数字摄像机特点.doc

数字摄像机特点电视摄像机已进入数字化阶段。1989年第一台数字信号处理(DSP)摄像机松下AQ-20进入我国市场，当时只用了8b量化的A/D变换器。此后Sony DVW-700、池上HL-57等10b量化DSP摄像机相继推出。1995年后DSP摄像机性能和质量全面提高，同时适应多媒体要求的逐行扫描摄像机也投入使用。 在数字摄像机中，摄像器件仍是模拟工作的，只是视频处理数字化。与模拟摄像机相比，在图像质量和使用方面都有许多特点。本文将具体阐述摄像机数字化的特点。一 量化比特数要高于演播室的要求 演播室设备所处理的视频信号电平都限定在100%的标准电平，而且是经过校正的信号。ITU-R601对演播室数字信号编码规定的最低要求是用8b量化。数字摄像机输出的信号质量应达到ITU-R601规定的最低要求。所以初期数字摄像机都采用最少 8b量化。现在10b A/D转换器已成为当今主流，这两年12b A/D转换器也出现在摄像机中。 A/D变换和DSP会引入量化噪声。摄像机的信杂比现达到6062dB。当然，这是在去掉校正时测量的，实际上没这么高。如果用8b量化，由于DSP使摄像机的信杂比下降0.7dB，对于ENG应用，这个损伤还是容许的，但是要采用预校正、黑色低通以及颤抖校正来减小伪轮廓效应和降低量化噪声。对演播室用的摄像机必须用10b以上进行量化，使量化噪声对摄像机的信杂比损伤小于0.5dB。如果用14b量化，则信杂比降低量小于0.2dB。这么小的变化，人眼觉察不到。 保证数字摄像机的图像质量符合ITU-R601规定的演播室质量，首先要保证数字信号的量化级差相同。因此，用10b量化不能使视频处理全部数字化，必须先经过部分模拟处理后才能进行A/D变换。若从预放开始数字化，则需要更多量化比特。 现在CCD图像传感器的动态范围已达到600%，由于10b A/D转换器受到量化比特数的限制，所以在进行A/D转换之前，在模拟预放器中要进行预拐点处理，将600%的信号压缩至226%，相当于1023量化级，其中拐点设在130%处。12b A/D转换器可直接处理600%的信号，所以在进行A/D转换前没有必要对信号进行压缩处理，使得信号的非线性处理（如较正、拐点处理等）过程得以在数字范畴内进行。故它不仅可以保留10b A/D处理时暗区有很高的细节，而且使得高光区域的图像色彩更加逼真。二 具有4:3至16:9切换功能 为了在现有系统中实现16:9幅型比画面，开发了4:3、16:9可切换的数字摄像机。实现这一转换主要有两种方法。 1.左右“遮幅”方式 广播档摄像机的CCD成像靶面为2/3，即对角线尺寸为2/3。左右遮幅方式，是把2/3CCD以16:9方式做出感光靶面，当以4:3方式工作时，则截取靶面的中间部分。这种方法CCD制作比较简单，在IT-W和FIT-W型CCD摄像机中得到广泛应用。 具体作法是：通过改变CCD的时钟频率和读取范围，以电子方式改变CCD的有效区域，即去掉画幅的左右部分，从而实现16:9到4:3的转换。如图1所示。可以看出，在输出16:9格式图像时，CCD的水平读出时钟频率为18MHz。在输出4:3格式图像时，保持垂直扫描行数不变，有效行期间仍为52s，水平分解力不变。比较4:3与16:9可知，在上述条件下，两种格式的像宽之比为3:4。在16:9的CCD上只读出中间3:4宽的图像，即可输出4:3格式的图像。CCD两边各丢掉1/8像宽的图像。因为要保持行正程时间不变，都是52s ，所以4:3格式的水平读出时钟频率应为18MHz3/4=13.5MHz。 使用左右“遮幅”技术进行宽高比转换时，对应两种宽高比情况下CCD的水平像素数将有所不同。通常,在16:9时总像素为60万的CCD,在4:3时有效像素数将只有40多万，这将使摄像机的水平清晰度(调制度)大打折扣。若16:9时摄像机的调制度(对应5MHz)为70%，则4:3方式时调制度将下降到50%。并且，对应于两种宽高比格式，视频信号的读出扫描频率不同，还会对摄像机预放器电路提出不同要求，必需进行相应的调整。 为了弥补清晰度方面的损失，CCD生产厂家又研制了74万像素的CCD，确保4:3格式下仍能够获得60万像素，使其调制度达到70%以上。但是，在CCD靶面尺寸不变的情况下，增加像素数将会导致每个像素变小，这又会影响到摄像机的灵敏度和动态范围。 采用左右“遮幅”方式还会带来成像靶面水平视场角变化。如图3所示，对应的4:3格式时水平视场角为44，对应的16:9格式时则为57。若使用一固定镜头以不同宽高比进行拍摄，构图大小将发生变化，见图1。从另一个角度讲，所对应的镜头变焦比无法在两种情况下均与镜头的标称一致。因此，使用“遮幅”镜头的摄像机，要根据不同宽高比选用相应的镜头，或使用带有宽高比可转换功能的镜头。 2.DPM（动态像素管理）技术 另一种宽高比转换方法是汤姆逊的DPM技术。其数字摄像机内装配了4:3格式的CCD，每一行的水平像素为1000，如图2所示。以4:3格式为基础，在输出16:9格式图像时，它可以自动地把垂直方向的三个像素或四个像素组合在一起，成为一个新的像素元，分别适应16:9或4:3格式的需要；而且无论在哪一种格式下，每一行的水平像素不变；同时通过严格的计算，可以不改变垂直方向的行数，从而确保了行场方向的分辨率，并且不改变水平方向的视角范围。 由于使用了DPM技术，无论在哪种方式下拍摄，CCD在水平方向均为1000个像素。因此，在不同宽高比时其调制度将保持不变，均为70%。这意味着水平清晰度不会因宽高比的变化而变化。在视频电路方面，由于对应于两种宽高比的CCD的扫描频率未发生变化，从而保证了CCD之后电路调整的一致性。并且，在一场时间内，对应两种宽高比，其垂直扫描线数仅取决与摄像机所使用的电视制式，所以垂直清晰度也不会因宽高比的变化而变化。因此，这种转换也被称为“无损切换”。另外，对应两种宽高比，其画面的水平视场角也未发生变化（如图3所示），因而无需考虑镜头变换问题，进而节约了镜头方面的投资。 当然，由于DPM基于复杂的CCD制造与控制技术基础，导致摄像机成本提高，限制了它在经济型摄像机中的推广应用。除标清摄像机外，这种CCD处理技术还可运用于高清摄像机。三 抽样频率高 在DSP摄像机中，大多数都装配了像面宽高比为16:9的CCD，水平方向的像素达1000个以上，水平抽样频率为18MHz，每一行的有效像素为：N=52s18MHz = 936个。按ITU-601规定的编码标准，对像面宽高比为4:3的图像，每行有效值数为N=52s13.5MHz=702个。936/702 = 4:3,在扫描行数相同的条件下,16:9与4:3图像的宽高之比是4:3.水平抽样频率提高到18MHz,可保证16:9图像的水平分解力与4:3图像的相同。 如果CCD的像面宽高比是4:3，936有效像素也需要用18MHz的时钟读出。18MHz与数字处理的取样频率有简单的变换关系：18MHz3/4 =13.5MHz。 在摄像机的DSP放大器中A/D前和A/D后都要进行一些非线性处理，如A/D前要限幅和预弯曲，A/D后有校正、白压缩和白切割。非线性都会产生高频谐波，引起频谱混叠失真。A/D前的非线性只影响高亮度区，而A/D后的非线性影响更大。为减小混叠失真干扰，A/D的抽样频率用18MHz，A/D后的数字处理将时钟频率提高到36MHz。四 低功耗大规模集成电路 DSP电路规模较大，功耗、体积也都增大。现在的集成电路元件内部线宽已减小到0.5m，工作电压从5V降低