高清摄像机技术参数规范研究

王鸿涛,史萍,王世平

(中国传媒大学 信息工程学院,北京 100024)

1 引言

近年来,随着视频技术与图像编码技术的不断发展,高清摄像机已经成为各大传媒机构及个人工作室记录视频素材的首选设备。很多曾经使用标清摄像机进行拍摄的摄像师,因为不熟悉高清摄像机的技术指标和拍摄技巧,往往导致拍摄的画面出现聚焦不实、曝光过度等问题。要解决这些问题,首先要了解高清摄像机的原理及与标清摄像机的区别,其次还要具备一定的高清电视摄像技术和解决在高清电视摄像中出现的一些技术问题的能力。

影响高清摄像机拍摄质量的主要因素有:聚焦、曝光、色温和照明条件等。这些技术问题虽然在标清电视摄像中要求的并不十分苛刻,但在高清电视摄像中就必须精心对待、认真解决,否则就会直接影响到高清电视画面的拍摄质量。

本文的目的就是基于高清摄像机原理的研究,给出一些解决实际拍摄问题的方法。并探讨高清摄像机在拍摄中如何调整参数使其功能得到最大发挥。全文共分三部分,第二部为影响高清摄像机拍摄画质的因素及解决方法。第三部分为全文总结。

2 影响高清摄像机拍摄画质的因素及解决方法

2.1 高清摄像机拍摄中的聚焦问题

很多使用过多年标清摄像机进行拍摄的摄影师在换成高清摄像机拍摄时遇到的第一个问题就是画面聚焦不实。即使用老方法精确聚焦了,但在拍摄过程中也时常发现焦点发软的现象。其实高清拍摄聚焦问题是由高清摄像机的高清晰度引起的。高清摄像机的分辨率可达到 1920×1080像素,水平视场角比标清大,画面包括的景物比标清画面多,景深也比标清浅了很多,所以在聚焦时稍有疏忽就会超出景深范围,造成虚焦。

高清摄像机的寻像器与标清摄像机相同,在较小的寻像器画面中,摄影师很难做到精确聚焦,所以,应使用高清监视器进行监看。在标清摄像机聚焦中,我们采用压缩景深的方法进行准确聚焦。即固定镜头、校准后焦、光圈开到最大、再将镜头推到最长焦处得到最浅景深后聚实焦点,然后再将镜头拉回到所需画面景别进行拍摄,这样就实现了对拍摄物体的精确聚焦。但将同样方法应用在高清摄像机聚焦上时往往达不到理想效果,拍摄出的画面偏“软”。因为当镜头拉回到所需景别时,镜头会出现轻微的像面漂移现象,在标清中由于景深范围较大这种漂移现象对图像清晰度几乎没有影响,但在高清中随着焦距的变化可能导致之前聚实的焦点超出景深范围,导致画面最终聚焦不实。

图 1与图 2对两种聚焦情况进行了比较,由此可得出高清摄像机的聚焦方法:首先将光圈开到最大,把景深范围控制在最小,然后选择所需的景别进行构图,构图完成后直接在此景别下进行聚焦,确定焦点聚实后,再调整曝光量、控制景深进行拍摄。

图 1 标清聚集方式

图 2 高清聚焦方式

2.2 曝光处理问题

曝光量直接影响画面的层次、细节、色彩饱和度及清晰度,所以只有准确把握曝光量,才能得到完美的高清图像。因为高清摄像机水平清晰度提高,画面宽容度更接近电影胶片,层次比标清更加丰富。在拍摄景物时,需认真观察被摄景物的明暗程度和明暗分布范围,根据亮部和暗部的取舍及与拍摄主体的关系,确定曝光量并调整光圈大小。

同标清摄像机一样,高清摄像机也提供了伽玛曲线的调整功能,当拍摄的景物大面积处于高亮度环境时,由于亮度值已经超出摄像机所能表现的范围,图像的高光部分会出现泛白现象,导致高光部分层次和细节全部丢失。相反,当被摄景物处于低照度的环境中时,由于环境光已经超过摄像机的最低照度范围,图像暗部的层次细节也会丢失,画面出现“死黑”现象。遇到上面两种情况。图 3给出了数字摄像机拍摄亮度与物体实际亮度的差异。可以看出,数字摄像机对物体的亮度还原范围远远小于实际物体亮度。我们可以通过调整拐点、伽玛曲线和黑伽玛曲线等摄像机参数对画面进行补偿和修饰。具体来说一般情况下,在拍摄前适度调整摄像机的黑电平,拍摄白天外景时设置在 -10～-15左右,拍摄夜景或室内画面时,设置在 0～4左右,当然,设置参数要根据具体环境要求而定。如果需要对画面的影调反差做适当调整,我们可以调整主伽玛电平到 -20～-50之间,将中灰影调的过渡放平缓,来丰富直线区域的色饱和度和层次。

图 3 数字摄像机拍摄亮度与实际亮度的差别

除此之外还有一些极端光照环境需要特别注意调整摄像机拐点。

2.1.1 当画面处于高亮部分时

根据监视器中反映出的画面细节设定拐点,以增加高亮部分的层次和细节。其工作原理为:在正常亮度范围内(0.7V),数字摄像机呈现理想的线性光电转换特性,景物亮度与输出电平成正比关系,数字摄像机可以表现景物真实的亮度及细节;当亮度电平超过 0.7V时,信号被限幅,图像表现为“泛白”。调整拐点后,CCD的光电转换特性在高亮度时线性的斜率变小,使图像中高亮度部分的层次变得丰富。图 4为开启拐点与未开启拐点间画面的比较,可以看出,在环境光非常强的情况下,开启拐点功能可以使画面细节还原更准确。

2.1.2 画面处于低照度环境时

调整黑伽玛的范围,得到所需的暗部层次。其工作原理类似于拐点的调整,在不影响中间部分的线性特性并保持绝对黑电平的情况下,进行黑伽玛高、中、低档的调节。图 5为调整黑伽玛拍摄的对比,我们可以看出,当适当调整黑伽玛后,画面暗部的细节被突出出来了。

高清摄像机的自动光圈功能中,还设置了区域测光和自动光圈过载功能。区域测光是指在选择测光范围中进行测光,其大小和位置可调。通过自动测光后,还可以人为细调。采用这个方法进行调整是不够精确的,误差约在半档光圈之内。此外,也可以借助 18%的灰板进行测光。最可行的方法还是根据目测灰度来确定曝光量,并使用高清监视器和高清示波器监看。

2.3 色温设定问题

摄影师都知道,在拍摄前要对摄像机进行白平衡调整。白平衡调整分两步:粗调和细调。粗调就是根据环境光色温选择正确的滤色片,大范围地进行粗略的调节,然后再进行细调。

具体做法是:选择标准的白纸置于同一光源照射下,采用顺光照明,镜头对准白纸并使其充满画面,先调整黑平衡,再进行白平衡调节。在高清拍摄中,有几种情况需要注意:

2.3.1 外景

在自然光下拍摄,色温主要受太阳光与周围漫反射光的影响,为了使色彩正确还原,调节白平衡时,白纸应放在向上呈 45°角的位置,能反射阳光和周围漫反射光。在阴天时,白纸要压低,让它既能反射阳光,又能反射景物周围漫反射的光线,以达到较好的色彩还原。白平衡调整完毕,在光线变化不大的情况下,不必重复调节,这样能使画面的色调保持流畅。

2.3.2 室内

室内一般灯光采用人工光照明,色温较统一,比较好处理。如果同时使用彩色灯光照明,调整白平衡时应注意关闭所有彩色光源,待调整完毕后再开启彩色光源。当白平衡调整的值不同时,画面会出现偏色现象,如图 6所示。

2.4 照明问题

电视画面的清晰度除了受光圈、景深影响外,还受照明的明暗对比度和光线的性质等因素的影响。

值得注意的是画面清晰度的高低并不取决于整个画面的明亮程度和是否采用大量的照明光线。关键在于使用适度的明暗对比度和相应的光线性质。

2.4.1 明暗对比度与清晰度

电视屏幕上最亮部分与最暗部分亮度的比值称作对比度。对比度大时图像黑白分明,明暗反差大,电视画面的清晰度与照明的对比度有关。高清摄像机可提供的最大景物对比度相当于 8～9级光圈值,在正常曝光值基础上,在增加 2.5级光圈和减少5.5级光圈的范围内仍能表现景物的灰度层次。因此,在曝光不足时,高清摄像机仍能表现丰富的层次。而曝光过度时,高清摄像机还原层次则嫌不够,虽然对高光部分的表现不如电影胶片,但整体上比普通电视摄像机已有了很大提高。因而在高清拍摄时,要尽量模拟自然光进行布光。例如,根据不同被摄物体与不同场景,主光与辅光的光比适当加大,这样画面立体感增强,主体更加突出。当然,光比也不能过大,经拍摄实践,建议光比不要超过 4:1。拍摄曝光时遵循“宁欠勿过”的原则。图 7是在不同光比下拍摄的画面效果,当光比为 2:1时画面影调平缓,当光比提升为 4:1时画面有较好的亮暗对比。

2.4.2 光线性质对画面清晰度的影响

物体在高清电视画面上呈现的清晰度,不仅与光比有关,而且同光线的性质有关。光质即光线的“软硬性质”。通常我们把散射光称为软光,而把直射光称为硬光。光线的软硬对拍摄物体外观的清晰度有很大的影响。照明光线性质的选择,是由物体表面结构决定的,即物体表面结构不同,其采用的光线性质也不同,一般来说,粗糙物体的表面宜用硬光照明;光滑的物体表面宜用柔和的软光照明。在电视拍摄时,我们会发现在阴天下拍摄的景物因没有影子而显得平淡呆板,表面质感消失,而一旦受到阳光的逆向照射,物体轮廓就会立即脱颖而出,可见,光线性质对画面清晰度有很大的影响。图 8体现的是不同光质对画面拍摄效果的影响。

从画面的局部效果来说,由于硬光造成过大的明暗反差,而使物体细部的再现能力降低。而软光所造成的细腻的影调层次,相反能提高我们对物体细部的分辨能力,因此感觉画面清晰度高。高清摄像照明使用较软的光线对提高画面的清晰度十分有利。

3 结论

通过上述一系列实验我们看到,高清摄像机在使用上与传统标清摄像机有一定差别,不论在聚焦、曝光的调节上还是黑电平、伽玛等参数的调整上,对摄像师都提出了更高的要求,在拍摄前应该先认真了解摄像机菜单中可调整的各项参数,拍摄时应根据不同的拍摄要求和环境及时调整菜单,在聚焦时采用直接构图聚焦的方法,减少像面漂移现象;曝光调整上采用“宁欠勿过”的原则,保证画面中有尽可能多的亮暗细节;在色温调整中采用粗调与细调相结合的方法,确保画面色彩还原准确。通过这些参数的调节使高清摄像机发挥最大潜能,得到最优画质。

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