高清攝像機CCD技術特點

　　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 ：

　　采用像素偏置的方法后，必須再通過 DSP 數字處理之后，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 ：

　?。遥剑?L ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　?。牵剑?Ｌ ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　?。拢剑?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系如下表：

　　◎ ： 主要因素 ○ ： 次要因素

　　在開發高清攝像機時，面臨了許多問題，首先就是 CCD 的技術，從像素來定義的高清格式來看，每幀圖像的像素數是 1920 × 1080， 是標清攝像機的 4 倍，在同樣尺寸的 CCD 面積上 （2/3 吋 ） 增加 4 倍數量的像素數，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，首先對 CCD 組裝工藝就是一個挑戰，其次是對像素讀出技術和相應的 DSP 技術提出了更高的要求。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的。在小型攝像機系統中， 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，每個像素的面積太小，對靈敏度和動態范圍的影響將會非常嚴重，因此， 1/3 吋 CCD 的像素數一般小于 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，逐行系統有更好的靈敏度和動態范圍。

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