高清攝像機CCD技術(shù)特點

　　CCD 像素空間偏置 DSP 圖像分辨力

　　當(dāng)前，電視節(jié)目的制作領(lǐng)域正在快速地由標(biāo)清向高清過渡，近三年來，越來越多的電視劇使用了高清拍攝，高清版用于中央電視臺高清頻道的播出及海外發(fā)行，下變換的標(biāo)清版用于標(biāo)清播出，獲得了比用傳統(tǒng)標(biāo)清攝像機更清晰的圖像效果和更好的色彩表現(xiàn)， 16:9 的畫幅比也使視野更為理想。隨著技術(shù)的發(fā)展，在高清的攝像機中應(yīng)用了更多的新功能，為攝影師提供了更多表現(xiàn)手法的手段。另外，由于高清攝像機的圖像質(zhì)量非常接近膠片的圖像，使得電影制作領(lǐng)域也在使用高清攝像機來拍攝，再通過磁轉(zhuǎn)膠的方式在傳統(tǒng)的影院放映，或者直接在數(shù)字影院放映。采用電子的拍攝手段減少了膠片的投入、直接回放縮短了拍攝周期、容易進行電腦特技制作等優(yōu)勢，大大降低了電影的制作成本。因此，一些專門設(shè)計的針對電影拍攝者功能需求的攝像機，如可以使用電影鏡頭、完全類似膠片攝影機的操作性能、以及對應(yīng)膠片寬容度的伽瑪曲線等特性，高清攝像機在電影界得到了廣泛的應(yīng)用。

　　隨著高清應(yīng)用的增多，有關(guān)高清概念的爭論也越來越多，比如高清的格式、高清的跟焦、高清的景深、高清的壓縮格式等等，與標(biāo)清有明顯不同的是有關(guān) CCD 像素數(shù)量的區(qū)別引起了更多的關(guān)注，甚至出現(xiàn)了“真高清”與“假高清”的說法，例如對于常見的采用小于 200 萬像素 CCD 的攝像機和 720/60p 或 720/50p 的高清格式被稱為“假高清”。其實從隔行掃描的原理來看，由于運動物體及物理與視在并行等原因，其主觀評價的清晰度只是總掃描線×隔行掃描系數(shù) （ 約為 60%-70%） ，因此 1080i 的垂直清晰度與 720p 的垂直清晰度并無差別。

　　攝像機首先是要將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，光電轉(zhuǎn)換器件的性能對攝像機的整體性能將產(chǎn)生決定性的影響。當(dāng)前的攝像機都采用了 CCD 作為光電轉(zhuǎn)換器件， CCD 的成像原理決定了圖像進行光電轉(zhuǎn)換時不是作為連續(xù)的電信號輸出，而是直接轉(zhuǎn)化為點陣圖像單元，因此， CCD 輸出的圖像極限清晰度將與 CCD 的原始像素數(shù)密切相關(guān)，也就是說攝像機的最終圖像分辨力與 CCD 的像素數(shù)密切相關(guān)。由于 CCD 技術(shù)的成熟度很高，在標(biāo)清情況下， CCD 的像素數(shù)已高于理論上的標(biāo)清分辨力極限。從數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)來看， Y 信號的取樣點數(shù)不管是 NTSC 或者 PAL 均為每行 720 個點， PAL 制為 720 × 576 個取樣點， NTSC 為 720 × 480 個取樣點， PAL 制總有效像素為 414720，NTSC 制總有效像素為 345600， 而目前廣播級的攝像機 CCD 的像素數(shù)都在 48 萬像素以上 （ 畫幅比可調(diào)的攝像機 16:9 模式為 60 萬像素， 4:3 模式時為 48 萬像素 ） ，其標(biāo)稱的模擬清晰度水平已達到了 700 線至 800 線，因此大家都不再去關(guān)心 CCD 的像素數(shù)，而某些更高像素的標(biāo)清攝像機，由于格式的原因，也同樣體現(xiàn)不出比 60 萬像素攝像機的圖像質(zhì)量更高。對于高清的攝像機，在產(chǎn)品設(shè)計時， CCD 的像素數(shù)出現(xiàn)了 200 萬、 150 萬、 120 萬等幾種像素結(jié)構(gòu)類型，而高清的格式不管是 50i 、 60i 、 30p 、 25p 、 24p 等何種幀頻，其每幀畫面的取樣比均為 1920 × 1080 或 1280 × 720 （ 主要用于逐行格式 ） ，表面來看，顯然小于 200 萬像素 CCD 不能滿足 1920 × 1080 高清格式的取樣點數(shù)，因此很多人的注意力放在了 100 萬像素 CCD 的攝像機上，認為這樣的攝像機在記錄格式為 50i/60i 時只能算作“假高清”，不能作為專業(yè)應(yīng)用。而實際情況真是這樣的嗎？其實不然，主要原因是忽視了在 CCD 開發(fā)與生產(chǎn)中的一些特殊的技術(shù)與工藝。

　　在標(biāo)清領(lǐng)域，大家忽略了一個問題，按照 CCD 的像素數(shù)量， PAL 制水平方向只有 768 個像素，換算成電視分辨力為 768 × 3/4 ＝ 576 電視線，因此水平清晰度不可能超過 600 線，可是多數(shù)攝像機的標(biāo)稱水平清晰度均已超過 700 線，有的甚至達到 850 線，什么原因呢？首先這是模擬分量輸出的指標(biāo)，數(shù)字輸出由于其水平取樣點為 720， 相當(dāng)于 720 × 3/4 ＝ 540 電視線，其指標(biāo)不應(yīng)大于 540 線。那么，超過 700 線的水平分辨力是從哪里來的呢？在標(biāo)清領(lǐng)域， CCD 技術(shù)廣泛地采用了稱為像素空間偏置 （Special Offset） 的設(shè)計與生產(chǎn)工藝，正是這種技術(shù)與工藝，有效地提高了圖像分辨力和調(diào)制度指標(biāo) （ 已超過 80%） 。這種技術(shù)在高清領(lǐng)域的應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的效果，既平衡圖像分辨力、靈敏度、動態(tài)范圍、抗摩爾干擾等指標(biāo)的關(guān)系，同時匹配了記錄格式的特點，實現(xiàn)了高性價比，構(gòu)成理想的組合。

　　下面，首先介紹一下像素偏置技術(shù)的原理。

　　上圖是采用像素偏置技術(shù)對提高分辨力效果的示意圖，被攝對象的頻率反映的是圖像的細節(jié)，當(dāng)采用像素偏置技術(shù)時，綠色 CCD 和紅藍 CCD 將取得不同點的圖像信息，經(jīng)過 DSP 數(shù)字信號處理之后，就可以得到紅色曲線的圖像信息 （ 如物體有高于紅線的細節(jié)信息則無法得到 ） ，而不采用像素偏置技術(shù)，則只能得到如藍色曲線的圖像信息，顯然，實際輸出的圖像細節(jié)就少多了。在標(biāo)清廣播級攝像機中，目前基本上都采用了這種技術(shù)，所以標(biāo)稱水平分辨力都大于 750 電視線。

　　像素偏置的方法通常只用于水平方向，主要是由于垂直方向受掃描線數(shù)的限制，增加垂直方向的分辨力能力將沒有意義。而在高清系統(tǒng)中，還有一種 CCD 采用了水平 / 垂直兩個方向的像素偏置方法，其結(jié)構(gòu)形式與效果如下圖 ：

　　采用像素偏置的方法后，必須再通過 DSP 數(shù)字處理之后，才能真正達到提高分辨力水平的效果，其工作原理為：將 CCD 輸出的 R 、 G 、 B 原始信號通過以下的處理，變換后的信號就包含了像素偏置而得到的高頻率的圖像信息。

　　計算方法為：將Ｒ、Ｇ、Ｂ信號分為低域成分Ｒ L 、Ｇ Ｌ 、Ｂ Ｌ 和高域成分Ｒ Ｈ 、Ｇ Ｈ 、Ｂ Ｈ ，進行下記演算 ：

　　Ｒ＝Ｒ L ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　　Ｇ＝Ｇ Ｌ ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　　Ｂ＝Ｂ Ｌ ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　　因此，雖然 CCD 在分辨力能力中起著主要的作用，但同樣不能忽視 DSP 對分辨力的作用，兩者極佳的配合決定了攝像機整體的分辨力水平。

　　從攝像機的工作原理來看，其基本性能與部件的關(guān)系如下表：

　　◎ ： 主要因素 ○ ： 次要因素

　　在開發(fā)高清攝像機時，面臨了許多問題，首先就是 CCD 的技術(shù)，從像素來定義的高清格式來看，每幀圖像的像素數(shù)是 1920 × 1080， 是標(biāo)清攝像機的 4 倍，在同樣尺寸的 CCD 面積上 （2/3 吋 ） 增加 4 倍數(shù)量的像素數(shù)，則每個像素的面積將減小很多， 2/3 吋 220 萬像素 CCD 的每個像素的邊長只有 5 μ m ，如果同樣采用像素偏置技術(shù)，首先對 CCD 組裝工藝就是一個挑戰(zhàn)，其次是對像素讀出技術(shù)和相應(yīng)的 DSP 技術(shù)提出了更高的要求。因此，目前市場上的高清攝像機 CCD 就不全是采用像素偏置技術(shù)的。在小型攝像機系統(tǒng)中， CCD 的尺寸有 1/2 吋，或者更小的 1/3 吋，對于 1/3 吋 CCD 來說，如果制造多達 220 個萬像素數(shù)，每個像素的面積太小，對靈敏度和動態(tài)范圍的影響將會非常嚴重，因此， 1/3 吋 CCD 的像素數(shù)一般小于 100 萬像素，主要有隔行方式的 100 萬和逐行方式的 60 萬像素兩種，逐行系統(tǒng)有更好的靈敏度和動態(tài)范圍。

　　在逐行掃描方式的 CCD 中，采用了被稱為 A.P.T 的技術(shù)，就是 Advanced Progressive Technology ，其工作原理如下圖所示。根據(jù)電視原理，每一場只讀取 1080 行的一半，即 540 行，隔行掃描系統(tǒng)總掃描行數(shù)要乘以一個隔行掃描系數(shù) （ 約 0.7） 才是實際的垂直清晰度， CCD 掃描系統(tǒng)在隔行工作模式下也一樣。而在逐行系統(tǒng)中 CCD 是一直工作在逐行模式下，當(dāng)這種 CCD 用于隔行系統(tǒng)的記錄時， CCD 工作模式不變，每一場都是讀取全部的垂直像素數(shù) （720 行或 540 行 ） ，在 DSP 處理時，將 720 行 （ 或 540 行 ） 進行交叉變換為隔行系統(tǒng)所需要的每場 540 行 （ 每幀 1080 行 ） ，水平方向上，根據(jù)理論分析與實踐中的測試結(jié)果，采用像素偏置后其分辨力為實際像素數(shù)的 1.5 倍。