全数字彩色摄录机的发展

全数字彩色摄录机的发展

1广播级全数字摄像机的主要特点数字和高分辨率技术的发展对记录节目的主要设备的视频记录设备提出了更高的要求。随着超大规模集成电路(VLSI)技术、数字化技术以及计算机技术的发展,使得广播级的摄录机在功能和成像质量上都有了质的飞跃。广播级全数字摄像机是在磁带或硬盘上记录数字化的视、音频信号,要处理的信息量很大,为此要采用新的高密度记录方式、数据压缩技术以及大容量的集成电路存储器。全数字化视频的主要优点之一就是其多次复制性好,便于反复进行编辑与复制,并且能与计算机相连进行图像处理。此外,不断引进与开发新技术应用,明显提高了广播级数字摄像机的整机性能和摄录质量。全数字彩色摄录机广泛采用了电子防抖、清晰扫描、多种控制、校正与补偿技术和全新存储等技术。下面我们对近年来生产的广播级全数字彩色摄像机中广泛采用的新技术和新功能作一介绍与分析。2高效的动态录像拍摄技术(1)防抖技术防抖技术分为光学防抖技术和电子防抖技术,高档专业摄录机上大多采用光学防抖动技术,它采用摇晃感光器检测出摄录机的多棱镜,利用镜片浮动原理产生稳定的效果。光学防抖系统价格高、体积大,在小型数码摄录机中很难采用,因此电子防抖技术应用而生。早期的电子防抖技术是将CCD输出的抖动视频信号,存储在视频场存储器,然后改变存储器地址,重新由新地址读出视频信号,从而消除了图像的抖动。这种存储器式的电子防抖技术的缺点是由于场存储器体积大,不适宜用于小型掌中宝摄录机。新一代电子防抖系统采用较大光电耦合CCD器件,扩大受像面积,增加扫描线路,然后取中间扫描部分为主要图像,其余周边的图像则作为防抖动产生的运动空间,从而达到良好的防抖效果。也有的是采用从视频信号中检测出图像的抖动,按照消除抖动来控制CCD的扫描范围,从而获得稳定的图像。(2)彩色滤波与清晰扫描技术画质是摄录机最重要的技术指标,逐行互补彩色滤波技术可以有效提高摄像机的垂直分辨率,JVC公司推出的CCD逐行扫描数字摄录机GR-DVL9600中就采用了逐行互补彩色滤波器,能提供高达560线的垂直分辨率,与传统隔行扫描式CCD摄像机比较,相当于一台近百万像素的摄像机的画质。另外,为了减小或消除水平条纹,在CCD摄像机中采用了清晰扫描技术,该技术是通过调整快门速度来消除水平条纹的。目前,大多数CCD摄像机的清晰扫描快门速度均有100档-200档,采用高速电子快门可以提高CCD摄像机的动态分辨能力,满足对不同扫描频率显示器的拍摄需要。(3)宽频带处理技术在传统的彩色摄像机中,处理亮度和色度信号方面采用的是Y/C频率分离方式的传统模式,宽频带处理技术可有效提高摄录机的水平分辨率。采用宽频带处理技术,使亮度信号的下降变得比较缓慢,从而使图像的水平清晰度大为提高。JVC公司在其逐行扫描式摄录机GR-DVL9600就采用了这种新技术,大大改善了摄像机的水平分辨率。(4)逆光拍摄补偿技术现场拍摄经常遇到逆光情况,例如在雪地中的拍摄、强烈阳光下的海滩拍摄,在背景中穿着丝绸或合成纤维缝制的闪亮服装人物的拍摄以及在背后有光源或给背景明亮的人物拍摄时,自动光圈在逆光下拍摄是拍不出对比度合适的清晰主体的。许多新型摄录机应用了逆光拍摄补偿技术,通常是在摄录机上设置逆光补偿(BACKLIGHT)键,在逆光拍摄时启动该键去控制光圈比正常值增大,从而使处于逆光中的主体清晰、明亮。(5)动态对比度控制(DCC)技术摄像机在高亮度环境下拍摄时,对超过某一信号电子的高亮度信号一般采取限幅切割措施,这会导致图像的高亮度部分失去层次。高质量的摄像机中普遍采取了动态对比度控制(DCC)技术,该技术通过在放大电路中设置峰值点和拐点,并可根据信号幅度自动调整拐点。拍摄时若信号幅度超过拐点,自动增益控制电路自动调整拐点斜率,并将超限的视频信号自动压缩在峰值点以下,保持了高亮区图像的亮度层次,使摄像机获得了600%的有效动态范围。除DCC技术外,部分12bit演播室数字摄像机中还采用了拐点饱和度控制电路,使景物在高亮区饱和度不降低的情况下保持了图像自然的色调。(6)CCD的疵点补偿技术(LeakingPixelCorrection)由于CCD制造过程中不可能完全消除掉疵点,因此在拍摄的画面中会出现针眼状的小暗点、小白点,或者是垂直亮线,我们希望摄录机所采用的CCD光电感光器件上疵点越少越好,因此CCD的疵点补偿技术应运而生。摄录机的CCD疵点补偿电路称作LPC(LeakingPixelCorrection)。它将摄录机CCD中每个像素与周围像素与其他两路相应的像素进行比较,当发现某个像素信号不合格时,就用周围像素的平均值代替,来克服CCD疵点对图像质量的影响。(7)彩色校正技术传统的摄像机普遍采用线性固定式彩色校正,其彩色矩阵系数由厂家出厂前一次性预置好,用户一般不能调整。广播级的摄像机为了确保摄像机在各种拍摄环境下的彩色还原能力,以及使彩色还原精度达到更高的水平,采用非线性彩色校正,即通过预设几组典型环境下的矩阵系数供用户选择,或使三基色及三补色的色调饱和度可调,由用户根据需要进行精确的调整。(8)变焦麦克风技术当摄像机镜头由近推向远处的某个人物时很难拾取到响亮、清晰的声音。目前,在小型摄录机上使用了变焦麦克风技术,在摄录机上装上与变焦镜头同步操作的可变拾取声音角度宽窄的麦克风,这种麦克风随着摄录机镜头由近推向远处,同时控制麦克风拾取声音的范围由宽变窄,更集中地录制远处单个目标的声音,仿佛远处某个目标的声音由轻到响,似乎拍摄者逐步向目标靠近。(9)数字式轮廓补偿技术传统的摄像机仅进行水平和垂直方向的轮廓补偿,而新型摄像机中广泛采用了各种数字信号处理技术,从而实现了水平、垂直和对角线方向的数字式轮廓补偿。部分摄像机还采用了软轮廓补偿、瘦身轮廓补偿、肤色轮廓校正、自适应细节控制、柔焦效果等特殊措施,使图像细节的校正量更充分,色彩还原更逼真。(10)三同轴传输技术在演播室或EFP多机位节目制作中,往往会用到中央控制器(CCU)。传统的制作方式中,摄像机和CCU之间一般均采用多芯电缆传输信号。由于电缆的分布电容和分布电感的存在,往往会导致视频信号幅频和相频特性的劣化,造成信号衰减和图像清晰度下降。近年来生产的摄像机为克服这一缺陷,采用加入导频信号的三同轴调频传输、三同轴数字传输和数字光缆等传输方式,提高了信号的传输质量,同时也使传输距离大大延长。(11)黑扩展和黑压缩技术黑扩展和黑压缩技术广泛应用到广播级的摄录机中,黑扩展技术是只增加暗处的细节和灰度层次,而不影响亮处的图像;而黑压缩是只提高暗处的对比度,而不影响明亮处图像对比度。黑压缩特性只对低于对比度40%电平的信号有影响,而对高于对比度40%电平的信号无影响。由于数字摄录机采用了数字信号处理(DPS)大规模集成电路,因此对于黑扩展和黑压缩的部位运算准确、速度快、效果好。考虑到电视信号数字量化噪声,对于增加黑扩展电路的摄录机增加量化比特数更好,有效地提高了低亮度区域图像的细节和对比度。(12)全新存储技术随着高科技技术的研发,IT技术在专业广播电视领域的渗透和发展。在电视节目制作这一固定应用环境下,出现了硬盘的应用,移动和一般性编辑、交换(发送传播)、存储领域出现了专业光盘和半导体存储技术,有关专业厂商也进一步推出了专业光盘技术摄像机、半导体存储技术摄像机。存储新技术的发展将会逐渐改变目前的节目制作流程。3数字摄像机的主要功能(1)静止数码影像的撷取功能数字摄录机不但能够记录活动的数码影像,有些机型还能同时撷取静止的数码影像,这是数字摄录机的操作新功能。尽管最初摄像机是用来记录活动影像的,而照相机是用来记录静止图像的,然而最近面世的数字摄录机打破了这一界限,使活动影像和静止图像的摄录可在一部机器上完成。另外,数字摄录机更容易和电脑连接,实现电脑摄影与摄像。(2)键控功能键控功能就是利用视频特技在数字摄录机上进行图像的叠加,效果与模拟的视频特技一样,但比模拟键控操作起来更方便、快捷。图像叠加的方式有三种,一种是把视频影像叠加于静止的图像上,但要求活动影像的背景必须是蓝色背景,否则就不能将背景剔除掉;另一种是把静止图像重叠于视频影像上,同样也是要求剔除静止图像中的蓝色部分,以便将活动影像叠加上去;第三种是将自制的字幕(标题等)叠加于视频图像上去,但这里剔除的是自制标题中的白色背景。(3)红外线夜摄功能为了适应夜间直播节目的摄录需求,要求数字摄录机具有红外线夜摄功能,使之能在全黑的环境中拍摄,目前的广播级数字摄录机在夜间把肉眼不能分辩的物体可以清晰地拍摄下来,拍摄用的红外线是由摄录机发生的。(4)自适应轮廓控制功能自适应细节控制功能是数字摄像机的重要功能之一,它能在高亮度、高对比度的环境中,对物体边缘的“勾边”效果进行控制,可以随意控制物体边缘的“厚度”,使整个画面更加自然、真实。(5)拐点的动态模拟量控制功能当摄像机拍摄到直射过来的光、或高反光的物体时,图像信号会出现过高的信号电平,如不加以控制,将会影响在后续电路的工作。因此,采用DDC电路对超过一定电平的高亮度电平进行压缩,这一特定的电平称为拐点。在数字摄录机中,应用了新的数字信号处理技术,对视频信号的处理是从亮度、色调和饱和度三方面入手,这样的拐点处理仅对亮度信号有效,不会造成色度信号偏差,从而真实再现高亮度区域的自然色彩,同时也增强了对亮度区的控制功能。(6)自动串色干扰抑制功能串色效应出现在复合视频信号中,当亮度信号Y的高频成分干扰色度信号时,就出现串色效应。传统的细节校正处理也能减少串色现象,但不能彻底,当拍摄一斜条纹图案时,串色功能出现。而数字摄录机使用二维数字滤波器滤除掉亮度信号Y的一些高频分量,使其不能形成亮色串扰。这种数字滤波器具有特别精确的特性,用模拟信号处理技术无法达到。因此,在数字摄像机中,串色效应大大减少,同时并不损失整个图像的分解力。(7)电子柔焦功能该功能是通过减少原始信号中的细节信号,使整个画面的锐度降低,产生与柔焦滤色片相似的效果,可以使粗糙的皮肤看起来变得光滑。这个功能可以与肤色细节校正功能配合使用。(8)肤色自动光圈功能该功能是用来控制镜头光圈,以保证画面中肤色细节控制部分设定的区域,始终保持相同的电平。例如,在新闻演播室的应用中,当播音主持人翻动新闻稿时,其面部的曝光情况不会因讲稿的反光而发生变化。(9)γ校正功能γ校正功能对色彩重现的影响是很大的,γ校正曲线是一条很复杂的非线性曲线。因此,正确的γ校正要求非常精确。而数字摄像机的全数字处理可以达到精细视频处理的多项功能,这是模拟摄像机不可能达到的。(10)自动阴影补偿功能在模拟摄像机中,阴影补偿是通过调整许多个电位器来完成的。而数字摄像机能自动达到完满、精确、快速的补偿。当选择自动阴影时,数字摄像机能自动地将视频信号分割成许多个独立区域,并对每个区域产生一个精确的补偿信号,这样阴影几乎完全补偿。这个阴影补偿系统能提供无论怎样复杂的阴影特性。(11)全电平控制(TLCS)功能若入射光的变化范围较大,超出了摄像机自动光圈(F1.4~F16)的控制范围,为解决这一问题,采用了全电平控制系统(TLCS)或具有类似功能的系统。其工作原理是:当摄像机光圈关至最小(F16)而入射光仍然太强时,则摄像机自动启动高速电子快门,使其在一定范围内连续调整以减少进光量;反之当摄像机光圈开至最大(F1.4)而入射光太暗时,则摄像机自动启动其自动增益控制电路,使其在一定范围内连续调整,以提高信号电平。采用TLCS系统后,既确保了图像亮度的缓慢变化,也无需中断拍摄,同时其对入射光的衰减或信号电平的提升均以符合要求为限,避免了手动调整时光强或信号电平的大幅度改变所产生的图像质量