[123儀器商城]CCD攝像機便宜照度淺析

2011-03-23

                                                      [123儀器商城]CCD攝像機低照度淺析

        全球紡織采購供應鏈色彩解決方案商——天友利，近幾年來，越來越多的頂尖零售商和服裝品牌廠家選擇天友利作為自己的優(yōu)選或共選色彩技術(shù)提供商。產(chǎn)品涉及行業(yè)：塑料、 涂料、 紡織、 汽車、 化妝品、 數(shù)碼影像、 印前 、印刷、 油墨、 色覺測試、 包裝等。

??由于生產(chǎn)廠家致力于ＣＣＤ的制作工藝和技術(shù)性能改進，ＣＣＤ攝像機靈敏度不斷提高，其低照度值大幅度下降；例如有的公司宣稱其攝像機低照度已達１ lux。ＣＣＤ攝像機已能在昏暗的光線下正常操作，這種功能對于夜間突發(fā)性新聞采集等特殊要求是非常有用的。但是，購買攝像機的用戶僅僅相信產(chǎn)品說明或廣告是不夠的，因為有關(guān)低照度的國際標準尚未建立。各廠家所稱的低照度，往往可能因不統(tǒng)一而引起誤解。

??從技術(shù)定義上講，低照度應該是在標準的電視幀比率下，攝像機輸出電平為某一幅度下所需的屏幕照度，其單位為1ux。當然這里包括攝像機處于大增益，光圈大（所謂光圈大，即小的f數(shù)，對于１／２英寸CCD攝像機，典型值為f1.4，而對于２／３英寸CCD攝像機，典型值為f1.7）；另外，對于屏幕的反射率也應該是89.9%，色溫３，２００Ｋ，γ為0.45，自動拐點關(guān)斷等等。

??一、低照度的測試條件

??１、大增益

??一般為＋１８dB，但是＋２４dB和＋３０dB的攝像機相繼出現(xiàn)。由于攝像機大增益的不同，其低照度也會不同，必然產(chǎn)生混亂。

??２、輸出電平

??決定低照度的一個主要因素是攝像機的輸出電平，是標準電平的１００％（0.7V），還是７０％（0.49V）等，怎樣才算較為合理。由羅伯特?以瑟在“攝像機低照度性評估”一文資料所示（見表１），可以看出，同一類型、不同廠家，或同一廠家、不同類型的攝像機，其輸出電平的要求也不一樣。

??從表１可以看出，對廣播級攝像機，其輸出電平均要求１００％，這是比較統(tǒng)一的；但對于后三檔的攝像機，要求各異，并無統(tǒng)一標準，可見所聲稱的低照度不是在統(tǒng)一標準下得出的。

??３、γ曲線

??上面說過，低照度的一個測定條件是γ=0.45，但并非全是如此。另外有幾種情況影響γ曲線：

??a.黑壓縮。這在攝像機中廣泛使用，其主要目的是減小低照度下的噪波，這顯然影響γ曲線。

??b. 自動拐點電路。這也在攝像機中廣泛采用，其目的是壓縮高照度下的動態(tài)范圍，使得曲線明顯偏離0.45，這也是為什么在測量低照度時要將該功能關(guān)斷的原因。
    二、低照度與Ｓ/Ｎ

??在低照度下多使用高增益，勢必使Ｓ/Ｎ惡化。從后面的計算可知，若攝像機增益為0dB，γ=1時Ｓ/Ｎ為60dB。如果增益改為＋１８dB，則Ｓ/Ｎ為４２dB；當增益＋１８dB，γ=0.45時，Ｓ/Ｎ為36dB。為了在低照度下不使Ｓ/Ｎ過度惡化，ＣＣＤ攝像機通常采用以下措施：

??演播廳EFP、高檔ENG

??１、 芯片ＣＣＤ

??a.采用大的ＣＣＤ芯片

??一般來說，大的ＣＣＤ芯片，其相應的象素面積也較大，接受所攝光的面積增大，必然使象素輸出電荷增多，靈敏度上升，容易使攝像機整體質(zhì)量提高。如目前２/３英寸芯片廣泛用于廣播級，１/２英寸芯片廣泛應用于專業(yè)級，１/３~１/４英寸廣泛用于家用級。但芯片尺寸大小，必然增加攝像機鏡頭和分色棱鏡的體積和重量，這也是家用機種采用小芯片尺寸的一個原因。另外須說明的是，即使采用較大的芯片也未必能令Ｓ/Ｎ有明顯的改變。按理說，２/３英寸ＣＣＤ芯片的象素面積比１/２英寸ＣＣＤ芯片的象素面積大一倍，而１/２英寸ＣＣＤ芯片象素面積比１/３英寸ＣＣＤ芯片象素面積也大一倍，但并非相應S/N高一倍。因為目前芯片技術(shù)不斷改進，特別是應消費的需求，１/２、１/３英寸ＣＣＤ芯片結(jié)構(gòu)做得較為復雜，使移位寄存器、傳輸門、控制線和通道中止等所占面積減小，從面使象素受光面積增大，結(jié)果提高了這些小芯片的靈敏度，或者說提高了Ｓ/Ｎ。
?b. 微透鏡技術(shù)

??在每個ＣＣＤ象素芯片上都加有一個新型的半球形微透鏡，并結(jié)合光跟蹤模擬技術(shù)，使光電轉(zhuǎn)換效率大大提高。

??c. Back Thinning技術(shù)

??它可增加量子效率１~2倍，這種技術(shù)在專業(yè)級ＣＣＤ中使用，可較好地改善低照度性能。

??d. 致冷ＣＣＤ

??雖然ＣＣＤ暗電流噪波或者說熱噪波和固定圖案噪波在常溫下并不重要，但隨著溫度升高，其影響不可忽視。通常溫度升高10℃，暗電流增加一倍。在ＣＣＤ芯片上采用特有的電子冷卻器，可使芯片的工作溫度降低１５℃左右。當芯片的溫度超過３５℃時，這種電子冷卻器開始工作，以使Ｓ/Ｎ維持不變，這對室外惡劣環(huán)境下作業(yè)的ＥＮＧ很有效。

??１、ＣＣＤ信號讀出

??采用雙象素讀出技術(shù)，ＤＰＲ（Double Pixel Readout）將兩個ＣＣＤ象素的電荷（電平）加在一起，從而輸出一個兩倍電平的圖像信號。這樣，可在不加大噪波電平的同時實現(xiàn)圖像信號＋６dB的提高。

??２、 電路處理

??a.黑壓縮

??我們知道，γ系數(shù)對于低照度下信號(0.1~0.3V)影響很大，特別是噪波。采用黑壓縮，可以減小γ值，相對來說減小了噪波。

??b.黑切割

??通過切割低照度下的黑電平，可以明顯減小噪波。

??c.減小帶寬

??低照度下一般都伴隨著高增益。為了減小噪波，減小帶寬，或者說降低清晰度是常采用的。常用的方法是采用數(shù)字降噪技術(shù)；比較視頻場，其間差別不大，予以平均可提高Ｓ/Ｎ；其缺點是產(chǎn)生滯后(Lag)。也可以對一個場內(nèi)象素間進行比較平均，但這樣分辨力降低。

??上面已經(jīng)談到，低照度值受多個條件制約，在一般條件下低照度值可以由攝像機靈敏度推出：如某一攝像機的靈敏度為f8、2,000 lux(0dB)，它等效于f1.4、62.5 lux(0dB)，或f1.4 、7.8 lux(+18dB)。其原理是每減小一檔光圈，2,000 lux就減小一倍；增益每增加＋６dB，2,000 lux也減小一倍。因此在１００％信號輸出情況下該攝像機低照度為7.8 lux，７０％信號幅度輸出情況下其低照度為3.2 lux。

??推算過程：f8→f1.4，經(jīng)過５檔光圈（f8、f5.6、f4、f2.8、f1.4），那么2,000 lux也應被２5除，即2,000 lux/25=62.5 lux。

??增益0dB→18dB (6dB×3)照度62.5 lux/2 3=7.8 lux。

??如果攝像機Ｓ/Ｎ為６０dB（條件：增益0dB，γoff），那么在增益＋１８dB下，Ｓ/Ｎ減小＋１８dB，為４２dB（γoff）。但低照度是在γ=0.45情況下測得的，所以這時Ｓ/Ｎ下降到３６dB。如不采取任何降噪措施，在增益＝＋３０dB時，Ｓ/Ｎ將只有24dB，嚴重影響圖像質(zhì)量，這也是為什么在高增益下必然要采取相應的降噪措施以提高Ｓ/Ｎ的原因。
    考慮到目前在低照度情況下為提高Ｓ/Ｎ而采取的上述措施，我們列出這種情況下的低照度以及Ｓ/Ｎ的估計值：

??低照度＝2,000/2[Fs/Fmin]×2[G/6]×Nbin×Nf lux

??Ｓ/Ｎ（低照度）≦S／Ｎ（0dB）－Ｇ＋１０×log10(Nbin×Nf) dB

??其中：Fs為標準狀態(tài)下測量的靈敏度光圈數(shù)，F(xiàn)min為低照度下的光圈數(shù)(即攝像機的大光圈)，Ｇ為低照度下增益值，Nbin表示ＣＣＤ讀出時幾行并讀數(shù)，Nf為幾場積分(降噪)。

??假如Fs=f8，F(xiàn)min=f1.4，S/N (0dB)=60dB，G=24dB，Nbin=2，Nf=1，則：

??低照度＝２ lux

??Ｓ/Ｎ(低照度)≦３９dB

?  之所以取≦，是因為考慮光子噪波，一般應降低3~5dB。如果在計算低照度時Ｇ取３０dB，其他條件如上所述，那么計算結(jié)果為１ lux。

??如上所述，由于低照度至今還沒有國際標準，所以攝像機生產(chǎn)廠家在攝像機低照度指標說明中常給出一些附加條件，如Sony公司生產(chǎn)的ＤＸＣ－６３７：低照度為１ lux，附加條件是＋３０dB，ＤＰＲ ＯＮ，F(xiàn)1.7；日立公司生產(chǎn)的Z－1800，低照度為1.5 lux，附加條件是F1.8，增益為＋24dB，Ultragain（超增益）on。

??作為一名電視技術(shù)人員，甚至攝像機使用人員，對攝像機低照度要有一個全面的了解，不要只知其一，不知其二。在使用過程中，一定要搞清楚所使攝像機低照度的使用方法，有無為提高低照度S／N而設置的開關(guān)。我們是否可從下面的一段敘述中得到啟發(fā)呢？

??1996年4月＜世界廣播電視＞發(fā)表了譚樂水的一篇文章“從使用松下Ｆ５６５所想到的……”，其中有一段是這樣的：“盡管Ｆ５６５有許許多多優(yōu)點是我贊嘆不已的，但是當我編片時，還是讓我產(chǎn)生兩點遺憾：一是打開１８dB增益開關(guān)，在低照度條件下拍攝時，同其他攝像機相比雜波改善不大；二是色彩不夠飽和。此時正值松下電器公司在云南電視臺召開展示會，會上我向松下電器公司的工程師們提出了我們的遺憾。沒想到，當時就得到了圓滿的解決。由于我的錯誤，使得Ｆ５６５卓越的兩個功能被我這個看不懂英文說明書的人給抹殺了。Ｆ５６５有一個圖像噪聲抑制開關(guān)，開關(guān)一開，雜波立刻大大降低……。” 

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