摄像机数字化的优缺点

四 日本胜利公司的 数字摄像机

KY-D200的数字处理(DSP)电路是采用手提式HDTV摄像机KH-100使用的器件。

该机的特点如下:

1. 动态范围大

根据摄像师的要求，特别是希望改进高亮度景物画而出现的白色光晕和色调的变化。为了解决这些问题，提出以确保600%的动态范围做为首要目标。在DSP电路的前级是CCD的输出取样保持电路。在确保600%的动态范围情况下，为了确实拍摄到稍微急剧变化(10ns)的信号而使用取样保持电路，做到电路的高速处理(200MHz)的同时，还能够确保大幅度的CCD输出信号，后面连接有250%和130%的预拐点处理电路及数字处理电路。

在数字自动拐点处理电路里，在信号幅度的70%至110%范围内，为了适应于光通量的变化而随时改变拐点及其倾斜度，以便实现600%的动态范围，如图1所示。

2. 强光的色度处理

在强光条件下拍摄时，随着光通量的增加，图像的色调(Hue)也会改变，从而使画面的颜色变得不自然。为了消除这种现象，对亮度信号(y)进行数字拐点处理，将600%的光通量信号压缩到110%时，将色度信号(C)做为最大值的合成信号，以此为基础进行适度地控制色度信号。最后，对于130%以上光通量的输出信号减少其色饱和度，使强光条件下拍摄的画面颜色自然地变浅。

3. 超低照度功能

KY-D200装有在超低照度条件下拍摄景物的“超低勒克斯”电路。在拍摄低照度景物时，可将增益提升到27dB，并进行CCD水平方向2个像素(相当于+6dB)读出和帧存贮(相当于+6dB)。因此，总增益为398，实现了最低照度0.35勒克斯(镜头为F1.4)。

超低照度拍摄的操作很方便，只要按一下侧面的开关，该电路就可似工作。利用这种功能，使用一部摄像机就可以拍摄从600%强光到0.35勒克斯的低照度范围内的景物。

4. 三维帧巡回型数字杂波

抑制器

使用提高灵敏度和超低照度时，特别对暗部图像的杂波采取抑制措施来提高低照度拍摄图像的质量。

图像信号与水平和垂直方向或帧的像素具有较大的相关性。反之，随机变化的杂波却没有相关性。将它们相加时，图像信号虽然变成2倍电平，但是杂波却因其随机性，而变成 倍电平。根据这个原理，如果采用数字处理，将重合像素信号均方根化，就可以达到减轻杂波的目的。

三维帧巡回型数字杂波抑制器(DNR)不会降低图像(信号)的分解力，但它对于活动图像会产生余像。因此，采用活动图像检出，并对这部分采用JVC独家计算的巡回系数进行处理，从而改变只杂波抑制的适用性。使用摄像机侧面的杂波抑制器开关可以瞬间设定或根据拍摄情况进行设定，如表1所示。图3给出三维帧巡回型DNR功能的示意图。

5. 全自动拍摄功能

KY-D200备有全自动拍摄功能。对于紧急报导和在各种开关未确认或没有时间检查白平衡的调整情况下，可以使用自动拍摄功能。使摄像机的图像信号输出，并且使用自动白平衡跟踪方式及自动光圈工作方式。在低照度拍摄条件下，会自动变成+12dB灵敏度。在高亮度拍摄条件下，给出600%动态范围。与此同时，变成1/60至1/240的电子光圈方式工作。

6. 其它功能

① 平滑变化功能

在切换白平衡存贮器和提升灵敏度时，平滑变化功能可以使图像信号缓慢地改变。特别是当灵敏度提升6dB，而镜头光圈又未关小的状态下，恰好相当于将光圈开大一档(2倍=6dB)。这些切换有可能是在录像机记录过程中或在播出过程中发生，因而平滑变化功能尤为重要。

② 黑色扩展和黑色压缩功能

黑色扩展是提高图像信号电平的底部，使较暗的图像能够重现。

黑色压缩是降低图像信号电平的底部，压缩较暗的图像部分给整个画面增添均匀感。

③ 时标功能

在图像信号输出时可以将内部的时间和日期信号混入。时标切换可以与彩色开关联动。通常彩色信号记录在带头部分，在重入节目时可以看到记录日期。而在编辑时，也会马上确认节目带的制作时间，从而提高编辑工作的效率。

五 日立公司的数字摄像机

Z-VIA摄像机的特点如下：

1. 6种独立的化妆校色

使用过去的技术，实现6种独立的化妆校色需要12个乘法器。现在使用图1给出判定R、G、B输入信号大小的校色方法，可以将乘法器减少到4个，将其与线性矩阵组合在一块DSP芯片里。

数字化以后，做到6种校色独立地改变，而且不会相互影响。

这6种化妆校色是红(R)、绿(G)、蓝(B)、黄(Ye)、紫(Mg)和青(Cy)，各自改变自己的色调和色饱和度。

图2给出矢量示波器显示的调整方法。例如，将R色按顺时针方向移动，图像会接近于紫色。反之，图像会接近于黄橙色。如果将C饱和度向圆心相反方向移动，图像中绿色会更鲜艳。反之，图像中绿色会变浅。

2. 各种轮廓(DTL)校正

① 肤色DTL

肤色DTL具有轻微抑制人物面部图像上的皱纹和褐斑的效果。它是根据RGB三基色信号电平来判定色调，如图3所示，其中只减少面部肤色图像的DTL增益。

此外，轻微抑制肤色的范围可以看着监视器上的画面进行调整，其调整范围是从黄色到红色。

② 高色饱和度DTL

在现有的电视制式中，要求在摄像机里对电视机使用的显像管的失真进行伽玛校正，而且只有在亮度信号里才传送图像的高频分量。因此，像红蔷薇花那样高色饱和度的彩色图像的分解力就会很差，此时，需要使用强调高色饱和度DTL校正。

③ 提升频率改变DTL

水平DTL提升频率可以将DTL信号变宽或变窄，变化范围是两倍。

④ 软DTL

较大幅度的轮廓信号过分强调画面的某个部分，反而会使画面出现闪烁。而软DTL是为了防止图像出现闪烁，只对图像的黑白轮廓部分增加DTL校正。

3. 存贮器卡的系统

如果将摄像师的设定保存在存贮器卡里，则几位摄像师可以共用一部摄像机。

存贮器卡设定参数是使用MS-DOS方式，可以附加画面文件名称、日期和时间，有利于文件管理。摄像师只要插入存贮器卡，在寻像器上会给出菜单画面。

摄像机的全部功能都可以在画面上进行设定并调整。因此，便于将演播室摄像机调整在统一的色调上，从而拍摄出色调一致的高质量图像。

4. 便于操作的功能

只要按下摄像机的自动按钮，自动增益控制(AGC)、通过电子快门的自动光圈控制(AES)、自动白平衡(FAW)就会马上工作，使摄像机进入全自动状态

图4给出两种指定的图像信号电平范围。图像信号电平超过规定的范围，会给出斑马条纹显示。

2. 存贮器卡的设定

在数字摄像机里，各种设定的内容是用数值数据进行管理的。它不需要像模拟摄像机那样，调整电路板上的电位器来确保设定数据的再现性。用存贮器卡易于使摄像机设定的工作状态再现。当然也还能够设定场景文件的控制数据，做到使多部摄像机的色调一致。

摄像机工作时，除了需要读出设定的数据拍摄景物画面和进行最佳数据管理之外，还能够做到统一维护各个摄像机的图像质量，保证摄像机随时可以使用。

存贮器卡是池上公司的标准Smart Media。现在，这种卡已在HC-D45摄像机里使用。

今后，这种存贮器卡会在各种数字摄像机里通用，从而做到廉价、方便地进行文件管理。

三 索尼公司的数字 摄像机

DXC-D30采用40万像素的Power HAD CCD，实现了-12.5dB低拖尾、高灵敏度(F11、2000LX)和850线高分解力。

该机采用三块大规模集成电路进行图像信号的模/数和数/模变换，输出信号为4:2:2形式、10比特量化的数字信号。下面介绍该机的特点。

1. 数字处理的新功能

①亮度信号与色相分开处理(TruEye)

把自然光具有的动态范围纳入到图像信号的有限范围里是摄像机图像信号电路的处理工作之一。

过去摄像机图像信号电路的处理方法是，在红、绿、兰三基色信号范围内，沿着亮度轴方向进行压缩处理。这种压缩处理会破坏三基色信号的组成比例，导致彩色相位的变化。在拍摄人物图像时，人物面部的肤色会随着镜头光圈的变化而变黄。

为了避免彩色相位的变化，在图像信号处理时，将亮度信号与色相分开进行处理。在调整电路时，需要用眼睛盯着人物的肤色，使其保持不变。这就是我们所要介绍的TruEye功能。下面介绍利用TruEye功能对高亮度图像信号电平的拐点处理方法。

图1给出过去摄像机的拐点处理流程。用R、G、B分别代表三基色信号电平，白色(W)是由三基色信号电平运算出来的亮度信号电平。在拍摄人物的肤色时，三基色信号电平如图中(a)所示。如果人物图像的肤色是明亮的，则说明是保持了原来R、G、B三基色信号的比例，只是将它们放大成图中(b)的状态。

如果对R、G、B信号进行拐点处理，电路将高出拐点的电平压缩成图中(C)的状态，它只是将R路的信号电平压低了。最后，虽然达到了抑制亮度信号电平的目的，却将R路的信号电平相对于G路和B路的信号电平比例关系破坏了，从而使人物图像的肤色偏黄。

图2给出数字摄像机利用TruEye功能，将亮度与色相分开进行拐点处理。

摄像机拍摄人物的明亮肤色图像时，三基色信号电平和亮度信号电平如图中(a)所示。TruEye功能是，首先注意亮度信号电平，对超过亮度信号拐点的部分进行压缩，从而得到合适的亮度信号电平；其次是根据合适的亮度信号电平，通过运算来保持经过拐点处理以后的R、G、B信号电平的比例关系不改变，如图中(c)所示。这种运算处理方法是通过数字处理来确保图像的色调不变的同时，只进行了亮度信号电平的压缩。

RruEye功能不仅实现了亮度与色相分开进行拐点处理，还能够做到在不影响色相的前题下，自由地进行亮度信号变换和正确地检出色相(信号)。因此，TruEye是DXC-D30数字图像处理的核心。

②.灰度的最佳化(DynaLatitude)

自然光亮度分布决不是均匀的，在需要同时拍摄室内和窗外的景物时，就会分辨出来低亮度的室内图像与同亮度室外图像。而中间亮度景物的图像又不多见。

过去的摄像机在选择适合于室内拍摄的镜头光圈同时，拍摄室外景物时，图像会发白。而选择适合于室外拍摄的镜头光圈同时，拍摄室内景物时，图像会发黑。如果着眼于中间亮度的景物就变变成不损伤低亮度图像部分和高亮度图像部分，只压缩中间亮度，就能够有效地表现室内和室外图像的灰度层次。

因此，这种进行最佳亮度信号的压缩和扩展，以适应于景物的亮度分布就叫做DynaLatitude功能。该功能在具体实现时，如果是以TruEye为基础，不改变色相的亮度信号处理，则需要借助于数字化最得意的高速统计处理的帮助。

下面介绍同时拍摄车内和车外情况下，DynaLatitude功能进行处理的步骤。

拍摄景物时，车内的亮度和窗外的亮度对人眼睛的感觉是完全不同的。如果把亮度及具有该亮度的像素分布画成图形，则如图3所示，犹如被分成两座山。

根据图像上的亮度分布，将景物集中的低亮度和高亮度部分进行放大，而压缩中间亮度部分，使亮度的分布均匀化，图4给出亮度变换的计算曲线。如果按照这条曲线进行亮度变换，就能够得到车内外具有合适灰度的图像。

如果亮度分布的均匀处理超过需要的范围，就会产生稍有不同感觉的某个图像。此外，对亮度集中的部分过于放大，反而会增加这部分的杂波。为此，要求对亮度变换的效果适合于图像亮度分布的特征，因此有必要进行最佳化控制。

在DXC-D30里，32比特的RISC微机(精简指令系统的计算机)经常掌握着图像的亮度分布状态，将适合于该亮度分布的最佳控制数据加到数字处理电路里，从而制作出如同亲眼见到真实景物的图像。

2. 丰富多彩的细节控制系统

在DXC-D30里，细节(轮廓校正)控制系统的特点是，分别对每个频率最佳化、对每个亮度电平最佳化、对景物的特征最佳化，即是通过数字处理的分割处理。

① 每个频率的分割处理

模拟信号处理时，细节信号是将原图像信号通过滤波器电路取出，并进行适当地放大以后，加到原来的图像信号里，使图像上获得轮廓校正。这种电路难于实现。

而在DXC-D30里是通过数字处理方法，将图像信号分割成三个分量，并任意设定各自的增益以后，与原来的图像信号相加，形成带有细节分量的图像。这种方法可以根据情况，控制细节信号的频率。

② 每个亮度信号电平的分割处理

在图像的高亮度部分和低亮度部分，能够分别改变各自的细节信号值。在DXC-D30的数字处理电路里，要求设定更加合适的细节信号值，因而将图像分成每个亮度电平，进行最佳细节信号值的控制。

③ 每个景物的分割处理

希望对细小的图像加有细节信号，以保持图像的清晰感。不过，对于具有对比度的图像边缘部分加有相同比例的细节信号，会因过于强调细节，图像反而变得难看。明显的例子是，在照明灯下的玻璃杯四周会产生黑色边缘等缺陷。

为了改进这些缺陷，在DXC-D30数字处理电路里，将图像里面的边缘与其它的边缘分开。对边缘的处理是采取对比度越高的图像边缘所加细节信号就越小的措施。

此外，它还附带有取出人物图像里边的肤色部分，只降低肤色部分的细节信号的皮肤细节功能。使用模拟处理电路，当人物的亮度变化时，很难连续地取出肤色部分。而在DXC-D30数字处理电路里，利用TruEye的亮度与色相分开处理，因而能够正确地检出色相，即使人物的亮度变化了，也能够正确地只对肤色部分进行皮肤的细节处理。

3. 灵活地利用数字处理的优点

① 通过数值设定摄像机的特性

在模拟电路里的调整需要使用测量仪器和调整许多电位器，才能够得到所需要的摄像机特性。而在数字处理电路里，所有的设定都是通过数值进行的，如果设定相同的数值，各个摄像机会给出相同的摄像特性，还可以恢复原来的状态。

在DXC-D30里可以灵活地使用数字处理的优点。它备有菜单设定，用来给出摄像机拍摄画面的各种调整内容。

该机除了能够根据导演的意图设定图形和保存三种用户文件之外，还可以与DVCAM录像机、DSR-1录像机联接，将拍摄的节目保存在DVCAM磁带里。

② 自诊断排除故障

DXC-D30的自诊断功能是按照内装的诊断程序，经常地检查数字处理电路的工作状态和大规模集成电路(ISL)之间的连接线及其与微机之间的通信状态，发现异常会给出报警信号，使故障防患未然。

值得一提的是，当DXC-D30联接DVCAM或DSR-1录像机时，它还能够经常地自诊断摄像机与录像机之间的连接线的状态。