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【文章转载】数码摄像技术

CCD

CCD是电荷耦合器件(Charge Couple Device)的简称,是1969年由美国贝尔实验室首先开发出来的,它能够将摄入的光线转变为电荷并将其储存、转移,把成像的光信号转变为电信号输出, 具有完成光电信号转换的功能,因此是理想的摄像元件。衡量CCD摄像机性能的技术指标主要有以下几个方面:清晰度、灵敏度(也称最低照度)、信噪比。

单片CCD和三片CCD

摄像机内使用CCD的数目一般有单片CCD和三片CCD两种,专业级别的数字摄像机一般都具有三片CCD,RGB色彩分别由独立的CCD进行成像。 家用型的数字摄像机一般采用单片CCD,单片式摄像机只用一片CCD器件处理RGB三路信号,优点是价格比较低廉,不过与采用三片CCD的摄像机相比其色 彩还原能力较差。

有效像素

有效像素和CCD有直接的关系,数字摄录机的总像素,是指整块CCD上所有像素的总数,这也是大部分人用以划分产品级别的标准。其实在实际**作 上,并非全部像素均会感光,因为其中边缘部分的像素会被遮盖,用以提供一个完全纯黑的信号,作为计算影像的根据,而余下的才是正式用以感应影像的像素,就 是所谓的“有效像素”了。

信噪比

放大器的输出信号电压与同时输出的噪声电压之比,即为放大器的信号噪声比,简称为信噪比。通常用英文字符S/N来表示, S表示摄像机在假设无噪声时的图像信号值,N表示摄像机本身产生的噪声值(比如热噪声),二者之比即为信噪比,用分贝(dB)表示。信噪比越高越好,信噪 比越大,则表示混在信号里的杂波越少,视频质量就越高。反之,就越差

采样频率及采样比

视频亮度采样频率为13.5MHz,与D-1格式相同,而色度信号被处理为两个不同的色差信号(R-Y和B-Y)。分量的记录方式减少了色度的衰 减,确保了彩色的还原。R-Y和B-Y的采样频率是3.375MHz,是13.5MHz的1/4。换句话说,为了保证最适宜的记录质量,DV使用的是 4:2:0(PAL)数字分量记录系统。

量化深度

对采样后的亮度及色差信号进行量化。例如8bit的亮度信号,就是由256个灰度级对亮度信号进行描述,即由白到黑有256个灰度层次。比特级越大,则产生的量化噪声越小。量化噪声是数字摄像机重要的固有噪声源

视频信号压缩比

经采样及量化后的视频信号数据量很大,为了降低记录成本,可以根据图像本身存在的冗余进行压缩。DV格式采用的是帧内压缩方法,压缩比为5:1,压缩后视频码流为25Mbps。这时我们就得到了高质量的DV视频信号,此信号在进一步处理后将记录在磁带上。

IEEE1394

IEEE1394是标准的高速、短距数据传输交换协议,其前身叫FireWire,是1986年由苹果公司的Michael Teener所制定的。Firewire于1987年完成,IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)在1995年认可其为IEEE1394-1995规格。因为在IEEE1394-1995中存在一些模糊的定义,所以带有 IEEE1394接口的设备在前几年并不普遍。后来又有一份补充文件(1394a草案)来澄清疑点,更正错误及增进效能。IEEE1394标准规定的数据 比特率有3种:98.304Mbps(S100)、196.608Mbps(S200)、393.216Mbps(S400)。IEEE1394的标准端 子为含电源的6芯连接器,但是考虑到如果掌上型数字摄像机使用这个端子,线太粗,不易**作,很不方便,因此Sony公司首先在小型DVCAM设备上采用 了去掉电源的小型4芯连接线。
IEEE1394已经被数字VCR联盟确认为标准的数字接口,被数字视频协会确认为数字传输标准。VESA(视频专家标准协会)认同1394用于家庭网络,同时欧洲数字视频广播(DVB)也认同将IEEE1394用于数字电视接口。
使用IEEEl394的优点是可以通过1394输入/输出接口在两台DV设备之间做复制,拷贝与原件一模一样。用户也可以直接从DV设备上把视音频信号无损失地传送到NLE(非线性编辑)系统上

水平清晰度和垂直清晰度

水平清晰度定义为图像上可以分辨的垂直线条数。比如水平清晰度为500线,其含义就是,在水平方向,在图像的中心区域,可以分辨的最高能力是相邻距 离为屏幕高度的500分之1的垂直黑白线条。水平清晰度与图像传感器的像素数和视频系统的频带宽度有直接关系。垂直清晰度也可以理解为图像可以分解出的水 平线的条数,最大垂直清晰度由垂直扫描总行数所决定。水平清晰度和垂直清晰度采用统一的度量标准,所以当屏幕上的水平线条间隔和垂直线条间隔相同时,图像 的垂直清晰度和水平清晰度数量应该是一样。水平清晰度和垂直清晰度数值越大,清晰度越高。

光学防抖系统和电子防抖系统

光学防抖系统是通过改变镜片组的位置来达到减震防抖的功能,根据摄录放一体机摇晃的情况,调整镜头某组镜片的位置,在影像的光影到达CCD影像感应器之前,便可以自行调整,因此拍摄出来的影像便不会模糊不清了。光学防抖的缺点是成本较高,因此只能应用于高端产品。
电 子防抖系统是指通过电路增加像素来实现防抖功能,通过内置的感应器进行调整。总之不管上下左右的抖动都可以通过总像素来修正。而微型摄录放一体机则普遍采 用电子防抖系统。电子防抖的缺点是:首先电子防抖不会即时开启,因为需要检测到像素损失时才能开启电子防抖,而这需要时间;其次,在进行变焦和摇动的时候 不能使用电子防抖,因为此时无法确定像素损失是由于机身抖动还是画面移动造成的。

白平衡

物体反射出的颜色视光源的色彩而定。人的大脑可以侦测并且判断这样的色彩改变,因此不论在阳光、阴霾的天气、室内灯光下,人们所看到的白色物体依 旧。然而,就DV而言,这些由不同光源产生的“白色”在颜色上来说还是不尽相同的,有的含浅蓝色,有的含黄色或红色。为了贴近人的视觉,数字摄像机就必须 模仿人类大脑并根据光线来调整色彩,以便在最后能够呈现出肉眼所看到的白色。这称之为“白平衡”。大多数的DV都提供了“自动白平衡”的功能。

电视制式

目前,世界上主要使用的电视广播制式有PAL、NTSC、SECAM三种,如我国大部分地区使用PAL制式,日本、韩国及东南亚地区与美国等欧美国家使用NTSC制式,俄罗斯则使用SECAM制式。我们在国内市场上买到的正式进口的DV产品都是PAL制式
多媒体是以数字技术为核心的AV(声音、图像)和CC(计算机、通信)融为一体的信息环境的总称,多媒体技术目前已广泛应用于商业、教育、电子出版等领 域。在电视制作方面,多媒体技术以其数字化综合处理的优势,对传统的录、编、播制作方式产生了很大的冲击,成为各个电视台关注的焦点。我台制作技术中心为 了跟踪了解这种新技术,扩大节目制作能力,也于今年引进了采用多媒体技术的非线性后期制作系统。

多媒体制作系统的工作方式

 1、系统组成:

现有的多媒体后期制作系统都是以高档PC机或苹果机为平台,配以奔腾PRO、PowerPC等高能CPU、视频处理卡、码率压缩卡、数字特技卡、声效卡以及高速数据硬盘,由专用视频编辑软件控制完成电视节目制作任务的。

首先我们要谈到视频码率压缩。电视信号是信息量很大的活动图像,数字化以后的数据量也很大。根据电视信号数字化的统一标准,在YUV4:2:2格式下每个 像素对占用4个字节,即每像素平均2个字节,这样一幅无压缩的PAL制图像(720×576×2)占用810K字节,即每秒数据率为19.78MB,哪怕 是1G的硬盘也只能存52秒的图像。因此,数字化视频信号的存储和传输必须进行数据压缩。目前的多媒体后期制作系统大多采用Motion-JPEG压缩算 法,在有损失压缩的情况下,这种算法具有比较稳定的并且可以设定的视频压缩比。

从表中可以看出,要达到BETACAMSP或M2以上的图像质量,就要把压缩比控制在4:1以内,这里的数据率仍在5MB/秒以上。因此除配备专用视频压 缩解压卡外,还要采用高速总线以及SCSI高速硬盘。目前广泛应用的是9GB的SCSI硬盘,可以记录30分钟的节目,如果需要扩大容量,可以加挂硬盘, 最多可以挂20个,完全能满足一般节目的需要。

 2、工作方式:

多媒体后期制作系统的最大特点就是用计算机硬盘编辑方式取代传统的磁带记录电视信号的编辑方式。首先把所有的素材,包括活动画面、静止画面,声音等全部采 集到硬盘中,然后用软件对储存在硬盘中的数字化的信号进行剪辑、编辑、配音、字幕、特技等工作,最后再将完成的节目转录到磁带上。由于硬盘上的信号具有随 机存取的特性,节目素材的搜寻可以瞬间完成,也无需按顺序的方式编辑,因此这种编辑方式被称为非线性编辑方式。

在进行非线性编辑时,磁盘上的信号不管进行多少次的编辑或做多少遍特技,只是不断地改变信号的处理顺序表,没有复制任何信号,不存在多版复制问题,也没有反复卷带造成的磨损,所以信号质量不会有任何降低,这是非线性编辑的好处。

很多多媒体后期制作系统也能在计算机上显示时码、打入点出点,并控制录像机进行信号采集、线性编辑和线性录制,这里多媒体后期制作系统起到了编辑控制器的作用。

还有一种所谓的脱机非线性草编、联机线性编辑方式。就是说在采集素材时采用高压缩比以便用有限的硬盘存储大量的素材,然后照样进行非线性编辑,但最后不是把编辑好的节目直接录制在磁带上,而是输出一份EDL指令清单,控制传统录像机进
行线性录制。

 

另外,多媒体后期制作系统都具备采集动画图像文件序列,处理后实时播出的能力,这就解决了3DS的动画输出问题。当然,随着多媒体后期制作系统的质量和档次的不同,输出动画的质量也不同。

 1、制作节目的第一步是采集素材

我们一般采用4:1的压缩比,由于硬盘空间有限,因此采集时要注意精简,不必要的镜头不要采入计算机。NC97通过录像机的遥控接口可以控制录像机上的所 有操作,在输入素材时可在计算机上打好一个分镜头的入、出点,由计算机控制进行采集,作为一个素材段储存,既节省硬盘又便于操作。

 2、多媒体后期制作系统适于制作的是节目片头、小专题

MTV等短小精悍的节目,这类节目一般需要进行多重画面特技制作、采用特殊效果处理等。对于一些素材多、成品节目时间长且后期制作主要是编辑、过渡、叠加 字幕的节目,就不适合用多媒体后期制作系统制作。如果用该系统,不但需要占据很大的硬盘空间,还要花费很长时间进行素材采集和节目录制

 3、由于多媒体编辑制作过程是在硬盘上进行的,可以显示编辑状况的时间线上对各个镜头任意修改、随意调整顺序,并且可以实时看到修改后的结果,直到满意时 为止,这与传统制作方式比有很大优势。

比如,在制作MTV时,可利用系统非线性的特点,不按顺序来编辑,可以先将对口型唱的镜头填入音乐的相应位置,然后 再插入其余部分的图像。另外,使用传统制作设备时,如果想做一些多重叠画或特技效果多的节目,常常会因操作繁杂和多次复制带来的图像质量下降而不得不放 弃,改用一些
简单的方式,从而因不能实现意图而遗憾。这种情况用多媒体后期制作系统就不会发生了。

 4、将3DS、AdobePhotoshop等软件于非线性编辑软件结合起来,可以取得更好的效果。例如用AdobePhotoshop软件对静止图像进行效果处理,或者画出填充键信号的图形,将节目内容填充进去,都是很有用处的。

多媒体后期制作系统的应用前景

数字电视是电视技术的发展方向,而多媒体后期制作系统正是向数字化方向迈出的一步,因此它具备了系统集成度高、无损多版复制、易于升级联网等数字化带来的优点。那么,多媒体后期制作系统会取代传统录像机和切换台吗?至少短时间内不会,这是由于:

 1、在节目储存方面,磁带比硬盘有价格优势。所以在未来相当长的一段时间内,前期拍摄的素材和制好的节目还是会用磁带保存,只是在制作过程中用硬盘储存,磁带录像机因而同样不会消亡。

 2、对于素材量大、节目时间长、只需简单编辑的片子,还是用传统录像机编辑要方便快捷,没有必要把大量的素材采入硬盘再录出来。

 3、多媒体后期制作系统目前还发展得不成熟,压缩、储存、传输等许多关键技术都有待进一步发展,编辑软件也有待完善。

总之,虽然电视节目的数字化是必然的,但从模拟到数字的转化需要时间。同样,尽管多媒体后期制作系统今后一定会迅速发展,它和传统型后期制作系统也会共存相当长的一段时间。

 

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