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第59章 数字电视传播(11)

(2)数字摄像机的性能指标

衡量数字摄像机性能的主要指标有清晰度、灵敏度、最低照度、耗电量和重量等。

水平清晰度(线)

水平清晰度即水平分解力,也称为水平分辨率,是指图像中心部分沿水平方向能够分辨的电视线数,分辨率越高,图像的清晰度越好。

灵敏度

灵敏度是在标准摄像状态下,摄像机光圈的数值。标准摄像状态指,灵敏度开关设置在0DB位置,景物反射率为89.9%,2000勒克司的照度,标准白光(碘钨灯)的照明条件(色温3200K),图像信号输出为标准输出幅度(700毫伏),此时使用的光圈越小,表示摄像机的灵敏度越高。如光圈为F5.6比光圈为F4的灵敏度要高。目前最高灵敏度为F13。

灵敏度越高,在同样环境下拍摄的图像越清晰、透彻,层次感越强。摄像机的高灵敏度使景深加深,并能得到满意的聚焦,即使在最快的快门速度下,也可以在一定的光线下进行拍摄。

信噪比

信噪比表示在图像信号中包含噪声成分的指标,即放大器的输出信号电压与同时输出的噪声电压的比值,表现为图像中不规则的闪烁细点,单位为分贝(DB),信噪比数值越大,图像信号质量越高。

摄像机的噪声与增益的选择有关。一般摄像机的增益选择开关应该设置在0DB位置进行观察或测量。在增益提升位置,噪声自然增大。反过来,为了明显地看出噪声效果,可以在增益提升的状态下进行观察。

噪声还和轮廓校正有关。轮廓校正在增强图像细节轮廓的同时,使得噪声的轮廓也增强了,噪声的颗粒增大。在进行噪声测试时,应关掉轮廓校正开关。

最低照度

最低照度是在一定信噪比的条件下,比较所需景物照度的大小。最低照明度是测量摄像机感光度的一种方法,通俗地说,指摄像机能在多黑的条件下可以看到可用的影像。勒克司(Lux)是用来测量投射在物体上的光的数量的米制单位,在英国叫做尺烛光(lumen),欧洲其他区域叫做Lux。具体地说,1Lux等于一支蜡烛从1米外投射在一平方米的表面上的光的数量。

照度越低说明摄像机灵敏度越高,所以,这也是灵敏度的另—种表示方法,有些摄像机的指标中不列此项。

影响最低照度的主要因素是镜头的聚光能力,即投射到物体上又被物体反射给镜头的光。浅色的、反射性的物体表面比暗色的物体表面在弱光下拍摄出的效果要好。

一般来说,数字摄像机CCD尺寸越大,就越能在低照度环境下拍摄出优秀的画质。

最低照度越小,对拍摄环境照度要求越低,可以在较暗的照明条件下得到干净的图像,适应性越强。电子手段可以提高灵敏度,如双像素读出技术,但清晰度有所下降,目前最低照度多为理论计算值。有些摄像机在使用中若打开最高增益开关,应将图像噪声抑制开关同时打开,以减少画面杂波。

动态范围

摄像机能够处理输入光通量超过正常最大光通量的比例,是摄像机的动态范围。

现在,优良摄像机的动态范围可以达到600%。

量化比特数

专业级数字摄像机一般都符合ITU-R601(即CCIR601)4∶2∶2的采样要求,即Y信号采样频率13.5MHZ,色度信号采样频率分别为6.75MHZ,量化级可以为10、12、14比特甚至更高。比特级越大,产生的量化噪声越小,而且在运算和处理中可以获得较高的处理和调整精度。有的摄像机采用4∶4∶4的采样格式,甚至4∶4∶4∶4,即在亮度、两种色差信号之外,还增加了专用的键信号,供信号处理时使用,每种信号取样频率都是13.5MHZ。

快门速度

对于PAL制摄像机来说,1/50的快门速度是标准速度,而更快的快门可以和光圈匹配调节控制景深效果,大光圈和高速快门配合长焦距可拍摄出主体突出、背景虚化的画面。如果拍摄目的是为了单帧解析,比如分析快速运动的人或物体的动作,为了获得清晰的单帧影像,就需要将摄像机快门速度调得更高,这样,在静像或者慢动作重放时比正常快门速度更清晰。对于摄像机来说,通常1/1000被称为高速快门。

摄像机快门的另外一项调整是基于电脑显示器的扫描同步而出现的。普通的CRT电脑显示器扫描频率在60~120Hz,传统的快门速度无法涵盖这个区域的每个扫描速度,因此拍摄的画面上就会产生黑条和频闪画面。目前专业数字摄像机都配备了“清晰扫描”技术,使用无级调整电子快门技术可以匹配电脑显示器的扫描频率。

增益AGC

摄像机都有一个把CCD输出的信号放大到可以使用水准的视频放大器,其放大量即增益。如果现场光线在光圈调到最大的情况下依然达不到CCD工作的最低要求,就要使用增益。所谓自动增益,是利用摄像机的自动增益控制电路去探测视频信号的电平,适时地打开增益电路,从而使摄像机能够在较大的光照范围内工作,即在低照度时自动增加摄像机的灵敏度,从而提高图像信号的强度来获得较为清晰的图像。

对于大部分肩扛式摄像机来说,都设置了三个档位的增益开关,在环境光线不足的情况下摄像师可以选择是增加灯光提高照度还是打开增益开关;而大部分手持便携式机器上没有这个开关,系统默认的设定状态是,在1/50的快门速度下,当光圈开到最大时依然曝光不足,将自动打开增益。但是打开增益付出的代价是噪波的增加和信噪比的降低。这种噪波在摄像机的液晶屏上是很难察觉的。所以,使用这种机器时一定要注意自动增益的问题,如果不希望在牺牲画面质量的前提下拍摄画面,最好是关注一下菜单中能否将自动增益开关关掉。

其他方面的特性指标有:(1)调试使用中的方便性、自动化程度。如自动光圈控制,自动黑、白平衡调整,自动告警提示功能(机器调整使用的情况、磁带和电池耗费的情况)等。(2)长期使用中以及在恶劣环境中的安全稳定性。如耐冲击震动的能力、使用环境温度的范围等。(3)对各种非标准照明的适应性。如对高照度的适应性、对低照度的适应性、色温校正范围等。(4)信号接口的多样性。此外,镜头的变焦倍数、近摄距离,机器本身的体积、重量、功耗等,在实际使用中都是很重要的指标。

相对于模拟设备来说,数字摄像机具有体积小、重量轻、性能好的明显优势,既能在演播室工作,也适合在野外工作,机动性强。数字摄录机对各种环境的适应能力也越来越强,在高亮度、低照度、大反差、低分辨率和高温、低温、粉尘、震动等恶劣环境条件下仍能正常工作,并且在表现变化细微的色度、色调、明度、层次、轮廓感、空间立体感诸方面效果令人满意。

2.数字录像机——数字电视信息记录设备

摄像机输出的处理后的电信号由录像机记录在存储介质上。各电视台和制作单位制作节目时需要消耗大量的记录媒体,包括待编辑的素材、已完成的节目、素材和节目的拷贝、与他人的交换等,很多珍贵素材和节目也需要长期保存,所以低价格、便于携带和保存、高质量和高可靠性是新一代记录媒体必须具备的条件。磁带仍然是存储介质中单位存储信息成本最低、容量最大、标准化程度最高的常用存储介质之一,它互换性好、易于保存,近年来由于采用了具有高纠错能力的编码技术和即写即读的通道技术,大大提高了磁带存储的可靠性和读写速度。光盘、硬盘、半导体存储器等新型介质也因为其优良的存储性能逐渐被广泛应用。

(1)数字磁带录像机的格式与性能指标

数字磁带录像机的格式分为高清和标清两大类。

标清数字录像格式按档次分为民用级,如DIGITAL8(D8)、MINIDV、MICROMV格式;专业级,如DVCAM格式、DVCPRO格式;广播级,如BETACAMSX、DIGITALBETACAM、D1、D2、D3格式等。

标清格式按是否压缩可分为非压缩格式和压缩格式两大类。非压缩格式诞生较早,最早的D1格式是最有影响力的专业数字格式,并已成为国际标准。现在在评价非线性编辑系统输出的视频质量时,经常与D1格式相比较。D1格式按ITU-R601标准,以4∶2∶2采样、8bit量化进行分量编码,使用3/4英寸磁带记录视频。对于音频,以48KHz频率采样、20bit量化,具有4个独立的音频通道。除D1格式外,还有D2、D3、D5非压缩格式,其中D2、D3格式记录复合视频,D5采用YUV分量记录方式,D2数字录像机使用3/4英寸磁带,D3、D5使用1/2英寸磁带。非压缩格式的数字录像机图像质量很高,但价格昂贵。

采用压缩技术的数字录像格式主要有数字Betacam格式、Digital-S格式、Betacam-SX格式、Digital-8格式、DV格式以及在DV格式基础上发展起来的DVCPRO格式和DVCAM格式、MiniDV格式和MICROMV格式。它们都采用了YUV数字分量记录方式,各格式的区别主要在采样格式、压缩方式、信噪比以及存储介质等方面。

Digital Betacam格式:SONY推出的广播级数字磁带录像格式,信噪比达到62dB,采用4∶2∶2采样格式、10bit量化,并使用基于DCT的电平自适应帧内压缩方式,压缩比为2.3∶1,采用1/2英寸金属带,具有4通道48KHz采样、20bit线性量化的数字音频。具有复制30代而无损失的图像质量,并能兼容重放Betacam-SP模拟分量格式的录像带。

Digital-S(D9)格式:JVC公司推出的广播级数字压缩格式,信噪比高于55dB,采用4∶2∶2采样格式、8bit量化,使用DCT帧内压缩方式,能达到广播级质量。其压缩比为3.3∶1,记录码率为50Mb/s,具有2通道48KHz采样、16bit量化的数码音频。

Digital-S格式充分考虑了与S-VHS录像带的互换性,采用1/2英寸金属带,机械结构与VHS相同,具有编辑处理图像功能,向下兼容重放S-VHS录像带。其图像质量接近Digital Betacam水平。Betacam-SX格式:SONY推出的另一种广播级数字磁带录像格式,采用4∶2∶2采样格式、8bit量化,压缩采用MPEG-2标准,压缩比达10∶1,记录码率为18Mb/s,图像质量优于Betacam-SP。音频采用4通道48KHz采样,16bit量化。Betacam-SX格式采用1/2英寸金属带,其DVW-A系列录像机可向下兼容重放Betacam-SP录像带。Betacam-SX录像机还首次采用了无循迹重放方式,通过加装4个重放磁头,提高了可靠性。

DVCPRO(D7)格式:松下公司在家用DV格式的基础上开发的专业级数字分量录像格式。它采用4∶1∶1采样格式、8bit量化和DCT帧内压缩方式,压缩比为5:1,记录码率为25Mb/s,信噪比大于54dB,具有2通道48KHz采样、16bit量化的数字音频。它使用1/4英寸金属微粒带,磁迹宽度18μm,具有兼容重放家用DV格式录像带的能力,其图像质量相当于标准型Betacam-SP。另外,松下公司在DVCPRO的基础上还推出了4∶2∶2采样、记录码率为50Mb/s的广播级格式DVCPRO50,图像信号压缩为比3.3∶1,旋转磁头数和走带速度都比DVCPRO增加了一倍。

DVCAM格式:索尼公司在DV格式基础上开发的专业级数字分量录像格式。和DVCPRO一样,其目标是高画质、小型、轻量和低价格。它采用4∶2∶0采样格式、8bit量化和DCT帧内压缩方式,压缩比为5∶1,记录码率为25Mb/s,信噪比大于54dB,具有2通道48KHz采样、16bit量化的数字音频。它使用1/4英寸金属微粒带,磁迹宽度15μm,与DV格式双向兼容,即DV格式磁带可以在DVCAM录像机上重放,DVCAM录像机也能在MiniDV格式录像机上重放。其图像质量相当于Betacam-SP。

DV(DigitalVideo)格式:在家用数码录像机开发研制初期,为了避免重演模拟录像机格式之争,由全世界主要的视频设备制造商组成的“高清晰度数字录像机协会”联合制定的一个家用数字录像格式。作为国际标准格式,已得到全球55个大公司的认可。DV格式采用4∶2∶0(PAL)、4∶1∶1(NTSC)采样格式、8bit量化和DCT帧内压缩方式,压缩比为5∶1,记录码率为25Mb/s,信噪比可达54dB。对音频采用32KHz采样、16bit量化的双声道立体声方式,也可采用32KHz采样、12bit量化的四声道方式。

DV格式使用1/4英寸金属微粒带,磁迹宽度10μm。目前DV磁带有两种,一种是标准DV带,记录DV格式最长为276分钟。另一种则是miniDV带,一般为60分钟,最长为80分钟(SP模式),LP模式可延长拍摄时间至带长的1.5倍。一般家用摄像机使用的录像带都是miniDV带,我们所说的DV也是指MiniDV。

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