【摘要】 在高清摄像机选购时，不仅面临记录格式的选择，也面临许多制造工艺和技术的选择，像CCD的像素数，有多种看似不满足全像素格式的种类，为什么在高清摄像机开发时采用这些结构的CCD？它有哪些技术特点？能否满足使用的需求？本文进行了这方面的解释。
【关键词】 CCD像素空间偏置 DSP 图像分辨力
当前，电视节目的制作领域正在快速地由标清向高清过渡，近三年来，越来越多的电视剧使用了高清拍摄，高清版用于中央电视台高清频道的播出及海外发行，下变换的标清版用于标清播出，获得了比用传统标清摄像机更清晰的图像效果和更好的色彩表现，16:9的画幅比也使视野更为理想。随着技术的发展，在高清的摄像机中应用了更多的新功能，为摄影师提供了更多表现手法的手段。另外，由于高清摄像机的图像质量非常接近胶片的图像，使得电影制作领域也在使用高清摄像机来拍摄，再通过磁转胶的方式在传统的影院放映，或者直接在数字影院放映。采用电子的拍摄手段减少了胶片的投入、直接回放缩短了拍摄周期、容易进行电脑特技制作等优势，大大降低了电影的制作成本。因此，一些专门设计的针对电影拍摄者功能需求的摄像机，如可以使用电影镜头、完全类似胶片摄影机的操作性能、以及对应胶片宽容度的伽玛曲线等特性，高清摄像机在电影界得到了广泛的应用。
随着高清应用的增多，有关高清概念的争论也越来越多，比如高清的格式、高清的跟焦、高清的景深、高清的压缩格式等等，与标清有明显不同的是有关CCD像素数量的区别引起了更多的关注，甚至出现了“真高清”与“假高清”的说法，例如对于常见的采用小于200万像素CCD的摄像机和720/60p或720/50p的高清格式被称为“假高清”。其实从隔行扫描的原理来看，由于运动物体及物理与视在并行等原因，其主观评价的清晰度只是总扫描线×隔行扫描系数（约为60%-70%），因此1080i的垂直清晰度与720p的垂直清晰度并无差别。
摄像机首先是要将光信号转换为电信号，光电转换器件的性能对摄像机的整体性能将产生决定性的影响。当前的摄像机都采用了CCD作为光电转换器件，CCD的成像原理决定了图像进行光电转换时不是作为连续的电信号输出，而是直接转化为点阵图像单元，因此，CCD输出的图像极限清晰度将与CCD的原始像素数密切相关，也就是说摄像机的最终图像分辨力与CCD的像素数密切相关。由于CCD技术的成熟度很高，在标清情况下，CCD的像素数已高于理论上的标清分辨力极限。从数字化标准来看，Y信号的取样点数不管是NTSC或者PAL均为每行720个点，PAL制为720×576个取样点，NTSC为720×480个取样点，PAL制总有效像素为414720，NTSC制总有效像素为345600，而目前广播级的摄像机CCD的像素数都在48万像素以上（画幅比可调的摄像机16:9模式为60万像素，4:3模式时为48万像素），其标称的模拟清晰度水平已达到了700线至800线，因此大家都不再去关心CCD的像素数，而某些更高像素的标清摄像机，由于格式的原因，也同样体现不出比60万像素摄像机的图像质量更高。对于高清的摄像机，在产品设计时，CCD的像素数出现了200万、150万、120万等几种像素结构类型，而高清的格式不管是50i、60i、30p、25p、24p等何种帧频，其每帧画面的取样比均为1920×1080或1280×720（主要用于逐行格式），表面来看，显然小于200万像素CCD不能满足1920×1080高清格式的取样点数，因此很多人的注意力放在了100万像素CCD的摄像机上，认为这样的摄像机在记录格式为50i/60i时只能算作“假高清”，不能作为专业应用。而实际情况真是这样的吗？其实不然，主要原因是忽视了在CCD开发与生产中的一些特殊的技术与工艺。
在标清领域，大家忽略了一个问题，按照CCD的像素数量，PAL制水平方向只有768个像素，换算成电视分辨力为768×3/4＝576电视线，因此水平清晰度不可能超过600线，可是多数摄像机的标称水平清晰度均已超过700线，有的甚至达到850线，什么原因呢？首先这是模拟分量输出的指标，数字输出由于其水平取样点为720，相当于720×3/4＝540电视线，其指标不应大于540线。那么，超过700线的水平分辨力是从哪里来的呢？在标清领域，CCD技术广泛地采用了称为像素空间偏置（Special Offset）的设计与生产工艺，正是这种技术与工艺，有效地提高了图像分辨力和调制度指标（已超过80%）。这种技术在高清领域的应用，产生了显著的效果，既平衡图像分辨力、灵敏度、动态范围、抗摩尔干扰等指标的关系，同时匹配了记录格式的特点，实现了高性价比，构成理想的组合。
下面，首先介绍一下像素偏置技术的原理。
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上图是采用像素偏置技术对提高分辨力效果的示意图，被摄对象的频率反映的是图像的细节，当采用像素偏置技术时，绿色CCD和红蓝CCD将取得不同点的图像信息，经过DSP数字信号处理之后，就可以得到红色曲线的图像信息（如物体有高于红线的细节信息则无法得到），而不采用像素偏置技术，则只能得到如蓝色曲线的图像信息，显然，实际输出的图像细节就少多了。在标清广播级摄像机中，目前基本上都采用了这种技术，所以标称水平分辨力都大于750电视线。
像素偏置的方法通常只用于水平方向，主要是由于垂直方向受扫描线数的限制，增加垂直方向的分辨力能力将没有意义。而在高清系统中，还有一种CCD采用了水平/垂直两个方向的像素偏置方法，其结构形式与效果如下图：
采用像素偏置的方法后，必须再通过DSP数字处理之后，才能真正达到提高分辨力水平的效果，其工作原理为：将CCD输出的R、G、B原始信号通过以下的处理，变换后的信号就包含了像素偏置而得到的高频率的图像信息。
计算方法为：将R、G、B信号分为低域成分R
L、G
L、B
Panasonic
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