攝像機(jī)的彩色校正-線性矩陣及其調(diào)整

精心整理攝像機(jī)的彩色校正線性矩陣及其調(diào)整中儀索尼技術(shù)服務(wù)中心總工程師趙力一、攝像機(jī)的線性矩陣的作用在彩色電視系統(tǒng)中，專業(yè)攝像機(jī)將光學(xué)圖像分解成紅、綠、藍(lán)三色，由三片CCD轉(zhuǎn)變成三基色電信號(hào)，它既是一個(gè)光-電轉(zhuǎn)換設(shè)備，又是一個(gè)彩色分光設(shè)備；顯像部分則將接收到的信號(hào)放大、解碼，還原出三基色信號(hào)，并據(jù)此分別控制轟擊紅、綠、藍(lán)三色熒光粉的電子束的強(qiáng)度，使熒光粉受激發(fā)光來還原圖像，它既是一個(gè)電-光變換設(shè)備，又是一個(gè)彩色混配設(shè)備。整個(gè)電視系統(tǒng)都必須按照三基色原理工作：彩色攝像機(jī)根據(jù)彩色顯像管的三基色熒光粉的色度特性來正確分解色光；信號(hào)傳輸部分保證不失真地傳送攝像機(jī)的輸出信號(hào)，嚴(yán)格保持三基色信號(hào)比例不變；顯像部分在)隹確的三基色信號(hào)的作用下控制熒光粉發(fā)光來逼真地重現(xiàn)彩色圖像。攝像端和顯像端的光-電和電-光變換工作，在色度學(xué)上互為逆變換。這就要求攝像機(jī)的理想分光特性應(yīng)與顯像管熒光粉的混色特性相一致。PAL制彩色電視采用D65的基隹白，其熒光粉色坐標(biāo)如下：xyRe0.640.33Ge0.290.60Be0.150.06基隹白①.)0.3130.32365精心整理根據(jù)以上坐標(biāo)可得到PAL制熒光粉的混色曲線，也就是攝像機(jī)的理想光譜響應(yīng)如圖1-1。實(shí)際上，攝像機(jī)的光譜響應(yīng)是由鏡頭的透過特性、分光系統(tǒng)的分光特性和攝像器件的光譜靈敏度綜合決定的。如圖1-2示，實(shí)際曲線與理想特性圖1-1差別較大，特別是理想特性中有負(fù)值，而實(shí)際的光譜響應(yīng)中卻沒有，這就會(huì)使得攝像機(jī)輸出ur、ug、UB的比例偏移應(yīng)有值，引起彩色失真，所以必須進(jìn)行補(bǔ)償，亦即彩色校正（a為鏡頭的透過率響應(yīng)；b為分光特性；c為攝像器材的光譜響應(yīng)；d為輸出電壓的光譜響應(yīng)）。彩色校正的方法一般有修正和合成兩種。修正法是略去光譜響應(yīng)的負(fù)區(qū)而只保留其正區(qū)，并將正區(qū)適當(dāng)壓縮以使重現(xiàn)彩色的失真程度限制在容許范圍內(nèi)。但該法除了不夠精確以外，還因減少CCD入射光的能量而使攝像機(jī)靈敏度有所下降。合成法是把光電器件丟掉的光譜響應(yīng)曲線負(fù)區(qū)設(shè)法用矩陣電路給予近似恢復(fù)。當(dāng)今的專業(yè)攝像機(jī)均采用了該種方式來補(bǔ)償沒有光譜響應(yīng)負(fù)區(qū)所造圖1-2成的彩色失真。另外，為了加強(qiáng)拍攝藝術(shù)效果，有時(shí)需要人為地改變某種顏色的飽和度或色調(diào)，也需要由矩陣來進(jìn)行可變的彩色校正，這實(shí)際上是擴(kuò)大了彩色校正的適用范圍。二、線性矩陣的調(diào)整系數(shù)由混色曲線可以發(fā)現(xiàn)，R、G、B每條曲線的負(fù)區(qū)和正次區(qū)都在相鄰曲線的正區(qū)下面，因此每個(gè)基色光譜響應(yīng)的負(fù)瓣都可以用其他兩基色信號(hào)倒相后以適當(dāng)?shù)谋壤齺砟M，紅基色的次正瓣也可以用藍(lán)基色的某一比例來模擬。校正后與校正前的信號(hào)關(guān)系可用線性矩陣表示。這些比例系數(shù)都是常數(shù)，故可以用簡(jiǎn)單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。圖1-2d中的虛線是通過線性矩陣校正后的攝像機(jī)光譜響應(yīng)，就十分接近理想的光譜響應(yīng)曲線。設(shè)R。、G。、B0為校正后信號(hào)，R、G、B為校正前信號(hào)，則彩色校正信號(hào)可表示為：線性彩色校正電路接入視頻處理電路中不應(yīng)該影響白平衡。由于攝像機(jī)各路增益是按保持R=G=BojR此上述矩陣的系數(shù)應(yīng)該滿足：R1-b-c

jG」保持R=G=BojR此上述矩陣的系數(shù)應(yīng)該滿足：R1-b-c

jG」fa+0b+c=1dGe=f=10精心整理g+h+i=1 >i=1-g-h具此將彩色信號(hào)矩陣轉(zhuǎn)換為如下形式：Ro=R+b(G-R)+c(B-R)Go=G+d(R-G)+f(B-G)B0=B+g(R-B)+h(G-B)由此可得色差信號(hào)校正電路，這種電路只需要6個(gè)參數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是由各基色信號(hào)相減組成的色差信號(hào)，很容易利用差分放大器得到。并且由于色差信號(hào)的頻帶較窄，由它們作為校正信號(hào)將引入較少的雜波。這6個(gè)參數(shù)均可由攝像機(jī)電路調(diào)節(jié)，不僅可以補(bǔ)償光譜響應(yīng)所引起的失真，而且有助于解決不同彩色攝像機(jī)的彩色匹配問題。在SONY的攝像機(jī)中均采用了這6色差系數(shù)調(diào)整方式，即在G路中調(diào)節(jié)R-G、B-G的系數(shù)，在R路中調(diào)節(jié)G-R、B-R的系數(shù)，在B路中調(diào)節(jié)G-B、R-B的系數(shù)就可以進(jìn)行彩色校正。由于在圖像信號(hào)進(jìn)行相加和相減時(shí)，具有均勻功率譜的隨機(jī)雜波總是功率相加，不能相減的。所以若校正系數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng)，雜波就會(huì)增加。為使輸出信號(hào)的信雜比不致明顯下降，校正信號(hào)的矩陣系數(shù)值不可太大，表示各路信號(hào)本身的系數(shù)a、e、i常在1?1.5的范圍內(nèi)，而其他用于進(jìn)行校正的信號(hào)系數(shù)多為負(fù)數(shù)，且其絕對(duì)值小于1。SONY攝像機(jī)常采用-99?99的相對(duì)數(shù)值表示。由于彩色校正的效果不應(yīng)受到黑斑效應(yīng)和伽瑪校正等非線性電路的影響，為此線性彩色校正電路一般放在黑斑校正之后和伽瑪校正之前，以便能準(zhǔn)確進(jìn)行補(bǔ)償。采用線性矩陣后，可使攝像機(jī)光譜響應(yīng)曲線不論在正區(qū)或負(fù)區(qū)都能與顯像三基色混色曲線相匹配。但實(shí)際上在熒光屏上只有響應(yīng)正值才起作用，所以只有位于顯像基色三角形內(nèi)的色彩才能正確重現(xiàn)。對(duì)于三角形以外的色彩來講，重現(xiàn)色度的坐標(biāo)將移到三角形的邊上。三、彩色校正技術(shù)的發(fā)展一多區(qū)線性矩陣在傳統(tǒng)的模擬攝像機(jī)中，為了能在各種光照下都拍攝出彩色逼真的圖像，一般都設(shè)置了2至3種不同系數(shù)的線性矩陣電路，用戶可以很方便地用開關(guān)進(jìn)行選擇。如Sony的專業(yè)攝像機(jī)DXC-637P、DXC-D30P等均在側(cè)面板設(shè)有適合熒光燈下拍攝的FL模式、可以提高飽和度的H.SAT模式等。而現(xiàn)在的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)或攝錄一體機(jī)將彩色校正功能大大加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了多區(qū)彩色校正功能：色度信號(hào)根據(jù)彩色相位被分為16個(gè)區(qū)域，可分別在這16個(gè)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行色調(diào)和飽和度的控制。見圖3-1。通過對(duì)選擇的顏色進(jìn)行增減或替換，能夠進(jìn)行獨(dú)特而創(chuàng)新的再處理，類似于后期制作中的二級(jí)色彩特技處理。十分便于多攝像機(jī)之間的色彩匹配調(diào)整和創(chuàng)造獨(dú)特色彩效果。

精心整理圖3-1-A四、 線性矩陣的應(yīng)用及效果彩色校正通過線性矩陣電路變換,可以改變畫面的色調(diào)，營造出與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景不同的夸張的色彩氛圍。見圖4-1。圖4-1-B圖圖4-1-B它不同于濾色鏡的使用，既可以營造不同的場(chǎng)景氣氛，又不必?fù)?dān)心象使用濾色鏡那樣會(huì)引起透光率下降、色彩還原和飽和度下降問題，具有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。圖4-2-A圖圖4-2-A圖4-2-B圖4-2-C彩色校正打開后的效果及矢量波形示例見圖4-2（圖4-2-A為MATRIXOFF的矢量精心整理圖；圖4-2-B為標(biāo)）隹MATRIX打開的矢量圖；圖4-2-C為紅色加重的MATRIX打開的矢量圖）。五、線性矩陣的調(diào)整方法如果在實(shí)際拍攝過程中能夠有意識(shí)地使用線性矩陣（MATRIX）來校正彩色，往往能獲得出人意料的效果。但是面對(duì)一層又一層的菜單設(shè)置，以及不同定義的線性矩陣，用戶經(jīng)常常感到無所適從，不知從何處下手，又擔(dān)心調(diào)亂了恢復(fù)不回來，陷入一種“明知東西好，就是不會(huì)用”的尷尬局面。例如在SONY的幾款高檔攝像機(jī)/攝錄一體機(jī)中（如高清多格式HDW-F900、高清HDW-750、IMX攝錄一體MSW-900P、最新演播室攝像機(jī)BVP-E10P等），線性矩陣的種類就有USERMATRIX、MULTIMATRIX、PRESETMATRIX及OHBMATRIX等，各不相同；所調(diào)整的MATRIX數(shù)據(jù)是在REFERENCEFILE里，還是在OHBFILE或SCENCEFILE里，效果也不一樣；工廠設(shè)置、開機(jī)狀態(tài)及菜單復(fù)位的數(shù)據(jù)也不盡相同。功能十分強(qiáng)大，但調(diào)整也相當(dāng)復(fù)雜。要知道線性矩陣調(diào)什么、怎么調(diào)，得心應(yīng)手，并不是一件容易的事。下面就以彩色校正最為全面的高清多格式攝錄一體機(jī)HDW-F900為例進(jìn)行分析（實(shí)際上HDW-750、MSW-900P、BVP-E10P的菜單與之幾乎一樣）。：SMI77Ed4OMUSESMATRIX=OFFHQLVIMATRIX：SMI77Ed4OMUSESMATRIX=OFFHQLVIMATRIX=OF? 首先可見線性矩陣的菜單界面如下（圖5-1）:圖5-1-A 圖5-1-B 圖5-1-C其中:精心整理USERMATRIX（用戶矩陣） 在PAINT菜單里，可像傳統(tǒng)攝像機(jī)一樣調(diào)整線性矩陣（R-G、R-B）、（G-R、G-B）、（B-R、B-G）六組系數(shù)的大??；MULTIMATRIX（多區(qū)彩色矩陣）--在PAINT菜單里，將整個(gè)色調(diào)區(qū)間分為（0-22）、（23-44）、（45-67）、（68-890、（90-112）、（113-134）、（135-157）、（180-202）、（203-224）、（225-247）、（248-269）、（270-292）、（293-314）、（315-337）、（338-360）十六個(gè)區(qū)間?？稍诿總€(gè)區(qū)間內(nèi)單獨(dú)調(diào)整其色調(diào)和飽和度。OHBMATRIX（OHB矩陣）一在MAINTENANCE菜單里，象多區(qū)彩色矩陣一樣，將整個(gè)色度區(qū)間分為十六個(gè)區(qū)間，可在每個(gè)區(qū)間內(nèi)單獨(dú)調(diào)整其色調(diào)和飽和度，主要用于調(diào)整多臺(tái)攝像機(jī)或攝錄一體機(jī)之間的彩色匹配。PRESETMATRIX（預(yù)置矩陣）--將線性矩陣的也-0R-B）、（G-R、G-B）、（B-R、B-G）六組系數(shù)復(fù)位到工廠設(shè)置，根據(jù)不同制式（5乂口丁￡-240乂、ITU-709、SMPTR-WIDE、NTSC、EBU、ITU-609等）匹配不同的標(biāo)）隹線性矩陣系婁攵。上述四種矩陣之間的結(jié)構(gòu)安排可由圖5-2表示：圖5-2如果不涉及多臺(tái)攝像機(jī)或攝錄一體機(jī)之間的彩色匹配，OHBMATRIX在單機(jī)使用時(shí)可以不加考慮（其開關(guān)工廠設(shè)置為OFF狀態(tài)，PHASE、HUE和SAT的初始值均為0）,因此將其安排在維修菜單（MAINTENANCEMENU）里，使用時(shí)由視頻工程師進(jìn)行調(diào)整,由用戶控制的矩陣校正開關(guān)（上圖MATRIXSW）打開與否對(duì)其沒有影響。而PRESETMATRIX就是針對(duì)不同的混色曲線（制式不同，采用的標(biāo)隹光源基隹不同，熒光粉的色坐標(biāo)不同）由工廠所精確計(jì)算和實(shí)驗(yàn)所作出的補(bǔ)償。HDW-F900為多格式攝錄一體機(jī)，故其PRESETMATRIX就有ITU（國際電訊聯(lián)盟）、SMPTE（美國電影電視工程師協(xié)會(huì)）、EBU（歐廣聯(lián)）之分。這是最基礎(chǔ)的彩色校正（用來補(bǔ)償光譜響應(yīng)曲線所失去的負(fù)區(qū)部分），而USERMATRIX、MULTIMATRIX的校正數(shù)據(jù)都是疊加在PRESETMATRIX之上的。為了便于理解和實(shí)際操作，可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為USERMATRIX是粗調(diào)，而MULTIMATRIX是細(xì)調(diào)。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖5-3示。圖5-3REFERENCEFILE里儲(chǔ)存的是視頻工程師所調(diào)整的用戶PAINT數(shù)據(jù)。調(diào)整可用SETUPMENU或MSU進(jìn)行，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在攝像機(jī)內(nèi)或記憶棒（MEMORYSTICK）里。需要尤其注意的是，當(dāng)PAINT菜單里的數(shù)據(jù)從工廠設(shè)置值0調(diào)整到某一個(gè)數(shù)值，然后進(jìn)行參考精心整理文件儲(chǔ)存(REFERENCEFILESTORE),這時(shí)所調(diào)整的數(shù)值將被記錄在FEFERENCEFILE里，再回到PAINT菜單，就會(huì)發(fā)現(xiàn)所調(diào)整的數(shù)值都自動(dòng)歸零。但實(shí)際上的數(shù)值等于現(xiàn)PAINT菜單數(shù)據(jù)與REFERENCEFILE里所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)