高清摄像机CCD技术特点 - ccd技术的原理与应用及高清摄像机CCD技术

　　高清摄像机CCD技术特点

　　CCD 像素空间偏置 DSP 图像分辨力

　　当前，电视节目的制作领域正在快速地由标清向高清过渡，近三年来，越来越多的电视剧使用了高清拍摄，高清版用于中央电视台高清频道的播出及海外发行，下变换的标清版用于标清播出，获得了比用传统标清摄像机更清晰的图像效果和更好的色彩表现， 16:9 的画幅比也使视野更为理想。随着技术的发展，在高清的摄像机中应用了更多的新功能，为摄影师提供了更多表现手法的手段。另外，由于高清摄像机的图像质量非常接近胶片的图像，使得电影制作领域也在使用高清摄像机来拍摄，再通过磁转胶的方式在传统的影院放映，或者直接在数字影院放映。采用电子的拍摄手段减少了胶片的投入、直接回放缩短了拍摄周期、容易进行电脑特技制作等优势，大大降低了电影的制作成本。因此，一些专门设计的针对电影拍摄者功能需求的摄像机，如可以使用电影镜头、完全类似胶片摄影机的操作性能、以及对应胶片宽容度的伽玛曲线等特性，高清摄像机在电影界得到了广泛的应用。

　　随着高清应用的增多，有关高清概念的争论也越来越多，比如高清的格式、高清的跟焦、高清的景深、高清的压缩格式等等，与标清有明显不同的是有关 CCD 像素数量的区别引起了更多的关注，甚至出现了“真高清”与“假高清”的说法，例如对于常见的采用小于 200 万像素 CCD 的摄像机和 720/60p 或 720/50p 的高清格式被称为“假高清”。其实从隔行扫描的原理来看，由于运动物体及物理与视在并行等原因，其主观评价的清晰度只是总扫描线×隔行扫描系数 （ 约为 60%-70%） ，因此 1080i 的垂直清晰度与 720p 的垂直清晰度并无差别。

　　摄像机首先是要将光信号转换为电信号，光电转换器件的性能对摄像机的整体性能将产生决定性的影响。当前的摄像机都采用了 CCD 作为光电转换器件， CCD 的成像原理决定了图像进行光电转换时不是作为连续的电信号输出，而是直接转化为点阵图像单元，因此， CCD 输出的图像极限清晰度将与 CCD 的原始像素数密切相关，也就是说摄像机的最终图像分辨力与 CCD 的像素数密切相关。由于 CCD 技术的成熟度很高，在标清情况下， CCD 的像素数已高于理论上的标清分辨力极限。从数字化标准来看， Y 信号的取样点数不管是 NTSC 或者 PAL 均为每行 720 个点， PAL 制为 720 × 576 个取样点， NTSC 为 720 × 480 个取样点， PAL 制总有效像素为 414720，NTSC 制总有效像素为 345600， 而目前广播级的摄像机 CCD 的像素数都在 48 万像素以上 （ 画幅比可调的摄像机 16:9 模式为 60 万像素， 4:3 模式时为 48 万像素 ） ，其标称的模拟清晰度水平已达到了 700 线至 800 线，因此大家都不再去关心 CCD 的像素数，而某些更高像素的标清摄像机，由于格式的原因，也同样体现不出比 60 万像素摄像机的图像质量更高。对于高清的摄像机，在产品设计时， CCD 的像素数出现了 200 万、 150 万、 120 万等几种像素结构类型，而高清的格式不管是 50i 、 60i 、 30p 、 25p 、 24p 等何种帧频，其每帧画面的取样比均为 1920 × 1080 或 1280 × 720 （ 主要用于逐行格式 ） ，表面来看，显然小于 200 万像素 CCD 不能满足 1920 × 1080 高清格式的取样点数，因此很多人的注意力放在了 100 万像素 CCD 的摄像机上，认为这样的摄像机在记录格式为 50i/60i 时只能算作“假高清”，不能作为专业应用。而实际情况真是这样的吗？其实不然，主要原因是忽视了在 CCD 开发与生产中的一些特殊的技术与工艺。

　　在标清领域，大家忽略了一个问题，按照 CCD 的像素数量， PAL 制水平方向只有 768 个像素，换算成电视分辨力为 768 × 3/4 ＝ 576 电视线，因此水平清晰度不可能超过 600 线，可是多数摄像机的标称水平清晰度均已超过 700 线，有的甚至达到 850 线，什么原因呢？首先这是模拟分量输出的指标，数字输出由于其水平取样点为 720， 相当于 720 × 3/4 ＝ 540 电视线，其指标不应大于 540 线。那么，超过 700 线的水平分辨力是从哪里来的呢？在标清领域， CCD 技术广泛地采用了称为像素空间偏置 （Special Offset） 的设计与生产工艺，正是这种技术与工艺，有效地提高了图像分辨力和调制度指标 （ 已超过 80%） 。这种技术在高清领域的应用，产生了显著的效果，既平衡图像分辨力、灵敏度、动态范围、抗摩尔干扰等指标的关系，同时匹配了记录格式的特点，实现了高性价比，构成理想的组合。

　　下面，首先介绍一下像素偏置技术的原理。

　　上图是采用像素偏置技术对提高分辨力效果的示意图，被摄对象的频率反映的是图像的细节，当采用像素偏置技术时，绿色 CCD 和红蓝 CCD 将取得不同点的图像信息，经过 DSP 数字信号处理之后，就可以得到红色曲线的图像信息 （ 如物体有高于红线的细节信息则无法得到 ） ，而不采用像素偏置技术，则只能得到如蓝色曲线的图像信息，显然，实际输出的图像细节就少多了。在标清广播级摄像机中，目前基本上都采用了这种技术，所以标称水平分辨力都大于 750 电视线。

　　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扫描线数的限制，增加垂直方向的分辨力能力将没有意义。而在高清系统中，还有一种 CCD 采用了水平 / 垂直两个方向的像素偏置方法，其结构形式与效果如下图 ：

　　采用像素偏置的方法后，必须再通过 DSP 数字处理之后，才能真正达到提高分辨力水平的效果，其工作原理为：将 CCD 输出的 R 、 G 、 B 原始信号通过以下的处理，变换后的信号就包含了像素偏置而得到的高频率的图像信息。

　　计算方法为：将Ｒ、Ｇ、Ｂ信号分为低域成分Ｒ L 、Ｇ Ｌ 、Ｂ Ｌ 和高域成分Ｒ Ｈ 、Ｇ Ｈ 、Ｂ Ｈ ，进行下记演算 ：

　　Ｒ＝Ｒ L ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　　Ｇ＝Ｇ Ｌ ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　　Ｂ＝Ｂ Ｌ ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　　因此，虽然 CCD 在分辨力能力中起着主要的作用，但同样不能忽视 DSP 对分辨力的作用，两者极佳的配合决定了摄像机整体的分辨力水平。

　　从摄像机的工作原理来看，其基本性能与部件的关系如下表：

　　◎ ： 主要因素 ○ ： 次要因素

　　在开发高清摄像机时，面临了许多问题，首先就是 CCD 的技术，从像素来定义的高清格式来看，每帧图像的像素数是 1920 × 1080， 是标清摄像机的 4 倍，在同样尺寸的 CCD 面积上 （2/3 吋 ） 增加 4 倍数量的像素数，则每个像素的面积将减小很多， 2/3 吋 220 万像素 CCD 的每个像素的边长只有 5 μ m ，如果同样采用像素偏置技术，首先对 CCD 组装工艺就是一个挑战，其次是对像素读出技术和相应的 DSP 技术提出了更高的要求。因此，目前市场上的高清摄像机 CCD 就不全是采用像素偏置技术的。在小型摄像机系统中， CCD 的尺寸有 1/2 吋，或者更小的 1/3 吋，对于 1/3 吋 CCD 来说，如果制造多达 220 个万像素数，每个像素的面积太小，对灵敏度和动态范围的影响将会非常严重，因此， 1/3 吋 CCD 的像素数一般小于 100 万像素，主要有隔行方式的 100 万和逐行方式的 60 万像素两种，逐行系统有更好的灵敏度和动态范围。

　　在逐行扫描方式的 CCD 中，采用了被称为 A.P.T 的技术，就是 Advanced Progressive Technology ，其工作原理如下图所示。根据电视原理，每一场只读取 1080 行的一半，即 540 行，隔行扫描系统总扫描行数要乘以一个隔行扫描系数 （ 约 0.7） 才是实际的垂直清晰度， CCD 扫描系统在隔行工作模式下也一样。而在逐行系统中 CCD 是一直工作在逐行模式下，当这种 CCD 用于隔行系统的记录时， CCD 工作模式不变，每一场都是读取全部的垂直像素数 （720 行或 540 行 ） ，在 DSP 处理时，将 720 行 （ 或 540 行 ） 进行交叉变换为隔行系统所需要的每场 540 行 （ 每帧 1080 行 ） ，水平方向上，根据理论分析与实践中的测试结果，采用像素偏置后其分辨力为实际像素数的 1.5 倍。