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摄像机技术有哪些指标

2018-05-07 14:24:11 来源:互联网

[摘要] 常见一些广播电视界的工程技术人员指着自己操纵的摄像机,不无自豪地脱口而出:“这可是广播级!”或“这可是数字机!”其实,“广播级”...

  常见一些广播电视界的工程技术人员指着自己操纵的摄像机,不无自豪地脱口而出:“这可是广播级!”或“这可是数字机!”其实,“广播级”也好,“数字机”也罢,说的都是摄像机的等级,而所谓“摄像机”的等级又是用摄像机的技术指标来量化来定义的。所谓技术指标,即摄像机按其使用要求必须达到的目标,如图像的技术质量,摄像机的性能和精度等等。这些指标是对摄像机的定量分析和科学评析,具有可量化性和可比较性。当然这些指标由许多项目组成,因为我们评价的是摄像机这一电视节目的信号源的制造者。摄像机必须满足多项技术指标的要求,等级越高指标越苛刻

  为了规定摄像机的等级,国家颁布了摄像机技术条件的规定。可是在电视工程技术飞速发展的今天,这些规定已相对落后,灵敏度、分解力和信杂比这三大技术指标已不能全面反映摄像机的质量。

  一 ccd器件和图像像素

  这一指标给出ccd器件的数量、尺寸和电荷转移方式的种类,以及图像像素的数量。广播级和许多业务级摄像机一般都是3块2/3英寸ccd,电荷转移方式或it(行间转移),或ft(帧转移)、或fit的都有,等级稍高的取fit,稍低点的取it,而ft ccd摄像机亦不乏佼佼者。与it相比fit残留电荷少,图像惰性小,但价格之贵也自不待言。而it在采取了微透镜等技术后提高了灵敏度,减少了图像惰性,更具竞争力的当然还是价格。ft ccd的摄像机种类较少,但尺寸相比fit小,残留电荷少于it,灵敏度和动态范围均高于it。加上设置了机械快门,利用机械快门在场消隐期间对感光部遮光,减少拖尾。据有关公司介绍,其ft ccd由于取消了fit ccd的垂直移位寄存器,增大了ccd像素窗口,因而增加了像素的有效受光面积,使更多的光转换为电荷,提高了灵敏度。此类摄像机的性能,指标均高于it ccd摄像机,而并不弱于fit ccd摄像机。

  图像像素数量是ccd器件的一项重要指标,像素就是ccd表面上的感光单元,像素数量越多,越能分辨景物细节、感光密度也越大。因此像素数量不仅与图像清晰度有关,而且与灵敏度也有关。20年前2/3英寸ccd器件的像素数量通常在40万左右,分解力仅为250至350线。而今天ccd器件的有效像素可达60至70万,分解力可达800至900线;hdtv的ccd器件的像素甚至多达200多万。分解力高达1200线。ccd器件的像素数量与分解力的关系是显而易见的,根据经验公式:水平像素乘以四分之三等于该ccd芯片的水平临界分解力。ccd器件对于摄像机性能之关键,历来为人们所关注,将此项目做为摄像机的首要技术指标也顺理成章。

  二 数字量化和数字信号处理

  数字量化和数字信号处理的等级是数字摄像机出现后新增的技术指标。众所周知,ccd器件产生的模拟信号必须转换成数字信号,再进行数字处理,这一转换和处理的精度对信号的技术质量有重大影响,因此必须加以限定。itu—r601对演播室数字信号编码规定的最低要求是8bit量化,摄像机作为信号源理所当然地要高于此要求。模拟信号和数字处理的参数之间存在一定的关系,信杂比和动态范围与在转换成数字信号时使用的量化级数成正比。因为量化级数是转换成二进制码值的,所以级数增加一倍,信杂比和动态范围增加6db,而只需要在二进制编码数据中增加一个bit。因此一个10 bit的数字信号比8 bit在信杂比和动态范围方面有12 db的改善。今天广播级的数字摄像机a/d转换的量化级数多为12 bit,这样与itu—r601的要求相比,可以在信杂比的动态范围上增加24 db的优势。使用12 bit的a/d转换器,可对600%视频电平采用动态压缩算法进行处理。这一功能使摄像机在强光下拍摄时,大大增加了高亮度的层次,降低了高亮度的彩色畸变,提高了拐点的级数。同样600%电平,压缩至100%电平,10 bit拐点压缩达438级,而12 bit则高达672级。 大大提高图像的层次。

  90年代中期,大部分摄像机厂家开发的摄像机多采用10 bit a/d转换器,再用13 bit数字处理。到90年代末期,各摄像机厂家开发的摄像机几乎都采用12 bit a/d转换器,而且为了保证更为精确的伽玛、拐点、轮廓等信号的校正,在信号处理上都用更高的量级,少则14—16 bit,多的可达20—30 bit。在摄像机上采用如此之大的数据量进行处理,具有相当的难度,除非开发专用超大规模的数字处理集成电路之外,别无良策。因此各厂家都为此花大气力,开发了专用数字信号处理集成电路。处理量级可达20—30 bit,电路细微可达0.6--0.3微米,门数可达180万门。

  大数据量的信号处理改善了伽玛曲线,能使黑背景下的柔和对比被加强,也可使亮背景下的饱和色彩对比强烈;大数据量的信号处理改善了图像的对比度,加强了黑扩展功能,使黑**域呈现更多的层次,获得更多的细节;大数据量的信号处理改善了轮廓校正,增强了细节的环境对比,可处理的参数包括水平,垂直和粗细比率,对肤色这一人眼敏感的细节进行柔化和光滑性处理,而不改变画面中其他景物的锐化程度。

  三 灵敏度

  这一摄像机指标属老生常谈,对于20年前的摄像管摄像机应属主要指标,而今天的重要程度或人们的关注程度已经降低,但是依然出现在今天的数字摄像机技术说明书中,在未来hdtv摄像机技术指标中也未见删除。

  这一指标描述了摄像机对所拍摄图像的照度的反应能力。测试也简单易行:在标准照度条件下,(即2000lux、 3200k色温下)拍摄89.9%反射灰度卡,视频幅度达到0.7v时的光圈指数,即是该摄像机的灵敏度。今天广播级摄像机的灵敏度通常在f8至f10之间。

  灵敏度的测量,除了测量标准照度下得到的额定信号电平时的光圈指数外,通常还要测摄像机的最低照度。这一指标将灵敏度和信杂比联系起来,使灵敏度和信杂比之间存在着某些互相牵制的关系。

  最低照度是在增益开关处于最大、镜头光圈也处于最大的情况下,拍摄灰度卡,视频信号达标准幅度(0.7v)时所需的照度即最低照度。广播级摄像机的最低照度通常7-8 lux(f1.4 +18db),最低可达1 lux(f1.4、+36db)。必须指出的是目前最低照度并无统一标准,特别是摄像机输出电平,是标准电平100%(0.7v),还是70%(0.49v)尚无定论。一般广播级摄像机输出电平为100%,业务级摄像机就要求各异了。因此当我们分析某一摄像机的最低照度时,可不能掉以轻心。

  一般情况下希望最低照度指标要低一些,可是最低照度越低,要达到视频电平0.7v,增益就要加得越大。增加增益的结果是降低了信杂比,使杂波增大,图像颗粒增粗,使技术质量恶化。这样的恶化是显见的,γ=1时,增益提升多少db,信杂比就降低多少db时。γ=0.45时,信杂比下降得更多。例如一摄像机的信杂比为60db(增益0 db,γ关)那么增益+18 db时,信杂比为42 db。但在γ=0.45的情况下,信杂比下降到36 db。在增益+30 db时,信杂比只有24 db,这将严重影响图像质量。从这个意义上说,为了保证图像信号的信杂比,最低照度还是不要过低。为了降低噪声,摄像机还增设了图像噪声抑制开关,在使用增益时降噪。

  同样是广播级,数字机的灵敏度并不比模拟机高许多,而是几乎相等,这是因为f8的灵敏度已经够用了。有趣的是有些业务级摄像机却一味追求高灵敏度,甚至达f11还多,这样做似乎是考虑到业务级摄像机的工作环境较为恶劣吧。

  顺便说一句,上述灵敏度都是在ccd器件尺寸为2/3英寸的情况下测出的。如果ccd器件尺寸不同,那么灵敏度也就没有可比性了。但也不是毫无办法,还有办法进行换算。如果ccd器件是1/2英寸的,那么换算的结果是相差一档光圈。例如:2/3英寸ccd灵敏度为f8时,同样的灵敏度,对1/2英寸ccd就应为f5.6。也就是说1/2英寸ccd摄像机的灵敏度f5.6应等同于2/3英寸ccd摄像机的灵敏度f8。

  四 分解力

  分解力又称分辨率,解像力,通常分解力指水平分解力。有人将分解力与清晰度这两个概念等同起来。需知,这实在是两个有关联而又不相同的概念。分解力是指电视设备所能分解和重现细节的能力,而清晰度是指人眼对电视图像所见的清晰程度。分解力越高清晰度也越高,对摄像机来说,分解力是摄像机分辨黑白细线条的能力,广播级摄像机多在800线以上。

  测试也简单,即在标准照度条件下(2000lux、3200k色温),镜头光圈置于5.6与8之间,(依最佳观察效果而定)拍摄分解力卡。在镜头最佳聚焦情况下,从精密黑白监视器上读取分解力线数。

  必须强调的是,应从黑白监视器上读取分解力,因为摄像机编码输出是r.g.b三路叠加,而分解力的指标是y通道或g通道;如若用彩色监视器读取的分解力,则低于黑白监视器的读取值。同样应注意的是摄像机输出信号也应从y或g通道接出,而不能从编码输出接出。

  在测试时,人们不仅要测摄像机的分解力,还要测摄像机在5mhz(约为400线)时的调制深度,简称调制度。

  实际上调制度是比分解力更实质地体现摄像机性能的重要参数。这是因为摄像机的输出信号,在送达家庭电视机之前,要经过电缆传送、记录、编辑、地面传输等过程,在这些过程中受到带宽的限制,结果使摄像机原有的高频分量损失。但是反映在传送带宽内,5mhz处振幅大小的调制度却不受带宽限制的影响。换句话说就是400线以上的信号衰减较大,而400线左右的信号几乎没有衰减。人眼对400线左右的细节又较敏感,有时即使分解力线数较高,而400线时的调制度不太高,人眼的主观感觉并不认为图像质量好。因此调制度就成了左右电视机清晰度的重要参数。这一指标的测试也很简单,摄像机在标准照度下拍摄多波群卡,通过示波器取其行频波形,以最低频0.5mhz的幅度为基准,去除5mhz的幅度,再乘上100%就是调制度(mtf).80年代摄像管摄像机的调制度仅30%,ccd摄像机调制度可达70%,而数字摄像机可达80%。

  通过上述分析,我们在上文说到的水平分解力在800线以上,这一分解力确切地说是极限分解力,也就是人眼在高精度监视器上观察黑白相间线条隐约可见时的清晰度,此时如果从示波器上看,调制度大约在5%左右。而标准分解力则是调制度为50%的分解力。通常说明书上给出的都是极限分解力。由此可使我们得以在无高清晰度监示器的条件下,检测具有800至900线分解力的摄像机。

  五 信杂比

  信杂比是指在标准照度下摄像机输出信号(y通道)的峰峰值与视频杂波的有效值之比。这一指标是不同档次或等级摄像机的主要技术标志。广播级摄像机的信杂比一般在60 db上下。

  信杂比测量是在摄像机处于盖上镜头盖或关闭光圈的条件下,使视频信号中的黑电平保持在5%(35mv)处,用视频杂波仪测量0db、+9db、+18db时不加权的信杂比。

  摄像机的视频杂波源一般有如下几种:

  由于ccd像素产生电荷的不均匀性所形成的ccd残余像素噪声;

  由预放器等电路产生的噪声;

  由a/d转换所引起的噪声,等等。

  信杂比严格地说是一种动态指标,因为拍摄时不可能都在标准照度下完成,照度低视频信号也低,信杂比也会相应降低。在低照度的情况下需要加增益,增益的增加直接影响信杂比,因此在测最低照度这一指标时,这一指标值应不小于35—40 db。

  六 重合精度

  摄像机重现的彩色图像是由r、g、b三基色图像按不同比例混合而成的,r、g、b三块ccd器件在空间位置和几何位置上必须严格一致,否则混合生成的图像会出现色边,影响清晰度。这一指标在摄像管摄像机的技术指标中显得十分重要。而且在拍摄时需要经常调整、检查。但是到了ccd摄像机一统天下的时期,重合精度几乎从厂家给出的摄像机的技术指标中消失。分析起来,原因可能如下:ccd摄像机的ccd器件直接安装在分光棱镜上,这种安装的工艺要求非常严格,必须在有关工厂的高净化车间里的高倍显微镜下完成。因此重合误差较小,在整个画面上通常小于0.05%。对发达国家尖端技术的高度信任,使人们产生了一种心理误区:即ccd摄像机已经没有重合问题了,人们从拍摄时调整、检查重合的重负下解脱出来。重合误差这一概念也逐渐淡化,某些摄像机厂家也干脆不再注明。重合精度这一原本为人们所极为关注的指标不仅从摄像机说明中消失,而且在人们心目中也消失了。

  但是重合的问题确实存在,笔者曾发现同一批次的6台摄像机中有2台存在严重的重合精度误差。在拍摄人物中近景时,眉毛上沿呈绿色,下沿呈红色,拍摄测试卡时更严重。很多人包括厂家的技术人员当初也不认为这是重合误差,后反复测试,又几经交涉,才退回原厂家返修。从那时起,笔者对摄像机的重合精度更为关注。所幸的是最近两年来,摄像机厂家给出的技术指标中不约而同又恢复了重合的地位。整个画面上重合精度高达0.02%的也不鲜见。

  主观评价

  电视信号的受众是人,而不是那些示波器、精密监视器等测试仪器,因此对电视信号质量的满意程度,归根结底要有观众作出主观评价。必须说明的是这种评价是一种定性分析,但是这些定性的分析虽然不能量化,在评价摄像机时也不失为决策依据。国际无线电咨询委员会(ccir)专门制定了ccir500—1号建议书《电视图像质量的主观评价方法》和ccir405—4号报告书《电视图像质量的主观评价》,给主观评价的方法和标准作出规定。

  对摄像机输出的图像信号的主观评价要对图像的色彩、层次、清晰度作出评价。对专业工程技术人员来说,尤其要注意高亮度和低照度两个极端条件下的色彩、层次、清晰度,相应作出合适的调整。目前数字摄像机的拐点电路、轮廓电路、黑扩展电路、杂散光电路等等视觉补偿电路,都做得非常精细,摄像机可利用这些补偿电路,使人们看到的电视图像与实际景色愈来愈接近。摄像机专业人员应明了在什么条件下,调整摄像机的什么项目,可以达到什么效果。

  主观评价虽然不能量化,但是这与摄像机信号处理的数据量有一定的关系。现今中央台和省级台在决定引进设备之前,除了对待进设备进行测试外,还要请专家对设备所产生和处理的图像进行主观评价,评分项目多达几十项,然后进行综合测评,决定是否引进。摄像机主观评价之重要可见一斑。

  本文行将结束时必须说明一点,对工程技术人员来说,关于测试如有欲知其更详者,可参看中国广播电视出版社1997年3月出版的《视频测量技术》一书。

  今天,摄像机光电转换器件已经由ccd取代了摄像管,摄像机技术的聚焦点已经越过模拟复合、模拟分量,数字控制和处理,清晰地定位在全数字摄像机上,hdtv摄像机也已经进入景深的范围,愈来愈清晰地显示出它的优势。随着摄像机技术发展,摄像机的技术指标也将不断更新,有的项目已经消失(如几何失真),有的项目需要补充,有的项目需要增加,有的项目现在还是未知数,不久将来才会显现,这才是我们的期待。

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