CCD攝像機(jī)最低照度淺析
由于生產(chǎn)廠家致力于ｃｃｄ的制作工藝和技術(shù)性能改進(jìn)，ｃｃｄ攝像機(jī)靈敏度不斷提高，其最低照度值大幅度下降；例如有的公司宣稱其攝像機(jī)最低照度已達(dá)１ lux。ｃｃｄ攝像機(jī)已能在昏暗的光線下正常操作，這種功能對(duì)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(gòu)買攝像機(jī)的用戶僅僅相信產(chǎn)品說(shuō)明或廣告是不夠的，因?yàn)橛嘘P(guān)最低照度的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。各廠家所稱的最低照度，往往可能因不統(tǒng)一而引起誤解。
從技術(shù)定義上講，最低照度應(yīng)該是在標(biāo)準(zhǔn)的電視幀比率下，攝像機(jī)輸出電平為某一幅度下所需的屏幕照度，其單位為1ux。當(dāng)然這里包括攝像機(jī)處于最大增益，光圈最大（所謂光圈最大，即最小的f數(shù)，對(duì)于１／２英寸ccd攝像機(jī)，典型值為f1.4，而對(duì)于２／３英寸ccd攝像機(jī)，典型值為f1.7）；另外，對(duì)于屏幕的反射率也應(yīng)該是89.9%，色溫３，２００ｋ，γ為0.45，自動(dòng)拐點(diǎn)關(guān)斷等等。
一、最低照度的測(cè)試條件
１、最大增益
一般為＋１８db，但是＋２４db和＋３０db的攝像機(jī)相繼出現(xiàn)。由于攝像機(jī)最大增益的不同，其最低照度也會(huì)不同，必然產(chǎn)生混亂。
２、輸出電平
決定最低照度的一個(gè)主要因素是攝像機(jī)的輸出電平，是標(biāo)準(zhǔn)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(jī)低照度性評(píng)估”一文資料所示（見(jiàn)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(jī)，其輸出電平的要求也不一樣。
從表１可以看出，對(duì)廣播級(jí)攝像機(jī)，其輸出電平均要求１００％，這是比較統(tǒng)一的；但對(duì)于后三檔的攝像機(jī)，要求各異，并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可見(jiàn)所聲稱的最低照度不是在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下得出的。
３、γ曲線
上面說(shuō)過(guò)，最低照度的一個(gè)測(cè)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(jī)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(dòng)拐點(diǎn)電路。這也在攝像機(jī)中廣泛采用，其目的是壓縮高照度下的動(dòng)態(tài)范圍，使得曲線明顯偏離0.45，這也是為什么在測(cè)量最低照度時(shí)要將該功能關(guān)斷的原因。
二、最低照度與ｓ/ｎ
在低照度下多使用高增益，勢(shì)必使ｓ/ｎ惡化。從后面的計(jì)算可知，若攝像機(jī)增益為0db，γ=1時(shí)ｓ/ｎ為60db。如果增益改為＋１８db，則ｓ/ｎ為４２db；當(dāng)增益＋１８db，γ=0.45時(shí)，ｓ/ｎ為36db。為了在低照度下不使ｓ/ｎ過(guò)度惡化，ｃｃｄ攝像機(jī)通常采用以下措施：
表 1
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廠家范 圍 |
sony |
松 下 |
jvc |
日 立 |
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演播廳efp、高檔eng |
１００ |
１００ |
１００ |
１００ |
|
低檔efp、ｅｎｇ
高檔業(yè)務(wù)級(jí) |
５０ |
７０ |
１００ |
５０ |
|
業(yè)務(wù)級(jí)單片ｃｃｄ |
５０ |
３０ |
３５ |
３０ |
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家用級(jí)（估計(jì)值） |
２０~５０ |
２０~２５ |
２０~２５ |
２０~２５ |
１、 芯片ｃｃｄ
a.采用大的ｃｃｄ芯片
一般來(lái)說(shuō)，大的ｃｃｄ芯片，其相應(yīng)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(jī)整體質(zhì)量提高。如目前２/３英寸芯片廣泛用于廣播級(jí)，１/２英寸芯片廣泛應(yīng)用于專業(yè)級(jí)，１/３~１/４英寸廣泛用于家用級(jí)。但芯片尺寸大小，必然增加攝像機(jī)鏡頭和分色棱鏡的體積和重量，這也是家用機(jī)種采用小芯片尺寸的一個(gè)原因。另外須說(shuō)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(shuō)，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(yīng)s/n高一倍。因?yàn)槟壳靶酒夹g(shù)不斷改進(jìn)，特別是應(yīng)消費(fèi)的需求，１/２、１/３英寸ｃｃｄ芯片結(jié)構(gòu)做得較為復(fù)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(shuō)提高了ｓ/ｎ。
b. 微透鏡技術(shù)
在每個(gè)ｃｃｄ象素芯片上都加有一個(gè)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(jí)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(shuō)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(dāng)芯片的溫度超過(guò)３５℃時(shí)，這種電子冷卻器開(kāi)始工作，以使ｓ/ｎ維持不變，這對(duì)室外惡劣環(huán)境下作業(yè)的ｅｎｇ很有效。
１、ｃｃｄ信號(hào)讀出
采用雙象素讀出技術(shù)，ｄｐｒ（double pixel readout）將兩個(gè)ｃｃｄ象素的電荷（電平）加在一起，從而輸出一個(gè)兩倍電平的圖像信號(hào)。這樣，可在不加大噪波電平的同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖像信號(hào)＋６db的提高。
２、 電路處理
a.黑壓縮
我們知道，γ系數(shù)對(duì)于低照度下信號(hào)(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(duì)來(lái)說(shuō)減小了噪波。
b.黑切割
通過(guò)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(shuō)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(chǎng)，其間差別不大，予以平均可提高ｓ/ｎ；其缺點(diǎn)是產(chǎn)生滯后(lag)。也可以對(duì)一個(gè)場(chǎng)內(nèi)象素間進(jìn)行比較平均，但這樣分辨力降低。
上面已經(jīng)談到，最低照度值受多個(gè)條件制約，在一般條件下最低照度值可以由攝像機(jī)靈敏度推出：如某一攝像機(jī)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(hào)輸出情況下該攝像機(jī)最低照度為7.8 lux，７０％信號(hào)幅度輸出情況下其最低照度為3.2 lux。
推算過(guò)程：f8→f1.4，經(jīng)過(guò)５檔光圈（f8、f5.6、f4、f2.8、f1.4），那么2,000 lux也應(yīng)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(jī)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）。但最低照度是在γ=0.45情況下測(cè)得的，所以這時(shí)ｓ/ｎ下降到３６db。如不采取任何降噪措施，在增益＝＋３０db時(shí)，ｓ/ｎ將只有24db，嚴(yán)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(yīng)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最低照度以及ｓ/ｎ的估計(jì)值：
最低照度＝2,000/2[fs/fmin]×2[g/6]×nbin×nf lux
ｓ/ｎ（最低照度）≦s／ｎ（0db）－ｇ＋１０×log10(nbin×nf) db
其中：fs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)量的靈敏度光圈數(shù)，fmin為最低照度下的光圈數(shù)(即攝像機(jī)的最大光圈)，ｇ為最低照度下增益值，nbin表示ｃｃｄ讀出時(shí)幾行并讀數(shù)，nf為幾場(chǎng)積分(降噪)。
假如fs=f8，fmin=f1.4，s/n (0db)=60db，g=24db，nbin=2，nf=1，則：
最低照度＝２ lux
ｓ/ｎ(最低照度)≦３９db
之所以取≦，是因?yàn)榭紤]光子噪波，一般應(yīng)降低3~5db。如果在計(jì)算最低照度時(shí)ｇ取３０db，其他條件如上所述，那么計(jì)算結(jié)果為１ lux。
如上所述，由于最低照度至今還沒(méi)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，所以攝像機(jī)生產(chǎn)廠家在攝像機(jī)最低照度指標(biāo)說(shuō)明中常給出一些附加條件，如sony公司生產(chǎn)的ｄｘｃ－６３７：最低照度為１ lux，附加條件是＋３０db，ｄｐｒ ｏｎ，f1.7；日立公司生產(chǎn)的z－1800，最低照度為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(jī)使用人員，對(duì)攝像機(jī)最低照度要有一個(gè)全面的了解，不要只知其一，不知其二。在使用過(guò)程中，一定要搞清楚所使攝像機(jī)最低照度的使用方法，有無(wú)為提高低照度s／n而設(shè)置的開(kāi)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(lè)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(diǎn)是我贊嘆不已的，但是當(dāng)我編片時(shí)，還是讓我產(chǎn)生兩點(diǎn)遺憾：一是打開(kāi)１８db增益開(kāi)關(guān)，在低照度條件下拍攝時(shí)，同其他攝像機(jī)相比雜波改善不大；二是色彩不夠飽和。此時(shí)正值松下電器公司在云南電視臺(tái)召開(kāi)展示會(huì)，會(huì)上我向松下電器公司的工程師們提出了我們的遺憾。沒(méi)想到，當(dāng)時(shí)就得到了圓滿的解決。由于我的錯(cuò)誤，使得ｆ５６５最卓越的兩個(gè)功能被我這個(gè)看不懂英文說(shuō)明書(shū)的人給抹殺了。ｆ５６５有一個(gè)圖像噪聲抑制開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)一開(kāi)，雜波立刻大大降低……。”
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