高清攝像機技術(shù)參數(shù)規(guī)范研究

王鴻濤,史萍,王世平

(中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院,北京 100024)

1 引言

近年來,隨著視頻技術(shù)與圖像編碼技術(shù)的不斷發(fā)展,高清攝像機已經(jīng)成為各大傳媒機構(gòu)及個人工作室記錄視頻素材的首選設(shè)備。很多曾經(jīng)使用標(biāo)清攝像機進(jìn)行拍攝的攝像師,因為不熟悉高清攝像機的技術(shù)指標(biāo)和拍攝技巧,往往導(dǎo)致拍攝的畫面出現(xiàn)聚焦不實、曝光過度等問題。要解決這些問題,首先要了解高清攝像機的原理及與標(biāo)清攝像機的區(qū)別,其次還要具備一定的高清電視攝像技術(shù)和解決在高清電視攝像中出現(xiàn)的一些技術(shù)問題的能力。

影響高清攝像機拍攝質(zhì)量的主要因素有:聚焦、曝光、色溫和照明條件等。這些技術(shù)問題雖然在標(biāo)清電視攝像中要求的并不十分苛刻,但在高清電視攝像中就必須精心對待、認(rèn)真解決,否則就會直接影響到高清電視畫面的拍攝質(zhì)量。

本文的目的就是基于高清攝像機原理的研究,給出一些解決實際拍攝問題的方法。并探討高清攝像機在拍攝中如何調(diào)整參數(shù)使其功能得到最大發(fā)揮。全文共分三部分,第二部為影響高清攝像機拍攝畫質(zhì)的因素及解決方法。第三部分為全文總結(jié)。

2 影響高清攝像機拍攝畫質(zhì)的因素及解決方法

2.1 高清攝像機拍攝中的聚焦問題

很多使用過多年標(biāo)清攝像機進(jìn)行拍攝的攝影師在換成高清攝像機拍攝時遇到的第一個問題就是畫面聚焦不實。即使用老方法精確聚焦了,但在拍攝過程中也時常發(fā)現(xiàn)焦點發(fā)軟的現(xiàn)象。其實高清拍攝聚焦問題是由高清攝像機的高清晰度引起的。高清攝像機的分辨率可達(dá)到 1920×1080像素,水平視場角比標(biāo)清大,畫面包括的景物比標(biāo)清畫面多,景深也比標(biāo)清淺了很多,所以在聚焦時稍有疏忽就會超出景深范圍,造成虛焦。

高清攝像機的尋像器與標(biāo)清攝像機相同,在較小的尋像器畫面中,攝影師很難做到精確聚焦,所以,應(yīng)使用高清監(jiān)視器進(jìn)行監(jiān)看。在標(biāo)清攝像機聚焦中,我們采用壓縮景深的方法進(jìn)行準(zhǔn)確聚焦。即固定鏡頭、校準(zhǔn)后焦、光圈開到最大、再將鏡頭推到最長焦處得到最淺景深后聚實焦點,然后再將鏡頭拉回到所需畫面景別進(jìn)行拍攝,這樣就實現(xiàn)了對拍攝物體的精確聚焦。但將同樣方法應(yīng)用在高清攝像機聚焦上時往往達(dá)不到理想效果,拍攝出的畫面偏“軟”。因為當(dāng)鏡頭拉回到所需景別時,鏡頭會出現(xiàn)輕微的像面漂移現(xiàn)象,在標(biāo)清中由于景深范圍較大這種漂移現(xiàn)象對圖像清晰度幾乎沒有影響,但在高清中隨著焦距的變化可能導(dǎo)致之前聚實的焦點超出景深范圍,導(dǎo)致畫面最終聚焦不實。

圖 1與圖 2對兩種聚焦情況進(jìn)行了比較,由此可得出高清攝像機的聚焦方法:首先將光圈開到最大,把景深范圍控制在最小,然后選擇所需的景別進(jìn)行構(gòu)圖,構(gòu)圖完成后直接在此景別下進(jìn)行聚焦,確定焦點聚實后,再調(diào)整曝光量、控制景深進(jìn)行拍攝。

圖 1 標(biāo)清聚集方式

圖 2 高清聚焦方式

2.2 曝光處理問題

曝光量直接影響畫面的層次、細(xì)節(jié)、色彩飽和度及清晰度,所以只有準(zhǔn)確把握曝光量,才能得到完美的高清圖像。因為高清攝像機水平清晰度提高,畫面寬容度更接近電影膠片,層次比標(biāo)清更加豐富。在拍攝景物時,需認(rèn)真觀察被攝景物的明暗程度和明暗分布范圍,根據(jù)亮部和暗部的取舍及與拍攝主體的關(guān)系,確定曝光量并調(diào)整光圈大小。

同標(biāo)清攝像機一樣,高清攝像機也提供了伽瑪曲線的調(diào)整功能,當(dāng)拍攝的景物大面積處于高亮度環(huán)境時,由于亮度值已經(jīng)超出攝像機所能表現(xiàn)的范圍,圖像的高光部分會出現(xiàn)泛白現(xiàn)象,導(dǎo)致高光部分層次和細(xì)節(jié)全部丟失。相反,當(dāng)被攝景物處于低照度的環(huán)境中時,由于環(huán)境光已經(jīng)超過攝像機的最低照度范圍,圖像暗部的層次細(xì)節(jié)也會丟失,畫面出現(xiàn)“死黑”現(xiàn)象。遇到上面兩種情況。圖 3給出了數(shù)字?jǐn)z像機拍攝亮度與物體實際亮度的差異。可以看出,數(shù)字?jǐn)z像機對物體的亮度還原范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實際物體亮度。我們可以通過調(diào)整拐點、伽瑪曲線和黑伽瑪曲線等攝像機參數(shù)對畫面進(jìn)行補償和修飾。具體來說一般情況下,在拍攝前適度調(diào)整攝像機的黑電平,拍攝白天外景時設(shè)置在 -10～-15左右,拍攝夜景或室內(nèi)畫面時,設(shè)置在 0～4左右,當(dāng)然,設(shè)置參數(shù)要根據(jù)具體環(huán)境要求而定。如果需要對畫面的影調(diào)反差做適當(dāng)調(diào)整,我們可以調(diào)整主伽瑪電平到 -20～-50之間,將中灰影調(diào)的過渡放平緩,來豐富直線區(qū)域的色飽和度和層次。

圖 3 數(shù)字?jǐn)z像機拍攝亮度與實際亮度的差別

除此之外還有一些極端光照環(huán)境需要特別注意調(diào)整攝像機拐點。

2.1.1 當(dāng)畫面處于高亮部分時

根據(jù)監(jiān)視器中反映出的畫面細(xì)節(jié)設(shè)定拐點,以增加高亮部分的層次和細(xì)節(jié)。其工作原理為:在正常亮度范圍內(nèi)(0.7V),數(shù)字?jǐn)z像機呈現(xiàn)理想的線性光電轉(zhuǎn)換特性,景物亮度與輸出電平成正比關(guān)系,數(shù)字?jǐn)z像機可以表現(xiàn)景物真實的亮度及細(xì)節(jié);當(dāng)亮度電平超過 0.7V時,信號被限幅,圖像表現(xiàn)為“泛白”。調(diào)整拐點后,CCD的光電轉(zhuǎn)換特性在高亮度時線性的斜率變小,使圖像中高亮度部分的層次變得豐富。圖 4為開啟拐點與未開啟拐點間畫面的比較,可以看出,在環(huán)境光非常強的情況下,開啟拐點功能可以使畫面細(xì)節(jié)還原更準(zhǔn)確。

2.1.2 畫面處于低照度環(huán)境時

調(diào)整黑伽瑪?shù)姆秶?得到所需的暗部層次。其工作原理類似于拐點的調(diào)整,在不影響中間部分的線性特性并保持絕對黑電平的情況下,進(jìn)行黑伽瑪高、中、低檔的調(diào)節(jié)。圖 5為調(diào)整黑伽瑪拍攝的對比,我們可以看出,當(dāng)適當(dāng)調(diào)整黑伽瑪后,畫面暗部的細(xì)節(jié)被突出出來了。

高清攝像機的自動光圈功能中,還設(shè)置了區(qū)域測光和自動光圈過載功能。區(qū)域測光是指在選擇測光范圍中進(jìn)行測光,其大小和位置可調(diào)。通過自動測光后,還可以人為細(xì)調(diào)。采用這個方法進(jìn)行調(diào)整是不夠精確的,誤差約在半檔光圈之內(nèi)。此外,也可以借助 18%的灰板進(jìn)行測光。最可行的方法還是根據(jù)目測灰度來確定曝光量,并使用高清監(jiān)視器和高清示波器監(jiān)看。

2.3 色溫設(shè)定問題

攝影師都知道,在拍攝前要對攝像機進(jìn)行白平衡調(diào)整。白平衡調(diào)整分兩步:粗調(diào)和細(xì)調(diào)。粗調(diào)就是根據(jù)環(huán)境光色溫選擇正確的濾色片,大范圍地進(jìn)行粗略的調(diào)節(jié),然后再進(jìn)行細(xì)調(diào)。

具體做法是:選擇標(biāo)準(zhǔn)的白紙置于同一光源照射下,采用順光照明,鏡頭對準(zhǔn)白紙并使其充滿畫面,先調(diào)整黑平衡,再進(jìn)行白平衡調(diào)節(jié)。在高清拍攝中,有幾種情況需要注意:

2.3.1 外景

在自然光下拍攝,色溫主要受太陽光與周圍漫反射光的影響,為了使色彩正確還原,調(diào)節(jié)白平衡時,白紙應(yīng)放在向上呈 45°角的位置,能反射陽光和周圍漫反射光。在陰天時,白紙要壓低,讓它既能反射陽光,又能反射景物周圍漫反射的光線,以達(dá)到較好的色彩還原。白平衡調(diào)整完畢,在光線變化不大的情況下,不必重復(fù)調(diào)節(jié),這樣能使畫面的色調(diào)保持流暢。

2.3.2 室內(nèi)

室內(nèi)一般燈光采用人工光照明,色溫較統(tǒng)一,比較好處理。如果同時使用彩色燈光照明,調(diào)整白平衡時應(yīng)注意關(guān)閉所有彩色光源,待調(diào)整完畢后再開啟彩色光源。當(dāng)白平衡調(diào)整的值不同時,畫面會出現(xiàn)偏色現(xiàn)象,如圖 6所示。

2.4 照明問題

電視畫面的清晰度除了受光圈、景深影響外,還受照明的明暗對比度和光線的性質(zhì)等因素的影響。

值得注意的是畫面清晰度的高低并不取決于整個畫面的明亮程度和是否采用大量的照明光線。關(guān)鍵在于使用適度的明暗對比度和相應(yīng)的光線性質(zhì)。

2.4.1 明暗對比度與清晰度

電視屏幕上最亮部分與最暗部分亮度的比值稱作對比度。對比度大時圖像黑白分明,明暗反差大,電視畫面的清晰度與照明的對比度有關(guān)。高清攝像機可提供的最大景物對比度相當(dāng)于 8～9級光圈值,在正常曝光值基礎(chǔ)上,在增加 2.5級光圈和減少5.5級光圈的范圍內(nèi)仍能表現(xiàn)景物的灰度層次。因此,在曝光不足時,高清攝像機仍能表現(xiàn)豐富的層次。而曝光過度時,高清攝像機還原層次則嫌不夠,雖然對高光部分的表現(xiàn)不如電影膠片,但整體上比普通電視攝像機已有了很大提高。因而在高清拍攝時,要盡量模擬自然光進(jìn)行布光。例如,根據(jù)不同被攝物體與不同場景,主光與輔光的光比適當(dāng)加大,這樣畫面立體感增強,主體更加突出。當(dāng)然,光比也不能過大,經(jīng)拍攝實踐,建議光比不要超過 4:1。拍攝曝光時遵循“寧欠勿過”的原則。圖 7是在不同光比下拍攝的畫面效果,當(dāng)光比為 2:1時畫面影調(diào)平緩,當(dāng)光比提升為 4:1時畫面有較好的亮暗對比。

2.4.2 光線性質(zhì)對畫面清晰度的影響

物體在高清電視畫面上呈現(xiàn)的清晰度,不僅與光比有關(guān),而且同光線的性質(zhì)有關(guān)。光質(zhì)即光線的“軟硬性質(zhì)”。通常我們把散射光稱為軟光,而把直射光稱為硬光。光線的軟硬對拍攝物體外觀的清晰度有很大的影響。照明光線性質(zhì)的選擇,是由物體表面結(jié)構(gòu)決定的,即物體表面結(jié)構(gòu)不同,其采用的光線性質(zhì)也不同,一般來說,粗糙物體的表面宜用硬光照明;光滑的物體表面宜用柔和的軟光照明。在電視拍攝時,我們會發(fā)現(xiàn)在陰天下拍攝的景物因沒有影子而顯得平淡呆板,表面質(zhì)感消失,而一旦受到陽光的逆向照射,物體輪廓就會立即脫穎而出,可見,光線性質(zhì)對畫面清晰度有很大的影響。圖 8體現(xiàn)的是不同光質(zhì)對畫面拍攝效果的影響。

從畫面的局部效果來說,由于硬光造成過大的明暗反差,而使物體細(xì)部的再現(xiàn)能力降低。而軟光所造成的細(xì)膩的影調(diào)層次,相反能提高我們對物體細(xì)部的分辨能力,因此感覺畫面清晰度高。高清攝像照明使用較軟的光線對提高畫面的清晰度十分有利。

3 結(jié)論

通過上述一系列實驗我們看到,高清攝像機在使用上與傳統(tǒng)標(biāo)清攝像機有一定差別,不論在聚焦、曝光的調(diào)節(jié)上還是黑電平、伽瑪?shù)葏?shù)的調(diào)整上,對攝像師都提出了更高的要求,在拍攝前應(yīng)該先認(rèn)真了解攝像機菜單中可調(diào)整的各項參數(shù),拍攝時應(yīng)根據(jù)不同的拍攝要求和環(huán)境及時調(diào)整菜單,在聚焦時采用直接構(gòu)圖聚焦的方法,減少像面漂移現(xiàn)象;曝光調(diào)整上采用“寧欠勿過”的原則,保證畫面中有盡可能多的亮暗細(xì)節(jié);在色溫調(diào)整中采用粗調(diào)與細(xì)調(diào)相結(jié)合的方法,確保畫面色彩還原準(zhǔn)確。通過這些參數(shù)的調(diào)節(jié)使高清攝像機發(fā)揮最大潛能,得到最優(yōu)畫質(zhì)。

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