高清攝像機CCD技術特點

2006-05-22 松下電器廣播電視系統公司王耀軍依馬獅網

    【摘要】在高清攝像機選購時，不僅面臨記錄格式的選擇，也面臨許多制造工藝和技術的選擇，像CCD的像素數，有多種看似不滿足全像素格式的種類，為什么在高清攝像機開發時采用這些結構的CCD？它有哪些技術特點？能否滿足使用的需求？本文進行了這方面的解釋。
    【關鍵詞】 CCD像素空間偏置 DSP 圖像分辨力
　　
    當前，電視節目的制作領域正在快速地由標清向高清過渡，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行，下變換的標清版用于標清播出，獲得了比用傳統標清攝像機更清晰的圖像效果和更好的色彩表現，16:9的畫幅比也使視野更為理想。隨著技術的發展，在高清的攝像機中應用了更多的新功能，為攝影師提供了更多表現手法的手段。另外，由于高清攝像機的圖像質量非常接近膠片的圖像，使得電影制作領域也在使用高清攝像機來拍攝，再通過磁轉膠的方式在傳統的影院放映，或者直接在數字影院放映。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勢，大大降低了電影的制作成本。因此，一些專門設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用。
    隨著高清應用的增多，有關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，與標清有明顯不同的是有關CCD像素數量的區別引起了更多的關注，甚至出現了“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（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換為電信號，光電轉換器件的性能對攝像機的整體性能將產生決定性的影響。當前的攝像機都采用了CCD作為光電轉換器件，CCD的成像原理決定了圖像進行光電轉換時不是作為連續的電信號輸出，而是直接轉化為點陣圖像單元，因此，CCD輸出的圖像極限清晰度將與CCD的原始像素數密切相關，也就是說攝像機的最終圖像分辨力與CCD的像素數密切相關。由于CCD技術的成熟度很高，在標清情況下，CCD的像素數已高于理論上的標清分辨力極限。從數字化標準來看，Y信號的取樣點數不管是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的像素數都在48萬像素以上（畫幅比可調的攝像機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心CCD的像素數，而某些更高像素的標清攝像機，由于格式的原因，也同樣體現不出比60萬像素攝像機的圖像質量更高。對于高清的攝像機，在產品設計時，CCD的像素數出現了200萬、150萬、120萬等幾種像素結構類型，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，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”，不能作為專業應用。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開發與生產中的一些特殊的技術與工藝。
    在標清領域，大家忽略了一個問題，按照CCD的像素數量，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，可是多數攝像機的標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，數字輸出由于其水平取樣點為720，相當于720×3/4＝540電視線，其指標不應大于540線。那么，超過700線的水平分辨力是從哪里來的呢？在標清領域，CCD技術廣泛地采用了稱為像素空間偏置（Special Offset）的設計與生產工藝，正是這種技術與工藝，有效地提高了圖像分辨力和調制度指標（已超過80%）。這種技術在高清領域的應用，產生了顯著的效果，既平衡圖像分辨力、靈敏度、動態范圍、抗摩爾干擾等指標的關系，同時匹配了記錄格式的特點，實現了高性價比，構成理想的組合。
    下面，首先介紹一下像素偏置技術的原理。

　　
上圖是采用像素偏置技術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，當采用像素偏置技術時，綠色CCD和紅藍CCD將取得不同點的圖像信息，經過DSP數字信號處理之后，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信息則無法得到），而不采用像素偏置技術，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就少多了。在標清廣播級攝像機中，目前基本上都采用了這種技術，所以標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，其結構形式與效果如下圖：