4K攝像機(jī)的拍攝技術(shù)

梁建華 章寧 常州廣播電視臺

4K攝像機(jī)的拍攝技術(shù)

梁建華 章寧 常州廣播電視臺

本文介紹了4K攝像機(jī)的的技術(shù)特點(diǎn)及拍攝方法。

4K技術(shù) 攝像機(jī) 拍攝

一、引言

隨著電視技術(shù)的不斷發(fā)展，大畫幅超高清4K攝像機(jī)開始應(yīng)用于電視領(lǐng)域。它與普通高清攝像機(jī)相比具有更高的分辨率和寬容度，拍攝出來的畫面保留了亮部和暗部的層次，非常柔和，畫面也更干凈，更優(yōu)美，觀看者的體驗(yàn)已經(jīng)完全超出了原有高清范疇。4K攝像機(jī)已經(jīng)開始進(jìn)入各電視臺和制作公司，應(yīng)用于專題片、電視劇等高端電視制作領(lǐng)域。

二、4K攝像機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

4K數(shù)字視頻是一種分辨率高于HDTV標(biāo)準(zhǔn)和2K數(shù)字電影的超高清顯示規(guī)格，其名稱來自其顯示的分辨率。4K數(shù)字電影的分辨率達(dá)到4096×2160，而4K超高清電視分辨率則為3840×2160，水平和垂直方向都是全高清1920×1080的兩倍。在25P幀率下數(shù)據(jù)量是同幀率高清的4倍；采用50P幀率拍攝時，4K電視信號的總數(shù)據(jù)量達(dá)到普通高清的8倍。4K攝像機(jī)的性能指標(biāo)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往的全高清攝像機(jī)，與之相比它具有以下幾個方面的提升。

（1）成像器件和鏡頭的提升

4K攝像機(jī)和傳統(tǒng)攝像機(jī)最根本的區(qū)別就是在于成像器件的類型和尺寸上。傳統(tǒng)攝像機(jī)采用3片2/3英寸CCD（或CMOS）成像器件，棱光分鏡，在3片CCD上分別成像，輸出紅、綠、藍(lán)三路信號，使用B4接口鏡頭。4K攝像機(jī)則是類似于35mm膠片電影攝影機(jī)的結(jié)構(gòu)，采用單片全畫幅35mmCMOS成像器件，并采用拜耳模式的微型濾色鏡陣列對白光進(jìn)行分解，在一個成像器件上產(chǎn)生了三種基色的圖像，使用電影鏡頭或單反類型的鏡頭。由于35mm全畫幅成像器件的尺寸是2/3英寸成像器件的2.5倍，所以4K攝像機(jī)在性能指標(biāo)上比傳統(tǒng)攝像機(jī)有了很大的提升。4K攝像機(jī)多采用PL卡口的電影鏡頭和EF卡口單反鏡頭，與B4卡口的普通攝像機(jī)變焦鏡頭相比，鏡頭的解析度和通透度指標(biāo)都要高一個檔次。

（2）高分辨率

分辨率體現(xiàn)了攝像機(jī)再現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)的能力。2012年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了“超高清電視UHDTV（Ultra High-Defnition Tv） ”標(biāo)準(zhǔn)的建議，將屏幕物理分辨率達(dá)到3840×2160及以上的電視稱之為超高清電視，包含了業(yè)界所稱的4K，以區(qū)別于原來的全高清電視。標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了UHD超高清圖像的顯示分辨率為3840×2160（4K），畫面顯示比例為16:9，支持多種幀掃描頻率，最高可達(dá)240Hz， 超高清電視都是逐行掃描的。

（3）高量化比特

隨著成像和顯示器件品質(zhì)的提升，圖像動態(tài)范圍顯著提高，人眼可分辨的亮度層次隨之變多，圖像的量化比特數(shù)也有了增加的要求。4K電視技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了高分辨率，在像素量化級數(shù)上由高清的8bit提升為4K的10bit，，這個參數(shù)的提升對圖像在層次與過渡方面的增強(qiáng)起到關(guān)鍵作用，色彩還原也更加真實(shí)。

（4）高幀率在

4K高分辨率下，傳統(tǒng)的25/30P的電視幀率標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足運(yùn)動數(shù)字圖像流暢的要求，為獲得平滑的運(yùn)動圖像，進(jìn)一步降低圖像的閃爍，超高清電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定掃描方式為逐行掃描，幀率也提升為30P或60P，最高可達(dá)240P。

圖1 電視、4K對數(shù)伽瑪與直線伽瑪?shù)奶匦员容^

（5）高動態(tài)范圍

相對于傳統(tǒng)攝像機(jī)，4K攝像機(jī)可通過開啟LOG曲線，采用RAW原始數(shù)據(jù)格式記錄，來提高圖像的動態(tài)范圍。LOG曲線其實(shí)就是一種電影伽瑪曲線，對數(shù)特性，形容畫面的反差系數(shù)，曲線越陡畫面反差越大，曲線越緩畫面反差越小，開啟LOG曲線以提高畫面寬容度，實(shí)際上就是把原來陡的曲線變緩了。如圖1所示，為了能再現(xiàn)比峰值白更亮的圖像層次，傳統(tǒng)的攝像機(jī)采用了拐點(diǎn)處理的方法，高亮度區(qū)域的灰度層次仍然可以保留，最高可達(dá)600%的動態(tài)范圍。而電影對數(shù)伽瑪?shù)男Ｕ秶乳_啟了拐點(diǎn)的電視伽瑪還要寬廣，幾乎沒有限制，包括了從圖像最暗到超過峰值白亮度幾倍的全部曝光區(qū)域，所有的層次都能顯現(xiàn)出來，達(dá)到了800%的動態(tài)范圍。

SONY 4K攝像機(jī)把它的LOG對數(shù)伽瑪曲線稱為S-LOG曲線，開啟4K攝像機(jī)的LOG曲線后，4K攝像機(jī)的寬容度可達(dá)到14檔光圈，雖然看上去畫面明顯變灰了，但亮部細(xì)節(jié)和暗部細(xì)節(jié)卻更多地保留了下來，給后期調(diào)色合成留下了空間。

圖2 高清和超高清色域比較

表1 4K攝像機(jī)和傳統(tǒng)的高清攝像機(jī)的比較

（6）寬色域

色域是我們能夠使用攝像機(jī)從自然界光學(xué)影像中拾取并最終顯示出來的色彩范圍。從高清電視色域Rec-709（ITU-R709）標(biāo)準(zhǔn)到4K超高清色域BT-2020/4K S-Gamut（ITU-R2020）標(biāo)準(zhǔn)，大幅度擴(kuò)展了彩色色域，從拍攝端到顯示端，保證了更逼真的色彩還原。原來在普通電視色域里表現(xiàn)不出來的東西，在高動態(tài)、高色域里面都表現(xiàn)出來了，如圖2所示。

4K攝像機(jī)和傳統(tǒng)的高清攝像機(jī)的對比見表1。

三、 4K攝像機(jī)的拍攝技術(shù)

隨著4K技術(shù)的普及，各電視臺和制作公司相繼引進(jìn)了各種4K攝像機(jī)，其中較為有代表性的機(jī)型有SONY公司的F55 4K數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，松下公司的V35 4K數(shù)字?jǐn)z像以及佳能C500 4K數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。

SONY PMW-F55 4K數(shù)字?jǐn)z像機(jī)以其卓越性能自2012年一經(jīng)推出便備受矚目，它采用800萬有效像數(shù)的超級35mm CMOS成像器，采用幀圖像掃描技術(shù)，曝光范圍達(dá)到14檔光圈，標(biāo)配全電子快門，ISO 1250高感光度，F(xiàn)11靈敏度，57db高信噪比，可安裝第二代索尼PL接口鏡頭在內(nèi)的各種鏡頭。采用對數(shù)伽瑪S-Log3曲線和S-Gamut寬色域使用戶可獲得最高動態(tài)范圍的原始圖像。具有MPEG2-HD422、XAVC 2K/HD、XAVC QPHD/4K、和16位RAW 2K/4K多種錄制格式，可實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)卡槽與外接AXS-R5雙記錄，在高速SxS PRO存儲卡上錄制HD/2K/QPHD/4K，在AXSM介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)16位RAW 2K/4K錄制?？蛇x擇Avid DNxHD編解碼器和Apple proRes編解碼器錄制。一觸式直接訪問幀率、快門速度、色溫、ISO靈敏度和伽瑪?shù)戎匾臄z參數(shù)。

松下Varicam 35 4K數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采用超級35mm CMOS傳感器和拜爾分色棱鏡組合，4196×2160分辨率，PL鏡頭卡口，內(nèi)幟ND濾鏡，14檔曝光寬容度，豐富的調(diào)整空間和調(diào)色功能，支持RAW數(shù)據(jù)輸出。機(jī)內(nèi)4K升格可達(dá)120格，雙解碼器記錄，同時記錄帶有調(diào)色信息的4K 未調(diào)色母版素材和調(diào)色后的HD圖像。記錄4K支持AVC-Ultra編碼，記錄2K&HD支持AVC-Intra（100/200）編碼。兩個Express P2卡插槽可記錄130分鐘4K素材，兩個micro P2插槽可記錄高清和2K素材。4個用于輸出4KQUAD輸出的3G-SDI，3個用于監(jiān)測的HD-SDI輸出（從4K向下轉(zhuǎn)換），兩個XLR音頻接口，能記錄24位48KHZ音頻的四個聲道。

佳能EOS C500 4K數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采用885萬有效像數(shù)的超級35mm CMOS傳感器，感光度范圍ISO 320-20000，寬容度達(dá)到12檔，能夠以120幀/秒的速度拍攝4K影像。具有EF卡口和PL卡口兩種機(jī)身，增加了EF卡口鎖定裝置，兼容為CINEMA EOS設(shè)計(jì)的電影鏡頭和超過60款EF鏡頭。內(nèi)置3檔中灰濾鏡，支持佳能的Log Gamma拍攝信息記錄，配備波形監(jiān)視器和矢量示波器，突出輪廓模式和放大對焦輔助功能便于精確對焦。支持雙CF存儲卡的高清存儲，提供10 bit 4:4:4采用4K 60bps RAW的拍攝格式，通過雙路3G-SDI將未經(jīng)機(jī)內(nèi)圖像處理的無壓縮2K RGB數(shù)據(jù)及4K RAW 數(shù)據(jù)輸出給錄制設(shè)備。使用具有無線局域網(wǎng)連接能力的筆記本或移動設(shè)備則可查看當(dāng)前拍攝的畫面，還可以調(diào)整白平衡、感光度、快門速度、EF相機(jī)鏡頭的光圈、鏡頭的對焦距離等。

以下以SONY F55為例談?wù)?K數(shù)字?jǐn)z像機(jī)在實(shí)際拍攝中需要注意的一些問題。

（1）對焦和構(gòu)圖問題

大畫幅成像器件CMOS和大光圈鏡頭帶來的小景深，使得從2K到4K，聚焦、跟焦變得更復(fù)雜。SONY F55提供了尋像器中央擴(kuò)大和峰值兩種輔助聚焦方式，尋像器上有擴(kuò)大對焦按鈕FOCUS MAG，一按，中央?yún)^(qū)域放大兩倍顯示。峰值就是會在合焦的地方用特定的顏色來顯示，特定的顏色有白、紅、黃、藍(lán)四種，攝像師根據(jù)個人選擇不同顏色的勾邊。另外在實(shí)際拍攝時如果有條件，最好攜帶大的監(jiān)視器進(jìn)行對比和調(diào)整，如SONY PVM-X300 4K 監(jiān)視器自帶焦點(diǎn)檢查功能（FOCUS CHECK），可通過菜單設(shè)置開啟，可選擇顯示黑白效果，當(dāng)焦點(diǎn)清晰時，焦平面物體的邊緣會被勾勒出亮邊，可判斷焦點(diǎn)是否準(zhǔn)確，此功能原理與攝像機(jī)尋像器的PEAKING功能類似，都是通過畫面局部的反差和對比度來判別焦點(diǎn)位置。

4K拍攝時，由于圖像大，淺景深，構(gòu)圖類似電影畫面，要作相應(yīng)的調(diào)整。構(gòu)圖時要更加穩(wěn)定，變焦畫面少用。鏡頭的時長比平時要更長，延長畫面的停留時間，或者放緩畫面的移動速度，留給觀眾寬裕的解讀時間，用電影鏡頭語言方式來表達(dá)畫面。4K設(shè)備較重，可借助斯坦尼康、搖臂車、軌道車等輔助設(shè)備進(jìn)行拍攝。

（2）白平衡問題

與高清攝像機(jī)不同的是4K數(shù)字?jǐn)z像機(jī)現(xiàn)場拍攝時可不在機(jī)內(nèi)調(diào)整白平衡。在開啟S-LOG曲線模式下，攝像機(jī)使用三檔白平衡預(yù)置，而不進(jìn)行白平衡調(diào)整。在ITU-709模式下調(diào)白得到色溫數(shù)值，攝像機(jī)只能設(shè)置為與其最為相近的預(yù)置色溫值。由于白平衡處理過程是不可逆的，如果在攝像機(jī)內(nèi)進(jìn)行白平衡處理，一旦有信息受到損失，后期處理時便無法挽回。將白平衡放到后期處理，好處是最大限度地保留感光器件采集到的原始數(shù)據(jù)，盡可能利用更多的信息，在后期處理中可自由設(shè)定白平衡點(diǎn)，使對白平衡的控制更加靈活。

（3）色域和伽瑪曲線的選擇

在記錄的Gamma和色域上，我們有兩個選擇，采用709方式，或是采用LOG方式。而高質(zhì)量的4K攝像機(jī)所拍攝出來的畫面必須具備高寬容度和高色彩還原度，因此一般選擇LOG方式。在SONY F55菜單中表示為S-Gamut3/S-Log3。開啟S-Log3模式后，拍攝的畫面變灰了，但畫面的亮部細(xì)節(jié)和暗部細(xì)節(jié)都要優(yōu)于沒有開啟S-Log3模式所拍攝的，也就是說畫面的寬容度得到了提升，畫面越灰說明保留的信息越豐富，豐富到我們的監(jiān)視器無法完全顯示，所以才是灰色的，至于灰色的畫面后期通過LUT還原或調(diào)色處理就OK了。在4K制作流程中，調(diào)色變成了一個必不可少的環(huán)節(jié)，這是與以往電視制作流程相比所不同的地方。S-Gamut3/S-Log3格式相比ITU-709標(biāo)準(zhǔn)，具備以下優(yōu)勢：一是可以記錄14檔光圈動態(tài)范圍，二是可記錄超過ITU2020所定義的色域范圍，為后期制作提供豐富的細(xì)節(jié)和層次。

（4）記錄格式的選擇

SONY F55數(shù)字?jǐn)z像機(jī)記錄4K數(shù)據(jù)格式大致有兩種，一種是壓縮的XAVC格式，另一種是未壓縮的RAW格式。XAVC是高效率同時又能保證質(zhì)量的壓縮方式，是在帶寬、容量上可以做到比較節(jié)約的方式，它使用MEPEG4 AVC/H.264編碼器，支持HD、2K、QFHD和4K分辨率，在機(jī)內(nèi)用SxS卡直接錄制，這種10bit 4:2:2的XAVC是F55的標(biāo)準(zhǔn)記錄格式。 4K XAVC（50P）碼率約為500Mbps，數(shù)據(jù)量適中，是除RAW格式之外可選擇的編碼方式和記錄方式中質(zhì)量最好的。

RAW的含義就是“未加工的”，它是感光元器件將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的原始數(shù)據(jù)。RAW未經(jīng)壓縮，可以最大程度的保持畫面信息，為后期制作提供最大的調(diào)整空間。當(dāng)然RAW的代價也是很大的，它具有海量的文件量和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量約為16GB/分鐘，4K RAW（50P）碼率可達(dá)2.4Gbps，1小時素材接近1T的空間，需要外接錄制，SONY F55可外接AXS-R5 4K記錄單元，在AXSM介質(zhì)（A方卡）上記錄RAW數(shù)據(jù)。在RAW格式前提下，拍攝的畫面所有參數(shù)在后期制作中可重新調(diào)整。

SONY的SxS存儲卡和AXS存儲卡（A方卡）可與低成本的讀卡器相結(jié)合使用，能夠進(jìn)行高速的文件傳輸，無需使用任何專用驅(qū)動軟件就能將文件快速地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

（5）現(xiàn)場監(jiān)看問題

現(xiàn)場監(jiān)看是傳統(tǒng)視頻技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)，監(jiān)視器通常都是按照電視標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)的，只有當(dāng)信號符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時才能顯示出正常色彩的圖像。ITU-R709標(biāo)準(zhǔn)就是普通高清電視的色彩標(biāo)準(zhǔn)，不需調(diào)色就可在監(jiān)視器上正常顯示。由于LOG模式的對數(shù)特性不符合電視標(biāo)準(zhǔn)，所以其輸出的信號在普通監(jiān)視器上看到的影像是不真實(shí)的，畫面發(fā)灰，顏色平淡，現(xiàn)場監(jiān)看將LOG圖像信號通過LUT（查色表）轉(zhuǎn)換成ITU-R709電視標(biāo)準(zhǔn)。

SONY F55數(shù)字?jǐn)z像機(jī)在采用S-LOG3模式拍攝時，機(jī)內(nèi)記錄的是灰蒙蒙的畫面，在配備的DVF-L700尋像器里看到的也是灰蒙蒙的畫面，并非所見即所得，但可隨時調(diào)用機(jī)內(nèi)存儲的LUT文件還原成709色域，色彩隨時可見，為了滿足低成本制作的需要，索尼提供了四種3D LUT調(diào)色模板，可以方便的直接套用。在EFP現(xiàn)場制作中，可將攝像、視頻調(diào)光監(jiān)看改成ITU-R709的輸出效果，恢復(fù)正常的圖像，以方便取景和調(diào)整光圈，而S-LOG 模式輸出的信號則通過在現(xiàn)場進(jìn)行簡單的調(diào)色，將PGM畫面在普通監(jiān)視器上呈現(xiàn)。

（6）4K制作工藝流程

對于SONY F55的4K制作，我們一般可以采用兩種方式。第一種方式是采用較為經(jīng)濟(jì)的4K XAVC（如4096×2160/50P）編碼格式。近年來各非編軟件對壓縮編碼格式的支持大為提升，許多非編軟件都可以對XAVC格式進(jìn)行直接剪輯，如最新版本的Edius PRO 7和Premier CC等軟件。前期如果采用 XAVC壓縮編碼的方式記錄后，后期基本可以直接進(jìn)行畫面的剪輯。如果需要精細(xì)制作，可在后期繼續(xù)利用特效合成軟件和調(diào)色軟件進(jìn)行處理，通過精度渲染導(dǎo)出成品文件，即4K母版文件，如果需要電視播出，輸出高清版本即可。這種XAVC流程，優(yōu)點(diǎn)是低成本，高效率，系統(tǒng)資源占用較少。

第二種方式是采用4K RAW+藍(lán)光（高低碼流）的方式剪輯。它在拍攝記錄成4K RAW格式的同時，也記錄了MPEG-2的高清碼流，即藍(lán)光50M的素材，后期可先進(jìn)行高清藍(lán)光的素材粗剪，粗剪的素材和高質(zhì)量的4K RAW進(jìn)行套裁，這樣可以大大提高后期制作的效率，時間碼和卷號一樣，高低碼流一樣，為后期帶來很多便利。但4K RAW數(shù)據(jù)量巨大，要求工作站系統(tǒng)配置較高。

四、結(jié)束語

4K數(shù)字?jǐn)z像機(jī)相對于以往高清攝像機(jī)的操作最大的區(qū)別，實(shí)際上就是電視制作流程向數(shù)字電影化大幅靠近，LOG模式和RAW格式的應(yīng)用，徹底改變了傳統(tǒng)電視行業(yè)前期拍攝和后期制作之前的關(guān)系，同時高寬容度和高分辨率的特征使得攝像師在對用光和構(gòu)圖、細(xì)節(jié)把控等環(huán)節(jié)方面又有了全新的認(rèn)識。后期制作則需要擺脫過去僅僅是單純剪輯和簡單調(diào)色的模式，需要對整個4K制作流程做統(tǒng)一規(guī)劃，對畫面作精細(xì)調(diào)整和加工，從而對后期制作人員提出了更高的技術(shù)要求。