高清攝像機 信號處理 (經(jīng)典)

1、數(shù)字攝像機的信號處理綜述(2007-04-16 17:06:23) 轉(zhuǎn)載數(shù) 字 攝 像 機 的 信 號 處 理 綜 述張元文(廣東電視臺制作部 510066)1、前言隨著我國電視系統(tǒng)數(shù)字化進程的推進，各省級電視臺的數(shù)字化正從數(shù)字電視車、全數(shù)字演播室、非編網(wǎng)絡、半數(shù)字化播出中心向各個領(lǐng)域擴展，我臺目前的情況也是這樣。在這個過程中，許多模擬攝像機正在被數(shù)字攝像機所取代。數(shù)字攝像機能實現(xiàn)在模擬攝像機中做不到的許多處理與效果；具有高精度的校正和線性矩陣（彩色校正），使彩色重現(xiàn)更加逼真；數(shù)字攝像機有較大的動態(tài)范圍；數(shù)字攝像機采用低功耗大規(guī)模集成電路LSI，電路集成度達到180萬門以上，內(nèi)部線寬減少到0.

2、35m，工作電壓從5V降低到3V，體積功耗都比模擬攝像機小?？傊瑪?shù)字攝像機不僅圖像質(zhì)量提高，而且工作穩(wěn)定性、可靠性也提高，方便維護。因此，對數(shù)字攝像機技術(shù)有一個全面的認識，是非常必要的。2、數(shù)字攝像機的基本構(gòu)成2.1 數(shù)字攝像機的由來三片CCD攝像器件輸出的信號經(jīng)過相關(guān)雙重取樣電路及預放處理后，得到的是模擬圖象信號，攝像機的數(shù)字化最多只能從預放器后的信號處理電路開始，因此，數(shù)字化的攝像機叫做數(shù)字信號處理攝像機，數(shù)字攝像機是通俗化的叫法。然而，信號處理通道中進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換（即A/D變換）的位置可前可后，位置前后與A/D變換選取的量化比特數(shù)有關(guān)，這就產(chǎn)生了信號處理通道中數(shù)字化程度的差別。目前，數(shù)

3、字攝像機的品牌中，主要有10bit數(shù)字攝像機和12bit數(shù)字攝像機兩種（均指的是A/D變換的量化比特數(shù)）。不管數(shù)字攝像機中信號處理通道的數(shù)字化程度怎樣，它的基本構(gòu)成原理與各部分的作用與模擬攝像機相同。數(shù)字攝像機視頻信號處理系統(tǒng)中A/D變換的量化比特數(shù)不論是采用10bit的還是12bit的，最終輸出都是符合ITU-R601標準的10bit數(shù)字信號。輸出形式有Y、R-Y、B-Y數(shù)字分量信號；或經(jīng)數(shù)字編碼器輸出的數(shù)字復合信號；有的攝像機為了延伸電纜傳輸距離，使用機頭內(nèi)部光纖適配器把數(shù)字分量信號直接送入適配器變成光信號，用光纜傳輸，使傳輸距離達到1-2千米以上。2.2 10bit數(shù)字攝像機1理論上攝像

4、機A/D變換的量化比特數(shù)應大于10bit，甚至達到16.5bit，才能滿足較高的攝像機的動態(tài)范圍和信噪比要求。但實踐證明，采用14bit以上的A/D變換器，圖象質(zhì)量的提高已經(jīng)不明顯了。如果量化比特數(shù)采用10bit，則必須采取降低比特數(shù)的措施，即先經(jīng)過部分模擬處理，再進行A/D變換。理由是：自動黑/白斑校正、自動黑/白平衡調(diào)節(jié)、增益提升等電路放在A/D變換前，量化時可減少4bit；采用預彎曲電路可以把CCD輸出的600%信號電平壓縮到200%，量化時可減少1.5bit；還有數(shù)字處理部分采取的措施。這樣，A/D變換便可以采用10bit量化并達到演播室的圖象質(zhì)量，這種攝像機的信號處理放大器中含有部分

5、模擬處理，基本組成框圖如圖1所示：圖1、 10bit數(shù)字攝像機基本構(gòu)成圖信號處理包括模擬處理和數(shù)字處理兩部分。預放器輸出的信號先進入模擬處理部分，在這里進行自動黑斑補償、自動黑/白平衡、雜散光校正、自動白斑補償、增益控制、預彎曲等處理放大，再將處理過的模擬視頻信號送入10bit量化的模/數(shù)變換器，變成數(shù)字信號，進行數(shù)據(jù)檢測（為各種自動調(diào)節(jié)檢測誤差數(shù)據(jù)）、輪廓校正、校正、彩色校正、混消隱、白切割、色度孔闌、編碼矩陣等處理，最后輸出數(shù)字圖象信號。數(shù)字攝像機的主控制器是調(diào)節(jié)和控制攝像機的核心電路，由CPU、ROM、RAM、E2PROM和接口電路等組成，攝像機面板上的各種開關(guān)信號都送給CPU，由CPU

6、 發(fā)出指令給各存儲器、數(shù)字信號處理電路的數(shù)據(jù)檢測及有關(guān)部分，數(shù)字檢測電路將檢測出的差值、平均值和峰值等送回CPU，進行存儲、運算，并送到相應的調(diào)整電路及鏡頭控制電路進行參數(shù)值的調(diào)整控制。模擬電路的控制數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換成模擬電壓，送到相應的調(diào)節(jié)電路進行調(diào)節(jié)。由于模擬電路的調(diào)節(jié)控制電壓是從數(shù)字處理部分獲得的，所以調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定度都相當高。2.3 12bit數(shù)字攝像機采取了一些必要的降比特措施后，比如在DSP（數(shù)字信號處理）內(nèi)集成一個數(shù)字降噪濾波器，或采取預彎曲處理等，可以采用12bitA/D轉(zhuǎn)換，對預放器之后的視頻信號直接進行數(shù)字化，并且采用16bit內(nèi)部處理，32bit擴展。這樣便構(gòu)成所謂的12

7、bit全數(shù)字攝像機。（有的12bit數(shù)字攝像機也采取部分模擬處理）。圖2是全數(shù)字攝像機的構(gòu)成原理圖。圖2、 12bit數(shù)字攝像機構(gòu)成原理圖2全數(shù)字處理意味著所有的非線性處理都是數(shù)字化的，預彎曲可以通過數(shù)字運算來實現(xiàn)，保證高亮度區(qū)壓縮部分重現(xiàn)自然彩色。在600%電平內(nèi)用12bit量化，也增加了100%電平內(nèi)的量化級數(shù)，使視頻信號的主要部分的量化精度提高。經(jīng)測試表明：12bit全數(shù)字攝像機的動態(tài)范圍擴大了，信噪比、圖象分解力有所提高，許多參數(shù)有所改良。2.4 數(shù)字攝像機的關(guān)鍵部件CCD攝像器件及預放器CCD攝像器件及預放器是數(shù)字信號處理攝像機的前端電路，它的性能優(yōu)劣決定著攝像機的圖象分解力、信噪比

8、及靈敏度等指標的好壞。目前的技術(shù)、工藝水平可使預放器的功率增益做得相當高，且信噪比大于60dB。CCD攝像器件型號有IT、FT、FIT型等各種電荷轉(zhuǎn)移方式的型號。廣播級大多選用3片式的2/3英寸FIT型CCD，像素在60萬以上，CCD輸出信號的動態(tài)范圍可達80dB。圖3是FIT型CCD示意圖。有的攝像機對CCD器件還采取了改良技術(shù)。如OCL技術(shù)，提高CCD的靈敏度；空間像素偏置技術(shù)，提高CCD的圖象分解力；DPM（Dynamic PixelManagement）動態(tài)象素管理技術(shù)，保持4:3/16:9格式轉(zhuǎn)換時的圖象分解力。10bit數(shù)字攝像機與12bit數(shù)字攝像機的電路構(gòu)成原理相同。（有區(qū)別的

9、只是電路的控制部分），各部分的信號處理過程機理如下所述。圖3、 FIT型CCD示意圖3、視頻信號的處理過程（機理）3.1 黑斑校正與白斑校正3黑斑現(xiàn)象是由攝像器件的暗電流引起的。在無光進入鐿頭時，CCD本應無信號電壓輸出，但由于分子的熱運動，使CCD會有很少的電荷產(chǎn)生，且每個感光單元產(chǎn)生的電荷量不一致，導致畫面的黑色不均勻。白斑效應是由于鏡頭的透射率不一致及分光棱鏡的色漸變現(xiàn)象引起的，其現(xiàn)象是重現(xiàn)的白色不均勻。在數(shù)字攝像機中，黑斑校正與白斑校正可精確地自動調(diào)節(jié)。即將整個畫面分成114228=25992個區(qū)進行檢測，根據(jù)數(shù)據(jù)檢測出的誤差值，控制黑斑（白斑）地址發(fā)生器將地址送入主控制器，用查表方式

10、從存儲器中讀出調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A變換后送到模擬校正電路進行補償，對任意形狀的黑（白）斑都可以補償。通過黑斑校正后，消除暗電流的影響，使黑電平與消隱電平相同，即為基準零電平，輸入到后面的增益放大器。這樣，增益變化就不會引起黑電平變化了。3.2 黑、白平衡調(diào)節(jié)當攝像機拍攝黑色物體時或關(guān)閉光圈時，紅、綠、藍三路輸出的電平稱為黑色電平，這個電平送到顯像管時熒光屏剛剛不發(fā)光，呈現(xiàn)黑色，要使呈現(xiàn)的黑色是純黑，則要求攝像機輸出的紅、綠、藍黑色電平相等，這稱為攝像機的黑平衡。黑平衡調(diào)節(jié)是在黑斑校正之后進行，通常是在關(guān)閉光圈下使攝像機工作，調(diào)節(jié)紅路和藍路的黑色電平，使它們都與綠路的黑色電平相等。如果同時調(diào)節(jié)紅、

11、綠、藍黑色電平，并不會影響黑平衡，這稱為總黑電平（M.PEd）調(diào)節(jié)，這樣可調(diào)節(jié)圖象的平均亮度。攝像機最后輸出的圖象信號的黑電平是在混入標準消隱脈沖后建立的。在拍攝純白色景物時，調(diào)節(jié)紅路和藍路增益，使紅路和藍路的電平與綠路的電平相等，這樣，熒光屏上便能重現(xiàn)出基準白色。白平衡調(diào)節(jié)在白斑校正之后進行，電路可進行增益微調(diào)，調(diào)節(jié)方式既可手動調(diào)節(jié)也可自動調(diào)節(jié)。3.3 增益提升攝像機輸出信號的幅度必須達到電視傳輸規(guī)定的標準電平0.7Vp-p，為了能在不同的景物照度（包括特殊的較暗場景）條件下都能輸出0.7Vp-p的信號，必須使放大器的增益能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，現(xiàn)在的攝像機設置的增益選擇有-3dB、+3dB、+

12、6dB、+9dB、+12dB、+18dB、+21dB等若干檔。由于增益升高時圖象上的雜波也會增加，不得以時才用增益檔，通常用0dB檔拍攝。3.4 雜散光校正由于鏡頭中的各片透鏡和CCD內(nèi)部都有很小的反射率（約小于0.1%），所以光線通過時一部分反射光使白色周圍的黑色部分稍發(fā)白，即提高了圖象的黑電平，降低了圖象的黑白對比度，使圖象看上去如蒙上一層霧，稱為雜散光效應。光的反射量與光波的波長有關(guān)，紅路雜散光最強，綠路次之，藍路最少。雜散光效應也破壞圖象的彩色平衡，尤其是黑色平衡。利用雜散光的強弱隨入射光強度成比例地變化的特點，我們可以得出雜散光校正的基本方法。即把圖象信號的平均電平進行負反饋，調(diào)節(jié)反

13、饋量使之恰好抑制雜散光所引起的黑電平變化。3.5 預彎曲和白壓縮如圖4所示是攝像機的傳輸特性曲線。圖4 攝像機的傳輸特性(PAL)4白壓縮顧名思義是把白電平部分壓縮。白壓縮的目的是為了提高攝像機的動態(tài)范圍和降低量化比特數(shù)的需要。實現(xiàn)白壓縮的辦法是減小放大器在白電平部分的增益。從圖4可見，三條傳輸特性曲線的白切割電平都在110%處，原特性曲線（是線性的）在切割點處所對應的入射光強度是130%，即動態(tài)范圍（被攝景物所能傳送的最大景物亮度的變化范圍）是130%；105%拐點的白壓縮后的特性曲線的動態(tài)范圍是200%；而85%拐點的白壓縮后的特性曲線的動態(tài)范圍是600%。由于拐點之上部分的灰度層次不是很

14、鮮明，（即拐折后斜率變化了，物理意義上相當于較高的入射光才引起景物亮度的微小變化）所以在入射光不很強時應使拐點升高，以適當擴大亮度傳輸特性的線性范圍，當畫面嚴重反差時，應把拐點調(diào)低到85%?，F(xiàn)代攝像機都在處理放大器內(nèi)設計了自動拐點電路，或稱動態(tài)拐點或稱動態(tài)對比度控制（DCC）電路，使拐點隨入射光強度自動調(diào)節(jié)，拐點之上的傳輸特性曲線的斜率也可以適當設定。在攝像機視頻信號處理放大器中把白壓縮分兩步進行，如圖5所示。在放大器的輸入端先將CCD輸出的信號電平限制在600%，而后進行第一次白壓縮，又稱預彎曲，預彎曲電路在130%電平處開始減小放大倍數(shù)，從而使原為600%的電平被壓縮為226%的電平。預彎

15、曲后的信號經(jīng)過一定的處理和校正，再一次進行白壓縮，最后的輸出信號電平限制在110%。3.6 孔闌效應及應對措施（輪廓校正）光電轉(zhuǎn)換過程主要由CCD攝像器件完成，而CCD感光單元的面積不是無限小，難以完滿表達比它更小的光像細節(jié)，因此產(chǎn)生的圖象細節(jié)的信號幅度減小，如圖6所示，導致重現(xiàn)圖象的細節(jié)和跳變處變模糊，圖象清晰度降低。這種現(xiàn)象叫作孔闌效應（孔闌失真）。由于CCD感光單元對光學信息的傳送是按抽樣方式進行的，所以我們也可以用脈沖序列的數(shù)學模型來引證出孔闌失真的影響。設取樣脈沖周期為Ts，脈沖寬度為s，這樣的取樣脈沖列可以寫成：其中5圖6 圖象細節(jié)的孔闌失真其頻譜為：顯然，用S(t)對信號f(t)

16、進行抽樣時，抽樣后的信號頻譜也是幅度受到sinx/x函數(shù)的調(diào)制。CCD感光器件的光電轉(zhuǎn)換過程相當于用一定寬度的電子束對圖象進行抽樣，輸出值為這一段區(qū)域內(nèi)圖象信號的平均值，這種情況可以看作是抽樣間隔與抽樣脈沖寬度一致的抽樣。因此，根據(jù)上式分析，抽樣以后信號的頻譜將會產(chǎn)生的高頻頻譜幅度下降。如圖7所示，這就是通常所說的孔闌效應。攝像機所攝取的電視信號實際上是對圖象進行三維抽樣的結(jié)果，攝像機除了要在水平和垂直兩個空間方向上對圖象圖7 孔闌失真的影響信號進行抽樣外，還必須在時 間軸的方向上以場掃描的形式對圖象抽樣，因此，電視信號的頻亦也受到這三種抽樣脈沖寬度的影響，其高頻頻譜衰減已示于圖7。解決孔闌失

17、真的對策是輪廓校正，目的在于增強圖象的邊沿輪廓，改善圖像細節(jié)，提高圖象的清晰度。在數(shù)字攝像機中，輪廓校正使用數(shù)字化技術(shù)。把A/D變換后的不延時，延時一行，延時二行的(R+G)/2信號送到輪廓校正電路中進行運算，產(chǎn)生行、場及斜向等細節(jié)（DTL）信號，DTL信號通過挖芯電路去除雜波后，在彩色校正電路之后混入紅、綠、藍三路圖象信號中。數(shù)字輪廓校正的核心技術(shù)是采用非遞歸型濾波器，即線性相位數(shù)字濾波器，實現(xiàn)三維濾波。圖8是數(shù)字輪廓校正的行細節(jié)信號產(chǎn)生電路。數(shù)字輪廓校正電路對各種顏色，各種圖案及圖象暗部都能產(chǎn)生準確的校正信號，得到良好的校正效果圖8數(shù)字輪廓校正的行細節(jié)信號產(chǎn)成電路3.7 彩色校正6彩色電視

18、攝像機輸出電壓的光譜響應（與攝像機的分光系統(tǒng)及攝像器件有關(guān)）必須接近理想光譜特性且與顯像管熒光粉的混色曲線一致，但實際的攝像機光譜響應曲線缺少了理想光譜特性中的負區(qū)和正次區(qū)，這必然使攝像機輸出的R、G、B電壓的比例偏離理想值，引起彩色失真，故必須對輸出電壓的光譜響應進行校正。具體的辦法是：某一基色光譜響應的負區(qū)和正次區(qū)可以用另外的兩個相應的基色信號模擬，存在著線性矩陣的關(guān)系，因此這種彩色校正電路也叫做線性矩陣電路。令R0、G0、B0為校正后的信號，R、G、B為校正前的信號，則彩色校正信號可用矩陣運算式表示為：彩色信號經(jīng)過校正矩陣后，白平衡應不變，同時，要盡量限制雜波增加，根據(jù)彩色校正原理，把上

19、式進行變形，最后得出：R0=R+b(G-R)+C(B-R)G0=G+d(R-G)+f(B-G)B0=B+g(R-B)+h(G-B)上式形式的校正電路稱為差信號校正電路，只有6個系數(shù)，便于在電路中調(diào)節(jié)校正系數(shù)，有助于不同CAM的彩色匹配。在數(shù)字處理放大器中可存儲幾組校正系數(shù)供選用，也可以輸入新的校正系數(shù)并加以存儲。3.8 校正電視系統(tǒng)的最終目的是在電視屏幕上顯示出逼真的圖象，其中包括不失真地重現(xiàn)原景物的亮度層次。要保證亮度層次不出現(xiàn)畸變，就要求從攝像傳輸顯像的整個系統(tǒng)都是線性的，但實際上，CCD攝像器件的光電變換特性為u=k1 k1B1，可認為是線性的，而顯象管的電光變換特性（彩色顯象管的2=2

20、.8），是非線性的。所以，必須在攝像端對圖象信號進行相反的預校正，抵消顯像管的非線性，使系統(tǒng)總特性成為線性，這種預校正稱為校正。攝像端校正放大器的傳輸特性應為：,對于彩色顯像管來說，=1/2.8=0.35，實際中考慮各種因數(shù)，通常值取在10.45之間可調(diào)節(jié)，以得到最佳的校正效果。圖9是電視系統(tǒng)的特性。數(shù)字攝像機的校正采用數(shù)字校正電路。R、G、B信號經(jīng)A/D變換后送到表進行校正，表由CPU接口進行寫入和控制。數(shù)字校正不僅能夠使R、G、B三路信號的校正特性精確一致，提高了重現(xiàn)圖象的彩色質(zhì)量，變光圈時可保持色調(diào)不變，而且調(diào)整方便，簡單地改變計算參數(shù)即可調(diào)節(jié)特性。圖9 電視系統(tǒng)的特性73.9 混消隱與

21、黑、白切割CCD攝像器件一般都用行、場推動脈沖作為消隱脈沖，比標準消隱時間短，必需在視頻處理的最后一步混入標準的行消隱脈沖（12s寬）及場消隱脈沖（1.6ms）寬，并建立起攝像機最后輸出的圖象信號的黑電平（2-5）%。如圖10所示。混消隱的做法從圖像上的處理效果來看相當于剪切掉了像面四周的邊幅。黑、白切割是為了規(guī)范圖象信號的電平標準而采取的措施。黑切割就是切除多余的消隱脈沖，去除消隱期間的雜波，建立黑電平。通常切割電平是固定值的，所以黑電平（2-5）%的建立是通過調(diào)節(jié)在前面的黑電平調(diào)節(jié)電路中的直流（鉗位）電平來實現(xiàn)的。白切割是切除某些白色信號，限制信號幅度。圖11 是數(shù)字白切割電路。攝像機中1

22、00%的圖象信號電平為圖10 混消隱的作用0.7Vp-p，通常在最后輸出級的白切割電平為（105110）%。數(shù)字攝像機的混消隱與黑、白切割在數(shù)字處理部分進行。4、相關(guān)數(shù)字電路與寬屏幕變換4.1 全數(shù)字鉗位電路在數(shù)字系統(tǒng)中，阻容耦合不會造成直流分量丟失（模擬視頻系統(tǒng)中通過阻容耦合將丟失直流分量，靠鉗位電路恢復直流）。圖11 數(shù)字白切割基本電路因此，在A/D變換時進行一次鉗位后（以恢復變換點之前信號的直流分量和固定A/D變換所需要的電平），再后的數(shù)字處理中通?？刹辉龠M行鉗位。為了克服模擬鉗位時常發(fā)生圖現(xiàn)拖尾、行雜波、毛刺等缺點，因而開發(fā)了全數(shù)字鉗位電路，如圖12所示。該電路A/D變換輸出的數(shù)字信號

23、應有直流電平Es，如果由于某些原因引起直流電平變動，成為Es。在消隱期間抽樣脈沖將消隱電平送入鎖存器。銷存器的輸出在減法器中與基準電平Es相減，得到差值，經(jīng)寄存器送入ALU 電路，同時，數(shù)字視頻信號Es在ALU中與相減，輸出信號的直流電平為：Es= (Es) - () = Es顯然，ALU輸出的信號中消除了直流電平的變動量8。4.2 數(shù)字降噪電路某些攝像機采用了數(shù)字降噪電路（降噪器）來提高圖像質(zhì)量。若攝像機在低照度下拍攝時必須采用高增益，噪聲也會隨之增加；數(shù)字攝像機的噪聲主要來于兩個方面，一是預放器的噪聲；二是量化噪聲。為了提高技術(shù)質(zhì)量，必須使用數(shù)字降噪器。另一方面是使用了降噪器可降低A/D變

24、換時所需的量化比特數(shù)。數(shù)字降噪器的工作原理是：利用圖象信號在同一行的相鄰象素間、同一場的相鄰行間及相繼幀的同一行間都有較強的相關(guān)性，而它們信號中的雜波則并非相關(guān)性，因此，將相關(guān)性強的象素所對應的信號疊加起來，進行平均，圖象信號將形成平均值，雜波則明顯減小。經(jīng)分析，完善的降噪方法應是采用幀間平均化處理，即對相繼幀間的對應象素從時間上進行平均處理低通濾波。電路的核心器件是幀存儲器。圖13是基本遞歸型低通濾波器。其信噪比改善量如下式：S/N改善量=10 lg (dB).經(jīng)驗表明，K=0.75較合適。為了改善活動圖象的降噪質(zhì)量，（既能降低噪聲，又能保全原圖象質(zhì)量），還要在上述電路中添加運動檢測電路，用其輸出信號去自動控制K值的大小。4.3 寬屏幕變換電路（1） 在16:9格式CCD上輸出4:3格式圖象有的數(shù)字攝像機裝置了16:9格式的CCD，當要在16:9格式的CCD上輸出4:3格式圖象時，方法有兩種：在CCD上讀取象素時進行格式變換；在數(shù)字處理電路中進行格式變換。在CCD上讀取象素進行格式變換時，只讀出像面中間3/4寬的圖明，CCD兩邊各丟棄1/8像寬的圖象。原16:9格式的水平讀出時鐘頻率為18MHz或22.5MHz，變換時水平讀出時鐘頻率應為18(3/4)=13.5MHz或22.53/4=16.875MHz，在行消隱期間用54MHz或6