第1章数字电视摄像机概述.ppt

第1章 数字电视摄像机概述,1.1 数字电视摄像机的发展史,电视摄像机经历了以下几个明显的技术发展阶段：黑白电视摄像机单管彩色电视摄像机三管彩色电视摄像机CCD电视摄像机数字电视摄像机数字高清电视摄像机,由此可见，电视摄像机的发展经历了从模拟到数字、从标清到高清的历史演变过程，并且随着科学技术的进步，还会有更新型的电视摄像机的面世。,1.1.1模拟电视摄像机,电子真空管摄像机（单管）,电子真空管摄像机（三管）,1.1.2功能局部数字化,到了20世纪80年代中期，出现了采用固体器件CCD进行光电转换的板式摄像机，引发了电视摄像机技术的一次“革命”。,1989年，松下公司推出了世界上第一台数字处理电视摄像机AQ-20，标志着电视摄像机开始向数字化方向发展，电视摄像机的功能和质量产生了新的飞跃。但是，这还不能算作完全意义上的数字电视摄像机，因为它只是在视频信号处理和自动调整部分应用了数字技术，而与其匹配的一体化录像单元还是模拟分量的，因此，最后输出的仍是模拟信号。,1.1.3全数字电视摄像机,完全意义上的数字电视摄像机出现在上世纪90年代，它不仅将数字技术应用于视频信号处理和自动调整部分，而且还输出高质量的数字信号。由于此阶段的电视摄像机普遍采用CCD作为光电转换器件，舍弃了笨重的摄像管，摄像机机身的体积大大缩小，再加上新格式录像机的小型化，电视摄像机的摄录一体化和小型化终于全面实现。,到了90年代中后期，数字录像技术已经发展成熟，为摄录一体机的整体数字化奠定了基础。DV、DVCAM、DVCPRO、数字Betacam等格式的小型数字录像单元可以与数字电视摄像机机身结为一体，将信号直接录制到数字磁带上。不仅如此，数字电视摄录一体机在性能上也获得了突飞猛进的发展，图像质量和声音的调节功能大大增强，一台小型专业数字电视摄像机记录的图像质量远远超过了过去广播级高档电视摄像机的图像质量。,磁带摄录一体机,硬盘摄录一体机,光盘摄录一体机,半导体存储卡摄录一体机,标清数字电视摄像机,高清数字电视摄像机,4：3,16：9,1.2 数字电视摄像机简介,与模拟电视摄像机相比，作为数字技术产物的数字电视摄像机具有更为强大的功能和更为可靠的技术特点。数字电视摄像机种类繁多，标清、高清、特殊用途摄像机以其不同的技术指标和特点被用于不同的拍摄场合。,1.2.1数字电视摄像机的功能及特点,数字电视摄像机的功能将光信号转换成电信号，处理后记录在存储介质上 实时录制、即时播放 动态地再现现实场景 多台联合可以现场制作,随着数字电视摄像机技术的发展，目前生产的数字电视摄像机除了具有上述基本功能之外，还具有以下几项新增的功能。,支持16:9的宽屏幕电视画面自动白平衡跟踪 细节控制 电子柔焦 新型超级V功能暗部扩展和压缩控制 EZ模式和EZ聚焦,数字电视摄像机的特点,由于数字电视摄录一体机是能够完成“光电光”图像转换过程的高科技电子设备，因此，它的产物活动影像是能够“立杆可见”的。数字电视摄像机具备的色温滤色装置和黑、白平衡调整系统，对摄录操作和具体工作提出一些相关要求。,适合于使用计算机处理。简化了调整机构和调整方式。可以实现精确细致的调整。集光、电、磁等高新技术于一体。,数字信号处理比模拟信号处理的优势,1)模拟信号在处理和传输的过程中，难免产生失真和噪声。一旦产生了失真和噪声，降低了信号的质量，就很难恢复；而数字信号具有优良的稳固性，在存储和传输的过程中，不易产生失真。模拟处理的本质是信号复制，伴有信号失真；数字处理的本质是信号再生，因此可以准确重现无噪声和失真的信号。,2)模拟信号很难对特定的某一段幅度或者频率特性单独进行调整，为了调整其中的某一段特性，可能引起其他部分特性的改变。另一方面，如果需要几种参数配合调整，就显得非常困难；而在数字处理时，可以对信号的某一部分特性单独进行调整。,1.2.2数字电视摄像机的种类,1.按用途分 广播电视用和特殊用途用摄像机 广播电视用摄像机主要用于广播电视系统，技术指标高、图像质量好，但价格昂贵；除了用于广播电视外，还有其他用途的摄像机都可称为特殊用途用摄像机，如用于工业、交通、医疗、航天探测、商业监视、图像通讯、水下摄影、红外监测等领域。,2.按性能分 广播级 专业级 民用级,三片、二片和单片摄像机 3CCD摄像机，分别产生出红、绿、蓝三个基色信号，能够得到很高的图像质量，彩色还原好，清晰度与信噪比高，但体积大，价格高，主要用于广播级和专业级数字电视摄像机；单CCD摄像机，采用一个CCD芯片，结构简单、体积小、价格低，图像质量能满足非专业需要，主要用于监视系统及家庭娱乐类数字电视摄像机。,3.按摄像器件数量的不同分,4.目前的数字电视摄像机使用的摄像器件主要是CCD，按CCD芯片的尺寸分，主要有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸和1/6英寸等多种类型。,1/4 英寸 监控 3.22.4mm1/3英寸 家用 4.43.3mm1/2英寸 专业 6.44.8mm2/3英寸 广播 8.86.6mm1 英寸 广告 12.89.6mm,5.按节目制作方式分 演播室（ESP）用摄像机 电子现场制作（EFP）用摄像机 电子新闻采集（ENG）用摄像机,6.按存储介质分 盒式磁带记录式 硬盘记录式 半导体存储卡记录式 光盘记录式,索尼HDC1000演播室摄像机,光盘记录方式,半导体存储卡记录方式,半导体存储卡记录方式,硬盘记录方式,1.2.3数字电视摄像机的性能和技术指标,1.信噪比 S/N 信噪比是指在标准照明度（2000lux）下，数字电视摄像机图像的有用信号与视频噪波的有效值之比，用分贝（dB）来表示，信噪比越高越好。最近，摄像机的信噪比可以做到65dB。用肉眼观察，已经不会感觉到噪声颗粒存在的影响了。,分解力是指数字电视摄像机分解图像细节的能力，包括水平分解力和垂直分解力。水平分解力是指沿水平方向分解图像细节的能力，垂直分解力是指沿垂直方向分解图像细节的能力。水平分解力用水平方向上能分辨出的黑白相间垂直线条的线数来表示，其单位为电视线。水平方向上分辨出的黑白相间垂直线条越多，则表明摄像机的性能越好，分解力越强，图像清晰度越高，细节还原也就越丰富。,2.分解力,例如，廉价的单集成电路片数字电视摄像机只能提供250线的水平分解力，而配备3CCD的高质量的数字电视摄像机却能提供600-900线的水平分解力，数字高清电视摄像机的水平分解力高达1000线。,3.灵敏度 数字电视摄像机的灵敏度是指在标准摄像状态下，图像信号达到标准输出幅度时，摄像机光圈的数值。标准状态指的是，增益开关设置在0db位置，摄像机拍摄色温为3200K、照度为2000lux（勒克斯）、拍摄对象的白反射系数为89.9%。例如，若某一摄像机的技术手册中标出该摄像机的灵敏度为2000lux（3200K，89.9%）、F8.0，其中2000lux（3200K，89.9%）指测量条件，F8.0指的就是该数字电视摄像机的灵敏度。F值越大，灵敏度越高；反之，灵敏度越低。,4.最低照度 最低照度是指在光圈和增益都开到最大时，摄像机输出标准电平值所需的最低照明强度。它在一定程度上表示了摄像机对低照度环境的适应能力。最低照度与摄像机的灵敏度有关，摄像机能够适应的最低照度值越小，摄像机的灵敏度越高，其适应环境的能力越强。最新摄像机的最低照度指标为0.5勒克司。,5几何失真 几何失真表示重现出来的图像与原图像的几何形状的差异，表现为枕形、桶形、菱形等多种失真形式。它主要是摄像管摄像机的重要指标，对于广泛使用的CCD数字电视摄像机来说，几何失真很小，几乎很难测量出来。,6重合精度 三片式数字电视摄像机重现的彩色图像是由红、绿、蓝三个基色图像混配出来的，三者在空间位置和几何位置上必须一致，否则混合出的图像必然有红、绿、蓝等色边出现，即产生重合误差。误差越小，重合精度越高，性能越好。,7动态范围 动态范围指摄像机输出图像所能表现的最高亮度和最低亮度之比。通常，摄像机的动态范围不超过50：1，典型值是32：1，而阳光下自然环境的亮度范围却在20：1到300：1之间。为更真实地反映自然，广播级数字电视摄像机一般都设有动态对比度控制，通过白压缩、自动拐点电路、黑扩展、黑压缩等先进技术扩展数字电视摄像机图像的宽容度。因此，是否采用这些技术是数字电视摄像机性能的重要标志。,8量化比特数 现代数字电视摄像机的取样一般都符合ITU-R 601（即CCIR 601）4：2：2的取样规格。就是说，Y（亮度）信号的取样频率为13.5兆赫兹，R-Y（红差）、B-Y（蓝差）信号的取样频率分别为6.75兆赫兹。量化级可以分为8、10、12、14比特等不同级别。比特级越大，则产生的量化噪声越小，量化噪声是数字电视摄像机的重要固有噪声源。对于演播室使用的数字电视摄像机来说，应尽可能选用量化比特级高的摄像机。,有的数字电视摄像机采用4：4：4的取样格式，甚至4：4：4：4的取样格式，后者是在亮度、两个色差信号之外，还增加了专用的键信号，供信号处理过程中使用，每种信号的取样频率都是13.5兆赫兹。这类数字电视摄像机一般都采用不压缩（比特透明）的数字处理方式，信号的码率非常高，同时也对信号处理速度提出了非常苛刻的要求。,1.2.4数字高清晰度电视摄像机,数字高清晰度电视摄像机与普通清晰度数字电视摄像机最主要的区别在于扫描格式。目前数字高清晰度电视摄像机的扫描格式有很多种类，包括1080/50i、1080/60i、1080/50p、1080/60p、720i、720p等。,其中i代表隔行扫描，p代表逐行扫描，1080代表19201080的图像分辨率，垂直有效扫描行为1080行，720代表1280720的图像分辨率，垂直有效扫描行为720行，50或60指场频或帧频（隔行扫描为场频，逐行扫描为帧频）。,多种格式并存的主要原因是目前并存的多种电视制式标准，原使用PAL制的地区，数字电视（包括高清数字电视HDTV）通常选择50为场频，原NTSC地区则通常选择59.94或60为场频。另外，很多国家虽然已确定了HDTV的传输标准，但并未对HDTV的扫描标准作硬性规定，也是造成数字高清电视摄像机各种扫描格式并存的重要原因之一。,1.2.5特殊用途数字摄像机,特殊用途数字摄像机是指除了用于广播电视外，还具有其它用途，如用于工业、交通、医疗、航天探测、商业监视、图像通讯、水下摄影、红外监测等领域的数字摄像机。这里主要介绍以下几种特殊用途数字摄像机。,用于工业生产、显微和图形摄影服务的数字摄像机，可以将一般人不便于直接观察或由于各种原因难以接近的景物记录下来，把局部细节放大成大影像，揭示细微物体的结构、形态以及各种运动变化，所以，这类摄像机一般都具有“MACRO”近摄功能和显微摄像功能。用于生物体实验、医疗拍摄的特殊数字摄像机主要拍摄生物内部的结构和机体运动，例如消化道、血管等，它通常还要采用精密的光纤摄像装置，把摄像机与内窥镜相连接，将镜头延伸到生物体内部。,索尼 DXC-C33P医疗/工业专用摄像机 松下GP-KS162医疗/工业专用摄像机,索尼 FCB-EX48影像医疗一体化摄像机 松下AW-E800A视频会议摄像机,2航空摄像、探测用数字摄像机,航空摄像、探测用数字摄像机主要是指在卫星、航天飞行器、飞机、飞艇、动力伞、高空气球、微型遥控飞机等飞行器上使用的数字摄像机。为了适应空间操作，航空数字摄像机一般体积小、重量轻、功耗小，能承受较大的震动和重压，能适应环境和温度变化。,3水下数字摄像机,水下数字摄像机主要用于拍摄水下的景物图像。水下数字摄像机通过防水处理可以直接投入水中使用，拍摄者可以坐在船上对摄像机进行操作，通过电缆将图像信号传输到微型监视器中并显示出来，然后将其记录在磁带上。因为水底的光线很弱，所以在摄像机周围一般都装有多个红外线发光二极管，保证摄像机在完全没有光照的情况下也能正常工作。,水下摄像机系统,4红外数字摄像机,红外数字摄像机利用红外线扫描技术，采用高性能LED发光管，即使在光线十分昏暗甚至完全漆黑的情况下，也能够拍摄出可以被肉眼看得到的影像。,索尼CDC-550长距离红外防水摄像机,特殊摄像机为了满足特殊的用途，采用了特殊的技术手段。例如，最新开发的松下AK-HC905可以作为气象摄影、图像解析以及暗场摄影用。,新开发的松下AW-E系列可用于体育赛场、政府、礼堂、田径场、会议厅、新闻演播室、虚拟演播室、婚礼拍摄、大型购物中心等场合，可用于气候信息、交通信息的获取，可用于医疗、显微、图形等的拍摄。,(a)AW-E350(b)AW-E650(c)AW-E655,(d)AW-E750(e)AW-E860,松下AW-E系列,为了实现这些功能，它们都采用了新开发的一些重要的技术手段。这里就主要以松下公司新推出的上述几款多功能摄像机为例，介绍特殊摄像机所采用的一些重要的技术手段。,（1）采用新开发的IT-CCD，实现超过F10的高灵敏度。,普通的图像 多功能摄像机的图像,（2）装载了最新开发的12比特A/D（模拟/数字转换）DSP处理器，可实现高性能、一流的图像质量。（3）采用高清晰度3D-DNR（数字降噪）技术，可拍摄出更为清晰的图像。例如，AW-E350/650/655/750/860等多用途摄像机的水平分辨率都已达到850线。（4）配备云台系统。松下生产的四种云台为摄像机在室内及户外操作提供了更大的灵活性。,(a)AW-PH360(b)AW-PH500(c)AW-PH400,(d)AW-PH660,云台,（5）采用多功能控制系统和遥控单元。松下AW-E系列采用多功能控制系统，能够完全控制5台摄像机及5个云台。,摄像机控制单元AW-RP605A（前面板）云台控制器AW-RP400,（6）视频的实时切换。,实况图像切换器AW-SW350,1.2.6无线摄录系统,无线摄录系统主要由摄像机/摄录一体机、无线摄像发送器和无线摄像接收器组成。,用于新闻、体育现场的WLL-CA50系统,用于转播车、演播室制作的WLL-CA55系统,4天线分集接收系统（从一个发射器到两个接收器）,1.2.7小型数字摄像机,小型摄像机的优势主要体现在以下几点。首先，小型摄像机最大的优势在于小巧轻便、快捷灵活，角度多变，易于更换机位。其次，小型摄像机的优势还在于，一台专业小型摄像机加上一台装有非线性编辑系统的计算机，即可解决前期拍摄和后期编辑中几乎所有的问题，使电视节目制作“办公室化”。,再次，专业级小型摄像机上安装有16比特双声道数字立体声录音系统，比使用复杂的传统录音装置做后期录音要方便得多，用专业小型摄像机的机载话筒直接录制解说，不仅简化了制作工序，而且音质丰满圆润。,小型摄像机与大型专业机器相比，也存在着一些缺憾。一是由于小型摄像机的体积较小，在不方便使用三脚架的情况下，就要手持拍摄。此时，轻微的抖动都会使画面产生明显的晃动，特别是在用长焦拍摄时，抖动现象更为明显。由此可见，抖动现象是小型摄像机最大的缺憾。所以在拍摄时应尽可能使用三角架，或接近被摄体用广角拍摄。,二是出于体积和重量的考虑，小型摄像机一般采用1/3、1/4、1/5英寸，甚至更小的CCD，而大型摄像机还可采用2/3英寸的CCD，因此小型摄像机获得的图像清晰度和质量可能会稍微逊色于大型机，画面略显单薄，层次偏硬。,三是由于小型摄像机的镜头较之大型机要短、口径要小。因此，小型摄像机的最低照度、灵敏度以及信噪比都不如大型摄像机，在低照度、高亮度或有复杂光线照射的条件下拍摄，所得图像质量可能并不理想。小型摄像机的光学单元也比大型机更简单一些。例如，小型摄像机的伽玛校正能力较弱，对色彩的还原与校正不如大型机。,1.2.8DV数码摄像机,1按CCD分 按CCD芯片的数量分，DV数码摄像机主要有单CCD和3CCD两种。,松下3CCD NV-GS15,2按储存介质分 按储存介质的不同，可将DV数码摄像机分为DV磁带记录式、光盘记录式、半导体存储卡记录式和硬盘记录式三种。,索尼DCR-DVD803E 光盘DV数码摄像机,松下SDR-S100（左）和SDR-S300（右）半导体存储卡式DV数码摄像机,JVC GZ-MC500硬盘DV数码摄像机,3按清晰度等级分 按清晰度等级可把DV数码摄像机分为标准清晰度DV数码摄像机和高清晰度DV数码摄像机。,AG-DVC180A,索尼 HVR-A1C,