W/23W数字摄像机上使用光缆。由于光缆传送具有宽带、无信号劣化、抗干扰性强等优点，传送距离可超过20km。HDTV数字摄像机如池上的HDK79D也采用光缆。但是，光缆也存在一些缺点，如不易维护，价格高，拆装电缆接头时容易进入灰尘，会阻断光路造成故障。 b. 数字时分复用三同轴电缆 日立SK-2700系列就是采用这种电缆，总数据率约为360kb/s，可实现数字双向传送。数字三同轴系统的优势在于价格适中、易于维护；其缺点是传输距离较短。对于8.6、13.2和16.2mm直径的电缆，最大传输距离分别为200、240和400m。 六 数字摄录一体机 数字摄、录像机的相继问世，促进了全数字摄录一体机的发展。Sony较早推出了BVW-700P数字处理摄录一体机，它采用10b A/D变换、Hyper HAD 1000 FIT CCD，水平分解力达850线。此后又推出DVW-700 WSP 16:9/4:3可切换数字Betacam摄录一体机。 NDS-11是池上推出的数字新闻采访一体机，它使用硬盘记录，实现了从拍摄到编辑、播出的无磁带化。 与磁带相比，硬盘对环境的适应能力很强，在任何恶劣环境中也能稳定工作。但硬盘具有抗震性能差、存储容量小、价格高及不易更换等缺点，制约了它的应用。因此，松下、Sony推出了小型、轻量、价廉、质量高的磁带记录的数字摄录一体机。 选择什么样的记录媒体，是磁带、硬磁盘，还是可擦录光盘甚或其它，是人们关注的焦点。光盘兼有磁带、硬盘的优点，能否成为今后数字摄录一体机的最佳记录媒体，还有待考验。 七 镜头 对于CCD摄像机而言，3块CCD芯片是在摄像机厂经严格检测固定到分光棱镜上的，没有任何可调装置，因此，要保证CCD摄像机图像质量，就要选择与其相适配的镜头。选用镜头时，须考虑以下因素： |
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| (1)采用标准化设计，包括R、G、B成像面的位置、安装方式、电子系统接口。 |
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| 广播用CCD摄像机对镜头要求高，价格也就较贵。各镜头厂家也在努力采用新材料、新工艺和新设计提高镜头质量。例如：佳能(Canon)采用低色差玻璃和萤石材料，以减小色差、增强镜头的互换性；采用多层抗反射涂覆技术，提高光传输率、减小光晕；设计新型调焦透镜组和变焦透镜组光学结构，达到畸变校正。此外，佳能还推出方形遮光罩的内聚焦镜头，可防止有害光通量摄入，减小图像重影、寄生光斑及宽角度取景的失真。富士能(Fujinon)采用非球面技术，以减小球面像差、提高对比度和分解力；同时把微处理技术用到镜头控制上，推出了数字镜头系列。这种镜头具有变焦记忆、变焦模式设定、快速变焦、变焦自动导航等功能，性能大大提高。 至于摄像机镜头的配置，要根据用途来定，例如ENG要求小型、轻量、机动性好，对温度、湿度、风沙等环境的适应能力强等。演播室摄像机一般要求大口径、高灵敏度、高质量的镜头。根据拍摄场景，可采用特制的广角镜头或望远镜头。对于16:9/4:3切换的摄像机镜头，要考虑视角变化的补偿问题。对于HDTV摄像机镜头，要考虑16:9边缘的几何失真问题。 八 结束语 广播用数字摄像机发展到今天，已很难从单一技术指标、价位、正常条件拍摄的画面等方面来比较。面对琳琅满目的数字摄像机产品，选购时除了要考虑其技术含量、性能价格比外，还要考虑两点：一是用户自身的经济实力、用途、机型的连贯性和可发展性；二是厂商提供的产品配置、产品的稳定性和售后服务。 |
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| 来源：《世界广播电视》 | |