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電影攝像和電視攝像從技術到藝術上有什麽聯系

920萬像素超級“電影攝像機”全透視

描述電視攝像機質量的技術指標有:

攝像器件的數量、尺寸、種類、像素數,如3片2/3英寸幀行間轉移式CCD,像素數786×581;

靈敏度,如在照度2000Lux,色溫3200K,0dB增益下光圈用F8.0;

信雜比:S/N,如60dB;

水平分解力,如700電視線; 重合誤差,如少於0.05%; 垂直拖尾,如-120dB; 動態範圍,如600%等

現代電視攝像機為了提高質量,在鏡頭方面、CCD攝像器件方面和視頻處理方面都采取了壹系列先進技術,包括從模擬向數字化

方向發展。

1,采用內聚焦式變焦距鏡頭

現代CCD攝像機的迅速發展,對攝像鏡頭提出了更高的要求,在CCD攝像機中,CCD片直接固定在分光棱鏡上,雖然精度很高,但壹經固定就不能移動。它不能象攝像管那樣可前後微調位置,以減少鏡頭縱向色散像差的影響。又因為CCD的信號輸出是靠時鐘脈沖驅動電荷轉移而得到的,不像攝像管中,依靠電子束的連續掃描來拾取信號,所以對鏡頭的橫向色散引起的重合誤差亦無法校正,因此要求在鏡頭的設計階段就將色散校正到最低限度。CCD攝像機鏡頭的光學玻璃質量應更好,並精確計算好R、G、B的成像面位置。近期又推出內聚焦式鏡頭。以往的外聚焦式是聚焦組透鏡在鏡頭的最前方,調焦時可前後移動,前面遮光罩也隨之旋轉。而內聚焦方式是聚焦組鏡頭分固定和可移動兩部分,固定部分在前,可移動部分在後,調焦時變焦距鏡頭前端(連同遮光罩)固定不動,而後面可移動部分移動,這種方式結構復雜些,機械精度要求高,但可做到最合適的像差校正。因為內聚焦式鏡頭在調焦時前端固定不動,所以可將遮光罩做成畫面形狀的矩形。這樣可充分通過有效光線而遮擋無用光線,與圖形遮光罩相比,可減輕雜散光的影響,並且便於安裝有確定位置關系的各種濾光鏡,如偏光鏡、交叉光鏡和半彩色濾光鏡等。調焦時,用它們所得出的畫面效果不會改變。另外還有可移動部分鏡片少,重量輕,操作方便,電機驅動時省電、調焦速度快等優點。

2,采用第四代CCD攝像器件及其發展

CCD攝像器件進入廣播電視領域後,發展迅速,每年都有改進,新的CCD攝像機不斷問世。CCD的缺點不斷克服,性能不斷提高,在靈敏度方面已超過攝像管攝像機壹檔光圈,水平分解力達700電視線以上,信雜比達60dB以上,重合精度達到小於0.05%,幾何失真達到測不出的程度,彩色還原趕上氧化鉛管攝像機。CCD垂直拖尾、固定圖形雜波和網紋幹擾等缺點也正在克服。CCD攝像機的發展關鍵是CCD器件的不斷創新。第壹代FT(幀轉移)式CCD是FT-4,每行600有效像素;第壹代IT(行間轉移)式CCD每行500個有效像素。1986年第壹代CCD應用於專業攝像機,靈敏度低、在標準條件下光圈F4、網紋幹擾明顯且垂直拖尾色偏紅較嚴重。第二代FT CCD是FT-5,每行有效像素784個;第二代IT式CCD是空穴積累二極管傳感器CCD,每行有效像素786個。1989年第二代CCD應用於CCD攝像機,其靈敏度為F5.6,水平分解力達700電視線。第二代CCD有了空穴積累層,使暗電流減小到原來的1/10,減小了像素面積,提高了像素密度,並減輕了垂直拖尾,使拖尾不再發紅。第三代CCD 1991年應用於CCD攝像機,其特點是提高了靈敏度,比第二代CCD攝像機減小了壹檔光圈,IT式CCD的第三代稱為高精度空穴積累二極管CCD(Hyper HAD CCD),用它可使攝像機的光圈減小到F8.0。第三代CCD的結構與第二代CCD基本相同,不同的是在它表面上增加了壹層微透鏡,稱為片上透鏡,在傳感器上為凸透鏡,在垂直轉移寄存器上為凹透鏡,這樣可使較多的入射光聚集到傳感器上,從而提高了靈敏度,也減少了漏進垂直轉移寄存器上的光,進而減輕了垂直拖尾。用這種CCD攝像機拍攝時,光圈不用太大,景深可大些,低照度下圖像雜波較小,信雜比提高,也有利於提高電子快門速度。但片上微透鏡也有壹些缺點:壹是會使“空間像素偏置”效果降低,因而影響了靜止圖像的清晰度;二是在因照度低而加大光圈時,入射到微透鏡上的遠軸光線不能聚焦到感光面上,使靈敏度受影響,也會使垂直拖尾加重。第四代CCD,1992年第四代CCD攝像機投入使用,其特點是高分解力,其典型產品是Hyper HAD 100型FIT(幀行間轉移)式CCD,有效像素為980×582=570360個,高達62萬像素,高清晰度電視(HDTV)攝像機所用的CCD像素達200萬。

最近又出現了Power HAD CCD。過去的Hyper HAD CCD安裝的片上透鏡大大改善了攝像機的性能。Power HAD CCD技術是在此基礎上應用了最新的電路處理技術,其傳感器進壹步減小了垂直拖尾,擴展了畫面創作的自由度,靈敏度也相應提高,在光線較暗的環境下,良好的信噪比使我們仍然可以獲得出色的畫面。例如SONY的數字Betaeam攝像機DVW—709 WSP和DVW—790 WSP的靈敏度達F9.0光圈;而DVW—707P的靈敏度達F10光圈,它們都安裝了Power HAD CCD單元。高靈敏度CCD和超級增益電路(如+48dB),使新型的數字Betacam攝像機在低於0.2Lux的光線下也可以進行拍攝,其對色彩的識別能力甚至超過人眼的識別能力。又例如SONY最新開發的BVP-570演播室攝像機,應用Power HAD 1000型CCD,有4∶3和16∶9兩種格式,62萬像素,信雜比63dB,靈敏度F8.0光圈、 拖尾電平為-145dB(FIT型)和-120dB(IT型)。

3,先進的視頻處理技術

由於鏡頭、分光系統和攝像器件的特性都不是理想的,所以經過CCD光電轉換產生的信號不僅很弱,而且有很多缺陷,如圖像細節信號弱、亮度不均勻、彩色不自然等,必須經過視頻信號處理放大器對圖像信號進行放大和校正,否則所拍攝出來的圖像就會質量不高。視頻處理放大器包括:黑斑校正、增益控制和調節、自動白平衡、γ預校正、彩色校正、輪廓校正、γ校正、雜散光校正、黑電平控制、自動黑平衡、混消隱、白切割等,較先進的攝像機還有自動拐點,色度孔闌、超高帶孔闌、軟輪廓、黑擴展、黑壓縮、超級彩色電路等。

數字信號處理攝像機則由模擬處理部分和數字處理部分組成,CCD輸出的圖像信號經過預放後進入模擬處理部分,完成黑斑補償、自動黑/白平衡、雜散光校正、白斑補償、增益控制、γ預校正等,這些部分如果也采用數字處理,則要求信號量化數用13比特,否則將出現數/模轉換中量化比特數低的問題。除以上部分外,後面部分用10比特量化進行數字處理,包括彩色校正、輪廓校正、γ校正、混消隱、白切割、色度孔闌、二維濾波、數據檢測、編碼矩陣、彩條發生器。其主控器由微型機和ROM、RAM、數/模轉換電路等組成。

數字信號處理攝像機具有如下優點:

1高穩定性和高可靠性,數字信號處理受溫度影響小、幹擾小,數字處理容易做成大規模集成電路,各種參數存儲在存儲器裏,調節時采用數字設定、微機控制,取消了大量的調節電位器,減少了調節點,也減少了調節量,並可長時間保持不變,所以其穩定性和可靠性大大提高。

2圖像質量提高,許多在模擬處理中無法進行的工作可以在數字處理中進行,例如二維數字濾波、膚色輪廓校正、細節補償頻率微調、準確的彩色矩陣、精確的γ校正等,這些處理都提高了圖像質量。

3調節精確靈活,各種調節是通過數字設定,比用電位器調節準確而容易。各臺攝像機的參數差別是難免的,對於模擬攝像機很難使各臺攝像機調節得壹致,而用數字處理可通過均衡各參數值的方法把各攝像機之間的差別縮減到最小,可以用壹個調節卡調節各臺攝像機,並且攝像機的許多參數都可以調節和設定,設定的參數可很大範圍內變化,調節量可迅速改變、存儲和讀取。

4寬高比可變,可進行畫面格式16∶9和4∶3變換。

人眼的視覺對圖像和亮度有很寬的動態範圍,人眼對高亮度和黑暗部分的景像細節都看得清楚,然而用攝像機拍攝高反差的圖像時,若調整光圈大小適合於明亮部分,則暗部分的層次細節就很難重現出來,反之亦然。為了擴大攝像機的動態範圍,都采取了白壓縮、自動拐點電路和黑擴展、黑壓縮等先進技術。對高亮度圖像把白切割電平提高到115%;在電平為(100~115)%部分采取白壓縮的方法,使放大器增益減小,這樣在入射光超過200%之後,輸出電平才達到白切割電平,因此在入射光(100~200)%的範圍內,其圖像的亮度層次仍然重現出來,從而擴大了動態範圍。白壓縮開始作用的點即增益減小的起始點,稱為拐點(KNEE POINT)。對於拍攝高對比度的景像,如逆光像,若把拐點設在比100%高得不多的電平處,動態範圍還是不夠的。若調節光圈使較暗的前景圖像亮度合適時,則很亮的背景部分就完全失去了灰度層次而呈現壹片白,反之亦然。為了提高動態範圍,現代攝像機都采用了自動拐點(AUTO KNEE)電路,其拐點可隨入射光的強度自動調節。當入射光增強時拐點自動降低,在拐點降低到85%時,入射光強度增高到600%,攝像機輸出的信號電平仍不超過切割電平,即重現圖像在高亮度處仍能顯示出灰度層次,也就是攝像機的動態範圍已由100%擴大到600%。但是傳統的模擬攝像機,其拐點處理是紅、綠、藍各通道單獨進行的。

由於拐點校正是壹種非線性的處理過程,它又位於γ校正之後,當重新設定之後,色度、亮度和飽和度的平衡都會被改變,每壹種拐點電路所處理的相關顏色的點都完全取決於畫面的構成和色彩的平衡,因此當某壹顏色處於轉換曲線的非線性部分時(超過拐點部分)另壹顏色可能仍處於線性部分(低於拐點部分),在這種情況下畫面中高亮度區域的色度信號會發生變化,色彩不能得到真實地再現。為了解決這個問題並改善畫面的總體質量,新的數字攝像機增加了Trueye處理功能,其拐點處理是在γ校正之前用亮度、色調和飽和度來代替單獨的紅、綠、藍信號進行處理,這樣拐點校正就只對亮度信號有效,不會造成色調偏轉,但飽和度會隨著信號電平接近切割電平而慢慢降低,拐點飽和度功能可以將畫面中被壓縮處理的區域的飽和度恢復過來,使色彩飽和度真實地再現。黑擴展(BLACK STRETCH)可以只提高低亮度處的電平,使暗處圖像清晰地再現出來,而對亮處的圖像信號電平沒有影響,也不影響色度信號,不改變圖像的色調,只使暗處的灰度層次較好地重現出來。黑壓縮(BLACK PRESS)就是只降低暗處的亮度信號電平,不影響亮處的信號電平,也不影響色度和色調,它只使圖像暗處的灰度層次受到壓縮。

新型的數字Betacam攝像機應用新型的高精度12比特數/模轉換處理芯片和先進的數字信號處理技術,不僅使畫面的動態範圍達到600%,而且色彩還原得到了增強,具有如下新功能:

1)多區彩色矩陣 這壹功能可以自動選擇某壹特定顏色,它的色彩和飽和度具有20級可調範圍,有利於後期制作時色彩校正。

2)色彩平衡 使用自動白平衡或自動黑平衡時,所有顏色都可以獲得精確的平衡設定。

3)自動跟蹤白平衡 在光線色溫發生變化時,可實現白平衡的自動跟蹤,當我們追隨目標,從室外到室內,從日光下到熒光燈下, 做連續的跟蹤拍攝,又沒有機會重新調整白平衡時,此功能十分有效。

4)色溫控制 可以在攝像機上隨意設定色溫值,例如設定為“暖色調”或“冷色調”,在光線色彩混雜的場景中,應用此項功能具有很大的創造性和獨立性。

5)精確的γ曲線 γ曲線決定中灰度區的色調,對拍攝的總體效果十分有效。以前的γ曲線是由32個點組成的,而新型的γ曲線則由48個點組成,因而更加自然、平滑。另外對於主γ和γ平衡,還提供了幾種單獨的γ曲線,用來提高操作的靈活性,它們都可以由設定菜單獲得。曲線A是標準的設定;曲線B提供了更高的γ增益值,用來增強畫面的暗區域;曲線C進壹步提高了γ的初始值;曲線F被稱為“電影效果的γ值”。它是根據電影膠片的平均轉換特性設定的,在暗區域它的斜率比較小,在中灰度區的斜率是壹致的,而在高亮度區則變平坦了,因而提高了總體的動態範圍。黑γ功能可以準確地控制陰影部分,有助於再現畫面暗區域的細節而不影響中灰度的色調,同時精確保持黑電平不會改變。對γ曲線和黑γ的靈活設定,為我們帶來了富於變化的創作獲得滿意效果。

6)自適應高亮度控制功能 內置新型大規模集成電路,對CCD單元的每壹個像素的輸出電平進行分析,自動確定拐點和拐點斜率,再現高亮度區更多細節信息。

7)拐點飽和度控制功能 應用SONY的最新的Trueye技術,以亮度、色調和飽和度代替單獨的紅、綠、藍信號進行處理,這樣拐點處理就只對亮度信號部分有效,不會造成色度信號偏差,從而真實地再現高亮度區域的自然色彩。

8)自適應細節控制功能 此功能可有效地消除由於細節增強帶來的在高亮度區、高對比度環境中物體邊緣的勾邊效果,同時可以隨意控制物體邊緣的“厚度”,使整個畫面更加自然、真實。

9)三膚色細節控制功能 突破傳統的“膚色細節校正”功能對膚色範圍處理的局限,可在對膚色範圍的細節做“柔化”處理的同時,對另外兩種色彩的區域的細節信號增強或減小,這樣對整個畫面的細節控制更加全面、靈活。

10)電子柔焦功能 通過減小原始信號的細節,使整個畫面的銳度降低,提供與柔焦濾色片相似的效果,這個功能可以與膚色細節校正功能配合使用,使粗糙的皮膚看起來變得光滑。