攝像機技術指標淺析
常見一些廣播電視界的工程技術人員指著自己操縱的攝像機，不無自豪地脫口而出：“這可是廣播級！”或“這可是數字機！”其實，“廣播級”也好，“數字機”也罷，說的都是攝像機的等級，而所謂“攝像機”的等級又是用攝像機的技術指標來量化來定義的。所謂技術指標，即攝像機按其使用要求必須達到的目標，如圖像的技術質量，攝像機的性能和精度等等。這些指標是對攝像機的定量分析和科學評析，具有可量化性和可比較性。當然這些指標由許多項目組成，因為我們評價的是攝像機這一電視節目的信號源的制造者。攝像機必須滿足多項技術指標的要求，等級越高指標越苛刻。
為了規定攝像機的等級，國家頒布了攝像機技術條件的規定�？墒窃陔娨暪こ碳夹g飛速發展的今天，這些規定已相對落后，靈敏度、分解力和信雜比這三大技術指標已不能全面反映攝像機的質量。
一 ccd器件和圖像像素
這一指標給出ccd器件的數量、尺寸和電荷轉移方式的種類，以及圖像像素的數量。廣播級和許多業務級攝像機一般都是3塊2/3英寸ccd，電荷轉移方式或it（行間轉移），或ft（幀轉移）、或fit的都有，等級稍高的取fit，稍低點的取it，而ft ccd攝像機亦不乏佼佼者。與it相比fit殘留電荷少，圖像惰性小，但價格之貴也自不待言。而it在采取了微透鏡等技術后提高了靈敏度，減少了圖像惰性，更具競爭力的當然還是價格。ft ccd的攝像機種類較少，但尺寸相比fit小，殘留電荷少于it，靈敏度和動態范圍均高于it。加上設置了機械快門，利用機械快門在場消隱期間對感光部遮光，減少拖尾。據有關公司介紹，其ft ccd由于取消了fit ccd的垂直移位寄存器，增大了ccd像素窗口，因而增加了像素的有效受光面積，使更多的光轉換為電荷，提高了靈敏度。此類攝像機的性能，指標均高于it ccd攝像機，而并不弱于fit ccd攝像機。
圖像像素數量是ccd器件的一項重要指標，像素就是ccd表面上的感光單元，像素數量越多，越能分辨景物細節、感光密度也越大。因此像素數量不僅與圖像清晰度有關，而且與靈敏度也有關。20年前2/3英寸ccd器件的像素數量通常在40萬左右，分解力僅為250至350線。而今天ccd器件的有效像素可達60至70萬，分解力可達800至900線；hdtv的ccd器件的像素甚至多達200多萬。分解力高達1200線。ccd器件的像素數量與分解力的關系是顯而易見的，根據經驗公式：水平像素乘以四分之三等于該ccd芯片的水平臨界分解力。ccd器件對于攝像機性能之關鍵，歷來為人們所關注，將此項目做為攝像機的首要技術指標也順理成章。
二 數字量化和數字信號處理
數字量化和數字信號處理的等級是數字攝像機出現后新增的技術指標。眾所周知，ccd器件產生的模擬信號必須轉換成數字信號，再進行數字處理，這一轉換和處理的精度對信號的技術質量有重大影響，因此必須加以限定。itu—r601對演播室數字信號編碼規定的最低要求是8bit量化，攝像機作為信號源理所當然地要高于此要求。模擬信號和數字處理的參數之間存在一定的關系，信雜比和動態范圍與在轉換成數字信號時使用的量化級數成正比。因為量化級數是轉換成二進制碼值的，所以級數增加一倍，信雜比和動態范圍增加6db，而只需要在二進制編碼數據中增加一個bit。因此一個10 bit的數字信號比8 bit在信雜比和動態范圍方面有12 db的改善。今天廣播級的數字攝像機a/d轉換的量化級數多為12 bit，這樣與itu—r601的要求相比，可以在信雜比的動態范圍上增加24 db的優勢。使用12 bit的a/d轉換器，可對600%視頻電平采用動態壓縮算法進行處理。這一功能使攝像機在強光下拍攝時，大大增加了高亮度的層次，降低了高亮度的彩色畸變，提高了拐點的級數。同樣600%電平，壓縮至100%電平，10 bit拐點壓縮達438級，而12 bit則高達672級。 大大提高圖像的層次。
90年代中期，大部分攝像機廠家開發的攝像機多采用10 bit a/d轉換器，再用13 bit數字處理。到90年代末期，各攝像機廠家開發的攝像機幾乎都采用12 bit a/d轉換器，而且為了保證更為精確的伽瑪、拐點、輪廓等信號的校正，在信號處理上都用更高的量級，少則14—16 bit，多的可達20—30 bit。在攝像機上采用如此之大的數據量進行處理，具有相當的難度，除非開發專用超大規模的數字處理集成電路之外，別無良策。因此各廠家都為此花大氣力，開發了專用數字信號處理集成電路。處理量級可達20—30 bit，電路細微可達0.6--0.3微米，門數可達180萬門。
大數據量的信號處理改善了伽瑪曲線，能使黑背景下的柔和對比被加強，也可使亮背景下的飽和色彩對比強烈；大數據量的信號處理改善了圖像的對比度，加強了黑擴展功能，使黑色區域呈現更多的層次，獲得更多的細節；大數據量的信號處理改善了輪廓校正，增強了細節的環境對比，可處理的參數包括水平，垂直和粗細比率，對膚色這一人眼敏感的細節進行柔化和光滑性處理，而不改變畫面中其他景物的銳化程度。
三 靈敏度
這一攝像機指標屬老生常談，對于20年前的攝像管攝像機應屬主要指標，而今天的重要程度或人們的關注程度已經降低，但是依然出現在今天的數字攝像機技術說明書中，在未來hdtv攝像機技術指標中也未見刪除。
這一指標描述了攝像機對所拍攝圖像的照度的反應能力。測試也簡單易行：在標準照度條件下，（即2000lux、 3200k色溫下）拍攝89.9%反射灰度卡，視頻幅度達到0.7v時的光圈指數，即是該攝像機的靈敏度。今天廣播級攝像機的靈敏度通常在f8至f10之間。
靈敏度的測量，除了測量標準照度下得到的額定信號電平時的光圈指數外，通常還要測攝像機的最低照度。這一指標將靈敏度和信雜比聯系起來，使靈敏度和信雜比之間存在著某些互相牽制的關系。
最低照度是在增益開關處于最大、鏡頭光圈也處于最大的情況下，拍攝灰度卡，視頻信號達標準幅度（0.7v）時所需的照度即最低照度。廣播級攝像機的最低照度通常7-8 lux(f1.4 +18db),最低可達1 lux(f1.4、+36db)。必須指出的是目前最低照度并無統一標準，特別是攝像機輸出電平,是標準電平100%(0.7v),還是70%(0.49v)尚無定論。一般廣播級攝像機輸出電平為100%，業務級攝像機就要求各異了。因此當我們分析某一攝像機的最低照度時，可不能掉以輕心。
一般情況下希望最低照度指標要低一些，可是最低照度越低，要達到視頻電平0.7v，增益就要加得越大。增加增益的結果是降低了信雜比，使雜波增大，圖像顆粒增粗，使技術質量惡化。這樣的惡化是顯見的，γ=1時，增益提升多少db，信雜比就降低多少db時。γ=0.45時，信雜比下降得更多。例如一攝像機的信雜比為60db（增益0 db，γ關）那么增益+18 db時，信雜比為42 db。但在γ=0.45的情況下，信雜比下降到36 db。在增益+30 db時，信雜比只有24 db，這將嚴重影響圖像質量。從這個意義上說，為了保證圖像信號的信雜比，最低照度還是不要過低。為了降低噪聲，攝像機還增設了圖像噪聲抑制開關，在使用增益時降噪。
同樣是廣播級，數字機的靈敏度并不比模擬機高許多，而是幾乎相等，這是因為f8的靈敏度已經夠用了。有趣的是有些業務級攝像機卻一味追求高靈敏度，甚至達f11還多，這樣做似乎是考慮到業務級攝像機的工作環境較為惡劣吧。
順便說一句，上述靈敏度都是在ccd器件尺寸為2/3英寸的情況下測出的。如果ccd器件尺寸不同，那么靈敏度也就沒有可比性了。但也不是毫無辦法，還有辦法進行換算。如果ccd器件是1/2英寸的，那么換算的結果是相差一檔光圈。例如：2/3英寸ccd靈敏度為f8時，同樣的靈敏度，對1/2英寸ccd就應為f5.6。也就是說1/2英寸ccd攝像機的靈敏度f5.6應等同于2/3英寸ccd攝像機的靈敏度f8。
四 分解力
分解力又稱分辨率，解像力，通常分解力指水平分解力。有人將分解力與清晰度這兩個概念等同起來。需知，這實在是兩個有關聯而又不相同的概念。分解力是指電視設備所能分解和重現細節的能力，而清晰度是指人眼對電視圖像所見的清晰程度。分解力越高清晰度也越高，對攝像機來說,分解力是攝像機分辨黑白細線條的能力，廣播級攝像機多在800線以上。
測試也簡單，即在標準照度條件下（2000lux、3200k色溫），鏡頭光圈置于5.6與8之間，（依最佳觀察效果而定）拍攝分解力卡。在鏡頭最佳聚焦情況下，從精密黑白監視器上讀取分解力線數。
必須強調的是，應從黑白監視器上讀取分解力，因為攝像機編碼輸出是r.g.b三路疊加，而分解力的指標是y通道或g通道；如若用彩色監視器讀取的分解力，則低于黑白監視器的讀取值。同樣應注意的是攝像機輸出信號也應從y或g通道接出，而不能從編碼輸出接出。
在測試時，人們不僅要測攝像機的分解力，還要測攝像機在5mhz（約為400線）時的調制深度，簡稱調制度。
實際上調制度是比分解力更實質地體現攝像機性能的重要參數。這是因為攝像機的輸出信號，在送達家庭電視機之前，要經過電纜傳送、記錄、編輯、地面傳輸等過程，在這些過程中受到帶寬的限制，結果使攝像機原有的高頻分量損失。但是反映在傳送帶寬內，5mhz處振幅大小的調制度卻不受帶寬限制的影響。換句話說就是400線以上的信號衰減較大，而400線左右的信號幾乎沒有衰減。人眼對400線左右的細節又較敏感，有時即使分解力線數較高，而400線時的調制度不太高，人眼的主觀感覺并不認為圖像質量好。因此調制度就成了左右電視機清晰度的重要參數。這一指標的測試也很簡單，攝像機在標準照度下拍攝多波群卡，通過示波器取其行頻波形，以最低頻0.5mhz的幅度為基準,去除5mhz的幅度,再乘上100%就是調制度(mtf).80年代攝像管攝像機的調制度僅30%,ccd攝像機調制度可達70%,而數字攝像機可達80%。
通過上述分析，我們在上文說到的水平分解力在800線以上，這一分解力確切地說是極限分解力，也就是人眼在高精度監視器上觀察黑白相間線條隱約可見時的清晰度，此時如果從示波器上看，調制度大約在5%左右。而標準分解力則是調制度為50%的分解力。通常說明書上給出的都是極限分解力。由此可使我們得以在無高清晰度監示器的條件下，檢測具有800至900線分解力的攝像機。
五 信雜比
信雜比是指在標準照度下攝像機輸出信號（y通道）的峰峰值與視頻雜波的有效值之比。這一指標是不同檔次或等級攝像機的主要技術標志。廣播級攝像機的信雜比一般在60 db上下。
信雜比測量是在攝像機處于蓋上鏡頭蓋或關閉光圈的條件下，使視頻信號中的黑電平保持在5%（35mv）處，用視頻雜波儀測量0db、+9db、+18db時不加權的信雜比。
攝像機的視頻雜波源一般有如下幾種：
由于ccd像素產生電荷的不均勻性所形成的ccd殘余像素噪聲；
由預放器等電路產生的噪聲；
由a/d轉換所引起的噪聲，等等。
信雜比嚴格地說是一種動態指標，因為拍攝時不可能都在標準照度下完成，照度低視頻信號也低，信雜比也會相應降低。在低照度的情況下需要加增益，增益的增加直接影響信雜比，因此在測最低照度這一指標時，這一指標值應不小于35—40 db。
六 重合精度
攝像機重現的彩色圖像是由r、g、b三基色圖像按不同比例混合而成的，r、g、b三塊ccd器件在空間位置和幾何位置上必須嚴格一致，否則混合生成的圖像會出現色邊，影響清晰度。這一指標在攝像管攝像機的技術指標中顯得十分重要。而且在拍攝時需要經常調整、檢查。但是到了ccd攝像機一統天下的時期，重合精度幾乎從廠家給出的攝像機的技術指標中消失。分析起來，原因可能如下：ccd攝像機的ccd器件直接安裝在分光棱鏡上，這種安裝的工藝要求非常嚴格，必須在有關工廠的高凈化車間里的高倍顯微鏡下完成。因此重合誤差較小，在整個畫面上通常小于0.05%。對發達國家尖端技術的高度信任，使人們產生了一種心理誤區：即ccd攝像機已經沒有重合問題了，人們從拍攝時調整、檢查重合的重負下解脫出來。重合誤差這一概念也逐漸淡化，某些攝像機廠家也干脆不再注明。重合精度這一原本為人們所極為關注的指標不僅從攝像機說明中消失，而且在人們心目中也消失了。
但是重合的問題確實存在，筆者曾發現同一批次的6臺攝像機中有2臺存在嚴重的重合精度誤差。在拍攝人物中近景時，眉毛上沿呈綠色，下沿呈紅色，拍攝測試卡時更嚴重。很多人包括廠家的技術人員當初也不認為這是重合誤差，后反復測試，又幾經交涉，才退回原廠家返修。從那時起，筆者對攝像機的重合精度更為關注。所幸的是最近兩年來，攝像機廠家給出的技術指標中不約而同又恢復了重合的地位。整個畫面上重合精度高達0.02%的也不鮮見。
主觀評價
電視信號的受眾是人，而不是那些示波器、精密監視器等測試儀器，因此對電視信號質量的滿意程度，歸根結底要有觀眾作出主觀評價。必須說明的是這種評價是一種定性分析，但是這些定性的分析雖然不能量化，在評價攝像機時也不失為決策依據。國際無線電咨詢委員會（ccir）專門制定了ccir500—1號建議書《電視圖像質量的主觀評價方法》和ccir405—4號報告書《電視圖像質量的主觀評價》，給主觀評價的方法和標準作出規定。
對攝像機輸出的圖像信號的主觀評價要對圖像的色彩、層次、清晰度作出評價。對專業工程技術人員來說，尤其要注意高亮度和低照度兩個極端條件下的色彩、層次、清晰度，相應作出合適的調整。目前數字攝像機的拐點電路、輪廓電路、黑擴展電路、雜散光電路等等視覺補償電路，都做得非常精細，攝像機可利用這些補償電路，使人們看到的電視圖像與實際景色愈來愈接近。攝像機專業人員應明了在什么條件下，調整攝像機的什么項目，可以達到什么效果。
主觀評價雖然不能量化，但是這與攝像機信號處理的數據量有一定的關系�，F今中央臺和省級臺在決定引進設備之前，除了對待進設備進行測試外，還要請專家對設備所產生和處理的圖像進行主觀評價，評分項目多達幾十項，然后進行綜合測評，決定是否引進。攝像機主觀評價之重要可見一斑。
本文行將結束時必須說明一點，對工程技術人員來說，關于測試如有欲知其更詳者，可參看中國廣播電視出版社1997年3月出版的《視頻測量技術》一書。
今天，攝像機光電轉換器件已經由ccd取代了攝像管，攝像機技術的聚焦點已經越過模擬復合、模擬分量，數字控制和處理，清晰地定位在全數字攝像機上，hdtv攝像機也已經進入景深的范圍，愈來愈清晰地顯示出它的優勢。隨著攝像機技術發展，攝像機的技術指標也將不斷更新，有的項目已經消失（如幾何失真），有的項目需要補充，有的項目需要增加，有的項目現在還是未知數，不久將來才會顯現，這才是我們的期待。
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