数码摄像机技术指标及选型知识

数码摄像机技术指标及选型知识

除了利用字幕机或计算机动画设备制作电视图像外，电视节目制作的第一步都是利用摄像机摄取画面。摄像机是产生电视素材信号的最主要设备。如果素材信号的质量不高，那么，要制作质量上乘的作品简直就是天方夜谈。一般来说，经过处理，记录，传输以后，信号质量总会产生不同程度的劣化，很难有明显提高。因此，选择优良的摄像机具有非常重要的意义。近年来，摄像机技术取得了长足的进展。CCD摄像器件逐渐取代了真空管的摄像器件，后来又出现了数字处理的摄像机。
    数字处理摄像机问世至今，仅只10年。刚开始时，数字处理摄像机还存在若干不足之处。所以，在一段时期中，数字处理摄像机和传统的模拟处理摄像机并行存在，平分秋色。随着技术的飞速发展，现在，数字处理摄像机的功能和技术指标已经全面超过模拟处理的摄像机。因此，模拟处理的摄像机已经难免淘汰的命运。本文阐述CCD摄像机的主要指标，数字处理摄像机的若干特点以及将来发展的方向，供选择摄像机时作为参考。

一、摄像机发展的简要历程
    最早的电视摄像机以电真空摄像管作为摄像器件。摄像管在工作之前必须进行预热，时间长了以后，工作状态容易发生漂移。摄像管本身有多项调整，例如重合调整、机械聚焦、电聚焦调整、白黑平衡、黑斑校正调整等。往往在使用一段时间以后，工作状态发生改变，必须重新进行调整。摄像管的耐震动性能差，工作中需要比较复杂的电源供电系统，这一部分的电路十分复杂，因而故障率比较高。
    以后出现了CCD为摄像器件的摄像机。CCD是大规模集成电路（VLSI）的产品。在CCD刚刚出现的时期，某些技术指标，例如信噪比、清晰度、灰度特性的指标还达不到摄像管的水平，还有一些CCD固有的缺陷。但是，随着VLSI技术的进步，近几年来，CCD器件的技术指标获得了长足进展。现在可以说，CCD器件的技术指标已经全面超过了摄像管的指标。这样，摄像管的摄像机就彻底退出摄像机的市场了。
    数字处理摄像机是在CCD器件的基础上发展起来的。1989年，日本松下公司推出了世界上第一部数字处理摄像机AQ-20时，曾经引发了一场议论。有人认为，在当时的条件下，模拟处理摄像机的功能已经达到十分完美的程度，似乎没有必要采用数字处理的方法。然而，经过了近十年的实践，现在事实已经证明了，数字处理具有模拟处理无法比拟的独特优点。现在新推出的摄像机，毫无例外都是数字处理的摄像机。

二、电视摄像机的三大指标
    灵敏度，分解力，信噪比统称为电视摄像机的三大指标。是摄像机最重要的技术指标。

1、摄像机灵敏度
    是在标准摄像状态下，摄像机光圈的数值。标准摄像状态指的是，灵敏度开关设置在0DB位置，反射率为89.9％的白纸，在2000勒克司的照度，标准白光（碘钨灯）的照明条件下，图像信号达到标准输出幅度时，光圈的数值称为摄像机的灵敏度。通常灵敏度可达到F8.0，新型优良的摄像机灵敏度可达到F11。相当于高灵敏度ISO-400胶卷的灵敏度水平。
    在摄像机的技术指标中，往往还提供最低照度的数据。在选择时，这个数据更为直观，所以具有一定的价值。最低照度与灵敏度有密切的关系，它同时与信噪比有关。最新摄像机的最低照度指标是，光圈在F1.4，增益开关设置在+30DB档，则最低照度可以达到0.5勒克司。在ENG条件下使用时，可以选择低照度的摄像机。这样，在外出摄像时，可以降低对于灯光的要求，甚至在傍晚肉眼看得不清楚的环境下，不用打光，也能摄出可以接受的图像。对于演播室应用的场合，利用高灵敏度的摄像机，可以降低对于演播室灯光照时的要求。降低演播室内的温度，改善演职人员的工作条件，降低能源消耗，节约制作的经费。

2、水平分解力
    分解力又称为清晰度。其含义是，在水平宽度为图像屏幕高度的范围内，可以分辨多少根垂直黑白线条的数目。例如，水平分解力为850线，其含义就是，在水平方向,在图像的中心区域，可以分辨的最高能力是，相邻距离为屏幕高度的850分之1的垂直黑白线条。
    现在，高档的业务级摄像机能够达到的水平分解力是800线。有的摄像机采用像素错位的技术，号称清晰度达到850线。实际上，片面追求很高的分解力是没有意义的。由于电视台中的信号处理系统，以及电视接收机中信号处理电路的频带范围有限，特别是录像机的带宽范围的限制，即使摄像机的分解力很高，在信号处理过程中也要遭受损失，最终的图像不可能显示出这么高的清晰度。
    两部摄像机，即使具有相同的分解力，但是，图像信号的调制度不同时，获得图像的视觉效果也会大不相同。因此，在比较摄像机优劣时，应该在相同调制度的条件下进行比较，分解力越高，则质量越好。一般摄像机产品没有提供调制度的数据，在购买时，应该通过对比，以判明优劣。
    摄像机的垂直清晰度主要取决于扫描格式，即扫描的行数。因此，对于摄像机的垂直清晰度不必加以考虑。

3、信噪比
    表示在图像信号中包含噪声成分的指标。在显示的图像中，表现为不规则的闪烁细点。噪声颗粒越小越好。信噪比的数值以分贝（DB）表示。最近，摄像机的加权信噪比可以做到65DB。用肉眼观察，已经不会感觉到噪声颗粒存在的影响了。
    摄像机的噪声与增益的选择有关。一般摄像机的增益选择开关应该设置在0DB位置进行观察或测量。在增益提升位置，则噪声自然增大。反过来，为了明显地看出噪声的效果，可以在增益提升的状态下进行观察。在同样的状态下，对不同的摄像机进行对照比较，以判别优劣。
    噪声还和轮廓校正有关。轮廓校正在增强图像细节轮廓的同时，使得噪声的轮廓也增强了，噪声的颗粒增大。在进行噪声测试时，通常应该关掉轮廓校正开关。
    所谓轮廓校正，是增强图像中的细节成分。使图像显得更清晰，更加透明。如果去掉轮廓校正，图像就会显得朦胧，模糊。早期的轮廓校正只是在水平方向进行轮廓校正，现在采用数字式轮廓校正，在水平和垂直方向上都进行校正，所以，其效果更为完善。但是轮廓校正也只能达到适当的程度，如果轮廓校正量太大，则图像将显得生硬。此外，轮廓校正的结果将使得人物的脸部斑痕变得更加突出。因此，新型的数字摄像机设置了在肤色区域减少轮廓校正的功能，这是智能型的轮廓校正。这样，在改善图像整体轮廓的同时，又保持了人物的脸部显得比较光滑，改善了演员的形象效果。

三、摄像机的其他主要指标

1、CCD的类型和规格
    CCD是大规模集成电路制造的光电转换器件，从字面上翻译叫做电荷耦合器件，根据制作工艺和电荷转移方式的不同，可以分为FIT型－帧行间转移，IT型－行间转移和FT型－帧间转移等三种类型。常用的是前两种类型。FIT型的结构较为复杂，成本较高，性能较好，多为高档摄像机所采用。IT型价格比较便宜，但可能产生垂直拖尾。近年来，由于技术的进步，拖尾现象有所改进。因其价格较低，故多为业务级摄像机所采用。
    根据CCD器件对角线的长度，可以有1/3英寸，1/2英寸和2/3英寸等不同规格。CCD是一种半导体器件，每一个单元是一个像素。摄像机的清晰度主要取决于CCD像素的数目。一般来说，尺寸越大，包含的像素越多，清晰度就越高，性能也就越好。在像素数目相同的条件下，尺寸越大，则显示的图像层次越丰富，在可能的条件下，应选择CCD尺寸大的摄像机，当然价格也就越贵。高级摄像机的像素可能达到60多万个。在高清晰度摄像机中使用的2/3英寸CCD器件，像素数目甚至高达200万个。
    根据摄像机内使用CCD的数目，分为单片CCD和三片CCD两种，电视台使用的摄像机一般都是具有三片CCD的摄像机。RGB分别各由独立的CCD进行成像。比较低档的摄像机也可能采用单片CCD，单片式摄像机只用一片CCD器件处理RGB三路信号。其价格比较低廉，相应于彩色重现能力比较差。此外，高级的摄像机也可以使用四片的CCD。除了RGB外，还专门使用一片CCD产生Y信号，以提高处理精度。

2、灰度特性
    自然界的景物具有非常丰富的灰度层次，无论是照片，电影，绘画或电视，都无法绝对真实的重现自然界的灰度层次。因此，灰度级的多少只是一个相对的概念。由于显像管的发光特性具有非线性，在输入低电压区域，发光量的增长速度缓慢，随着输入电压增大，发光效率逐渐增大。然而，摄像器件的光电转换特性却是线性的（电真空摄像管和CCD器件都是如此），因此，必须在电路中进行伽码校正。实际上是从显像管的电光变换特性反过来来推算伽码校正电路应该具有的校正量。要想获得良好的图像灰度特性效果，主要的措施是，必须准确地调整好摄像机的伽码特性。
    在室内观察，图像中最低亮度与最高亮度之比在1：20的范围内是适当的。如果这个比例太大，长时间观看的结果，容易产生视觉疲劳。在这个范围内，灰度层次在11级左右，可以获得满意的观看效果。

3、动态范围和拐点特性
    有时，电视摄像是在强光照明条件下，或者是在太阳光下进行的，某些反射体反射出特别明亮的光点，摄像机将产生特别强的信号。如果不加以限制，那么，在电路的处理过程中，信号可能遭受限幅，也就是说，受到白切割。在显示的图像中，将出现一块惨白，没有层次的部分，影响了图像的视觉效果。在电路处理中，是将超亮部分进行逐步压缩，使得在后续处理中不会出现白切割，在图像中的超亮部分保留一定程度的层次，则可以大大改善图像的视觉效果。这种未压缩的输入信号与压缩后输出信号的幅度关系曲线中，表现为在高幅值位置出现曲线的拐点，这就是拐点处理。摄像机能够处理输入光通量超过正常最大光通量的比例，是摄像机的动态范围。现在，优良摄像机的动态范围可以达到600％。

4、量化比特数
    现代数字摄像机的取样一般都符合ITU-R 601（即CCIR 601）4：2：2的取样规格。就是说，Y信号的取样频率为13.5兆赫兹，R-Y，B-Y信号的取样频率分别为6.75兆赫兹。量化级可以为8、10、12比特。比特级越大，则产生的量化噪声越小，量化噪声是数字摄像机的重要固有噪声源。对于演播室使用的摄像机，应尽可能选用量化比特级高的摄像机。除了量化噪声小外，在运算和处理中，可以获得较高的处理和调整精度，得到更好的效果，有的摄像机采用4：4：4的取样格式，甚至4：4：4：4的取样格式，是在亮度、两种色差信号之外，还增加了专用的键信号，供信号处理过程中使用。每种信号的取样频率都是13.5兆赫兹。因为摄像机一般都采用不压缩（比特透明）的数字处理方式，因此，信号的码率非常之高，对于信号处理速度的要求是非常苛刻的。

5、中性滤色片
    新型摄像机有时设置多个中性滤色片，滤色片的作用是减少光通量，这是因为，在强光的情况下，由于自动光圈的作用，光圈会变得很小，产生的图像会显得比较生硬，镜头不能工作在最佳的状态下。使用适当的中性滤色片，使得自动光圈张大一些，则图像就会显得比较柔和，提高了电视图像的总体效果。

6、镜头的选择
    现代摄像机都使用变焦距镜头。应该根据实际使用的场合，选择不同变焦范围的镜头。如果用于摄取会议画面，通常必须选择短焦距的变焦镜头，有利于摄取广角画面。如果用于摄取室外画面，进行远距离摄像，例如，摄取野生动物的镜头，或需要进行远距离偷拍时，宜选择长焦距的变焦镜头。可以选择适当的远摄倍率镜或广角倍率镜。对于ENG使用的镜头，现在，广角镜头的焦距可以做到小于4.8毫米（镜头型号A10×4.8BEVM-28）。对于具体的摄像机，成像大小决于CCD的尺寸,像距也是确定的，因此，根据最短焦距可以计算出摄像的张角。最短焦距在4.8毫米时，摄像的张角约在85～90度范围（与CCD的尺寸有关）。望远镜头的焦距可以做到大于700毫米（镜头型号A36×14.5BERD-R28）。有的时候，一部摄像机可以备用2种或多种镜头，根据实际使用的需要，可以在适当的时候，更换相应的镜头。还有一种称为鱼眼附加器的镜头装置，很适合于某些特定场合（例如偷拍）时使用。镜头的另一个重要的参数是最大相对孔径，相对孔径越大，则失真越小，光的利用效率就越高。优良的大口径镜头，不仅在中心区域有很高的分辨力，而且在边缘区域，也具有很高的分辨力，较小的图像和彩色失真。
    彩色还原能力也是摄像机的一个重要特性。但是它难以用测试指标来说明，一般的摄像机厂商也没有提供关于该性能的指标数据，通常可以根据实际观察的效果，通过比较进行判断。
    对于电真空型的摄像器件，还有RGB重合精度的指标，对于CCD摄像机，这个指标已经不再成为问题了。

四、数字处理摄像机的优点
    下面简要说明数字处理摄像机的特点。

1、适合于使用计算机处理
    在现代的数字处理摄像机中，普遍采用了微处理机（MCP）作为中心处理元件，实现控制、调整、运算的功能，并且采用了多种专用的大规模集成电路，使得摄像机的处理能力，自动化功能获得极大增强。

2、简化调整机构和调整方式
    模拟摄像机大多数采用调整元件（电位器、可调电容、线圈等）进行调整，许多摄像机的调整元件位于电路板上，因此，必须打开外壳才能实现调整操作，非常不方便。模拟处理摄像机一旦调整失误，恢复到原来的状态十分困难，因此，模拟处理摄像机的调整工作一般由经验丰富的技术人员进行，即便如此，也必须慎重行事，要是调乱了，要恢复到原来的状态，将是一件非常麻烦的事情。
    数字处理摄像机采用菜单显示，由按键进行增减调整。这样，从用户的角度来看，本来必须由技术熟练的技术人员进行认真调整的工作，现在，一般的技术人员，甚至摄像员也能够进行调整。调整好的数据以文件的形式保存在存储器中，如果对于自已调整好的数据不够满意，可以调出机器出厂时（标准的），或者这一次调整前的数据进行比较，因此不必担心因为经验不足而把数据调乱。操作者完全可以放心大胆的进行反复调整，以获得自已满意的结果。从制造厂家的角度来看，便于实现制造和调试过程的自动化，提高生产效率，降低成本。

3、可以实现精确，细致的调整
    从本质上看，数字处理摄像机对于信号进行了变换，将原来的模拟信号变换0，1代码表示的符号。这样，数字处理摄像机所处理的是符号，而不是模拟的信号本身。符号具有以下主要的特性：
    (1)模拟信号在处理和传输的过程中，难免产生失真和噪声，一旦产生了失真和噪声，降低了信号的质量，就很难恢复；而数字信号具有优良的稳固性，在存储和传输的过程中，不易产生失真。在数字领域，可能出现的问题是误码，采取一定的措施，例如，通过信道编码，采用前向纠错的方法，可以有效地克服误码。当然，在电路设计时，还是应该谨慎小心，不应该让系统接近崩溃区域，应该在适当的时候进行信号再生。否则，误码大得超出了纠错的能力范围，将一发而不可收拾。但是，经过正确设计，这种局面完全是可以避免的。
    模拟处理的本质是信号复制，因而伴随着信号失真，数字处理的本质是信号再生，因此可以准确重现无噪声和失真的信号。

    (2)模拟信号很难对特定的某一段幅度或者频率特性单独进行调整。为了调整其中的某一段特性，可能引起其他部分特性的改变。另一方面，如果需要几种参数配合调整，就显得非常困难；在数字处理时，可以对信号的某一部分特性单独进行调整，例如，单独进行伽码校正调整和拐点调整；对于某一段频率，或者对于某一段幅度电平单独进行调整，并保持其他部分信号的特性不会改变。此外，还可以将某几项调整结合在一起，相互关联，进行配合调整。例如，在应用过程中，往往需要对于色度、对比度、亮度等结合进行相关配合的调整。在模拟条件下，几乎是做不到的事情，在数字条件下，可以比较容易实现这种类型的功能。
    有人说在数字领域，只有想象不到的功能，没有实现不了的功能。实际情况应该是，只要是合理的想法，数字技术都有能力予以实现。即使当时的计算能力尚有困难，但是，随着算法、存储和计算速度等技术的发展，终究能够得以实现。

    (3)处理精度高，对于10比特的量化，可以区分为1024个电平等级进行调整，高档的摄像机可以实现12，14比特，相当于4096，16384电平等级，甚至更高级别的处理。要进行如此精细的调整，模拟的处理方法是无能为力的，只好望洋兴叹了。

五、数字处理摄像机的缺点

1、变换损失
    从摄像机的摄像器件（无论是摄像管或CCD）开始，产生的信号都是模拟信号。经过一系列的处理和传输以后，在显像管上显示图像时，仍然必须采用模拟信号。由此可知，所谓数字处理，首先是将模拟信号变换为数字信号（ADC），只是在中间的处理和传输过程中，采用数字信号的形式，最终，仍需将数字信号变换为模拟信号（DAC）。模数变换和数模变换将产生量化误差失真。在信号的处理过程中，必须经过各种运算，在运算过程中会产生舍位和进位误差，如果还要进行码流变换，将产生新的变换误差。这些误差的结果累次叠加，构成总体的损失。因此，任何数字系统，都应该尽可能避免各种类型的信号变换。
    增大量化的比特数和信号处理时的比特数可以减小这些误差，最早的数字处理摄像机AQ-20采用8比特的量化级，相对于256级的量化电平。由此产生的量化损失不容忽略。如果量化比特数提高为10比特，则量化电平可以达到1024级，相应的量化误差可以达到60dB，其噪声实际上接近于可以忽略。但是考虑到计算中产生的舍位和进位误差的积累，优秀的摄像机通常采用12，14甚至更高比特的信号处理器。
    摄像机通常采用比特透明的处理方式，即采用非压缩，全比特的处理方式。因此不存在压缩和解压缩引起的质量损失。如果信号采用压缩的方法进行存储、加工、传输时，则还应该考虑压缩以及码流变换造成的质量损失。

2、码率高，给信号的处理带来困难
    根据ITU-R 601（即CCIR 601）推荐的取样参数，即4:2:2的取样方式，Y信号的取样频率为13.5兆赫兹，R-Y，B-Y信号的取样频率分别为6.75兆赫兹。如果采用8比特量化，则可以计算视频信号的数据码率：
      （13.5+2×6.75）×8=216兆比特/秒
    扣除消隐区的无效信息：
      216×（64-12）/64×（312.5-25）/312.5=161.46兆比特/秒。
    因为同步信息量很少，予以忽略。这里暂不考虑声音信号的信息。
    由此可知，量化比特数为8时，视频信号的码率仍然高达161兆比特。也就是说，摄像机每秒钟必须处理1.6亿比特的数据量。如果采用10，12，14比特的量化级，则数据量还要按比例急剧增加。由此可知，数字处理摄像机的数据处理量是大的异常惊人的。而且，摄像机是所有处理都必须是实时处理。因此，对于内装的IC和微处理器的运算能力和运算速度提出了十分苛刻的要求。

3、功耗大
    如上所述，数字处理摄像机必须高速处理极其巨大的数据量，每一步运算都伴随着能量消耗。因此，早期的数字处理摄像机的温升很高。特别是主要处理电路板上的VLSI，竟然达到发烫的程度。显然，功耗引起温升，是不稳定和造成故障的根源。功耗大增加了供电电源的负担。在许多场合下，摄像机由充电蓄电池供电工作，由于功耗大，同样的电池只能够工作较短的时间，给实际工作带来诸多不便。摄像机的功能越来越强，则信号数据的处理工作量越来越大，能量的消耗也就越来越大。另一方面，由于算法的改进，以及集成电路技术的进步，功耗不断下降，这是辨证的发展过程。
    可以预测，现有数字摄像机的缺点，随着技术的发展将逐步得以克服。