理解摄像机

小镜子互动传媒出版发行 爱读书就加入小镜子读友会QQ群82888104 理解摄像机 邓 东 按：这是一篇介绍摄像机相关知识的文章，旨在帮助DV创作爱好者正确认识摄像机， 从而能更理性地选择和使用摄像机。水平有限，欢迎批评。 目 录 摄像机的几个关键部分.................................. 2 成像器件 .....................................................3 采样编码 .....................................................7 镜头 ........................................................10 一些应该知道的理论................................... 11 MTF .........................................................11 奈奎斯特极限 ................................................18 景深与视角 ..................................................22 感光特性 ....................................................26 色彩深度 ....................................................31 摄像机的一些困惑..................................... 33 清晰度高就等于分辨率高吗？ ..................................33 像素高分辨率就一定高吗？ ....................................34 如何评测摄像机....................................... 35 色彩准确度 ..................................................35 感光特性 ....................................................37 分辨率 ......................................................39 采样编码 ....................................................40 实景拍摄 ....................................................41 选择什么样的摄像机................................... 42 白平衡 ......................................................42 光圈和快门 ..................................................42 逐行还是隔行？ ..............................................42 高清还是标清？ ..............................................42 3CCD还是单CCD？ .............................................42 CCD尺寸还是CCD像点数量？ ....................................42 哪种视频格式？ ..............................................43 磁带？硬盘？卡？ ............................................43 其他因素 ....................................................43 录音要求 ....................................................43 结束语............................................... 44 理解摄像机 filmaker.cn � 许多IT类或视频类网站的摄像机版块，经常会推出“某某摄像机评测”。那些评测的大 致内容无外乎：首先，描述一下机器外观如何如何，介绍一下这个那个新功能；然后拍一些 花花草草，展示一下该摄像机所拍摄的画面；末了把前面的内容一下。我必须说，这种 评测实际上就是该摄像机的“非官方产品介绍”，充其量只能叫“评说”。因为它仅是介绍 了机器，展示了特点，却没有“测”什么东西。这样的评测，除了协助厂商忽悠消费者，并 没有起到什么积极作用。凭什么这样说呢？因为那些评测充满了主观判断，除了产品参数， 剩下的就是评测者依据自己观察得出的结论。而评价一台摄像机，是有一套客观科学的判断 的。既然我们用摄像机创作影像作品，就非常有必要了解一下如何正确评价一台摄像 机。要评价摄像机，就要先了解摄像机到底是一个什么东西。 摄像机的几个关键部分 摄像机的历史不长，大约四五十年，数字摄像机的历史更短，90年代之后才进入我们 的视野。在以前的文章中我们提到电影是电视他爹，那么摄像机与胶片摄影机就可以说是一 脉相承。虽说这爷俩在原理上差别巨大，但干的活儿都是一样的，就是成像。下面我们来对 比一下他们的工作方式。 胶片摄影机成像在胶片上，经冲洗，得到底片，再经底片扫描，得到数字文件。这就是 电影生产的过程，跟我们玩胶片照相差不多。相应的，摄像机的工作过程，就跟我们的数码 相机类似，CCD（或CMOS）成像，经过采样编码，获得数字文件。 胶片摄影成像质量的关键在镜头、胶片、以及后续冲洗、扫描等环节。镜头不必多说， 有点摄影基础的同学都知道其重要性。胶片也一样，由于胶片的素质是固定的，选择什么样 的胶片在很大程度上就选择了最终画面质量。玩胶片摄影的同学都会有自己心仪的胶卷型 号，就是这个道理。而后续环节在洗印厂完成，可以看成是工业标准，你控制不了，只能信 任它。 相应的，摄像机有镜头、成像件(CCD或CMOS)、采样编码，三个主要部分。好像也不 复杂，但它跟摄影机相比，有一个“致命的”差别：这三样东西都不能更换！OK，一些摄 像机能换镜头，但是，正在读文章的您的摄像机可以换镜头吗？或者有几个镜头可换呢？因 理解摄像机 filmaker.cn � 此，这种差别是“致命的”。选择了摄像机可以说就选择了画面质量，从此买定离手愿赌服 输。各位挣钱都不容易，在下注之前最好了解一下摄像机的猫腻，赔钱事小，影响工作、心 情、乃至夫妻和睦事大，故不可不察也。 成像器件 大家都知道，摄像机成像器件有CCD和CMOS两种。 CCD（Charge Coupled Device），学名叫“感 光耦合器”。CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor），学名叫“互补性氧化金属半导体”（好 拗口 ）。从原理上讲，它们都是将光信号转换成电信号 的器件。右图就是CCD和CMOS，从外观看起来它们没什 么不同。它们的表面是由像点(Photosite)组成的矩阵。像点 是成像器件的基本单位。简单地说，像点有点类似太阳能电 池，当光照到像点上时，像点就将光能转换为电信号。摄像 机收集全部像点产生的信号，处理之后生成画面。描述成像器件的像点数量的方式是：水平 数量X垂直数量，如960X540。 为了不混淆概念，我们把CCD上的成像单位叫像点，把画面单位叫像素，把显示设备 的单位叫显点。当然，你都叫“像素”也没问题。 CCD和CMOS像点的光电理论我们就不展开说了，总之他们都是感光元件。从我们 使用者的角度来讲，可以不考虑CCD和CMOS在技术细节上的区别。（为了省事，下文用 “CCD”作“成像器件”的代名词） 无论是CCD还是CMOS，它们都有一个非常重要的特性：它们的像点只能感受光的强 度，不能感受光的色彩。意思就是说，CCD和CMOS拍到的都是黑白画面，就像黑白胶卷 那样。这对于早期的摄像机是没有问题的，那时的电视都是黑白的。但彩色电视的出现要求 摄像机必须能拍摄彩色画面。 我们都知道，彩色胶卷实现彩色画面的方式是片基上有红 绿蓝3层感光剂（左图）。每层感光剂分别对红、绿、蓝光谱感 光，然后叠加在一起就形成了彩色。但CCD无法叠在一起成像， 况且CCD本身也不感受色彩。 我们还知道，一个彩色画面是由若干像素组成，每个像素又 由红绿蓝三个参数组成（详细理论请参阅《理解视频格式》）。 只要能分别获得像素所需的红绿蓝信息，就可以“组合”出彩 色画面。最终，CCD采用棱镜分光的方式实现了分别获取红绿蓝信息（看下页图）。光经 过一个分光棱镜，被分成了红绿蓝3束光，然后使用3个一模一样的 CCD分别接收这三束光。3个CCD上的像点分别记录1种颜色的信 息。然后，再把3个CCD像点的颜色信息合并到1个画面像素中，那 么，画面像素就有了红绿蓝信息而成为彩色画面。右图是一个3CCD 的外观照片。 可以说，3CCD非常好地解决了获取红绿蓝信息的问题，并且 理解摄像机 filmaker.cn � 每个CCD所获得的红绿蓝信息都是入射光线本身所带的信息，是“原装的”。哦？什么意 思？意思是，有些CCD生成彩色画面的红绿蓝信息不是“原装的”而是“改装的”，我们 后面会讲。 3CCD虽然成功解决了分色的问题，但它并不完美。首先，它必须有一个棱镜，这就使 得它的体积很难减小。如果CCD的尺寸要加大，那么棱镜的尺寸也必须加大。并且棱镜本 身也是光学器件，它的光学失真会直接造成画面失真。这种天然的障碍使得3CCD的成像方 式很难实现大尺寸成像画幅。目前3CCD的最大画幅也就做到2/3英吋，再往上，效果和成本 都令人无法接受。这也是为什么3CCD只应用在摄像机而无法应用在照相机上的原因，想想 135相机的画幅，如果做成3CCD会巨成什么样子。 同时，棱镜对摄像机镜头也造成了影响。由于光经过棱镜才到达CCD，那么棱镜本身 就占据了镜头后焦距的空间。什么意思？你看看照相机，镜头屁股到胶片之间是空的（单反 的反光镜占的地方也不大）。当镜头变焦至广角端时，镜头的后镜片可以很接近成像平面。 但如果有一个棱镜，镜头尾端到CCD的距离就“天然地”被加长了。这种情况造成的后果 就是，3CCD摄像机的广角镜头的制造难度被加大。因为广角就意味着焦距短，但有个棱镜 挡着，想短可不容易。这就不难理解，为什么大部分摄像机的镜头在长焦端可以“慷慨地” 做到200mm、300mm（等效135相机），而在广角端却连35mm都很少见。 当摄像机需要更大CCD的时候，3CCD的方式就显得捉襟见肘无法应付。最终，CCD 又选择了原来的方式：单片CCD。前面讲过，CCD的像点都是色盲，因此，单片CCD的关 键就是如何识别色彩。 要让单片CCD能实现彩色画面，就必须能分别输出画面所需的红绿蓝信息，就像3CCD 做到的那样。于是，在70年代末，诞生了滤色片阵技术(Color Filter Array，简称CFA)。所 谓滤色片阵，就是在CCD上方覆盖一层滤色片矩阵，告诉每个像点：“您现在看到的是这 个颜色”。这样，一块CCD就变成了红绿蓝像点的矩阵。在CFA技术中，应有最广的是拜尔 片阵（Bayer Pattern），命名自发明人柯达公司研究员布莱斯.拜尔（Bryce Bayer）。 下图就是拜尔片阵的红绿蓝滤色片的排列方式。它的特点是每4个色片中有2个绿色、1 个红色、1个蓝色。这样，整块CCD获得的色彩信息分别是：50%绿色、25%红色、25%蓝 色。为什么绿色要比其他两种颜色多一倍呢？主要依据是人类视觉对绿色比对其他颜色更敏 感，绿色信息多则更接近人类的视觉感受。据说，人类对绿色敏感是长期进化过程中在绿色 理解摄像机 filmaker.cn � 丛生的自然界找吃的结果。（这样的话，估计唐老鸭对蓝色比较敏感吧。）下面我们来看看 拜尔片阵如何实现彩色画面。 看下图，最左边是覆盖了拜尔片阵的CCD生成的原始画面。由于CCD是色盲，所以画 面自然就是黑白的。从图中我们看到，每个像点都只携带了1个颜色的信息。而生成一个彩 色像素需要3个颜色信息。那么另外2个颜色的信息去哪里能搞到呢？：向隔壁老张或者 楼下老李借。看右边那组图，每个像点有1个颜色，再从临近的像点“借用”另2个颜色，就 凑成3了个颜色，彩色就出来了。“借来”的颜色能用吗？直接安上去用肯定是不行的，需 要根据画面的信息进行计算，“模拟”出比较接近“原装”的色彩信息，然后再用，才能组 合出比较接近“原装”的色彩。图中那些浅色的色块就是经过“计算”获得的色彩信息，即 “改装版”信息。这就是拜尔片阵CCD生成画面的基本原理。现在大部分的数码相机和单 片摄像机都使用这种CCD。 既然拜尔CCD这样生成画面，那么“计算”岂不是相当重要？对的，单片彩色CCD早 在80年代就有了，但数码照相机直到21世纪才逐渐商用，其中一个重要原因就是“计算能 力”还无法获得足够好的“改装”信息。毕竟，照片对色彩准确的要求比视频影像要高很 多。 但是，无论怎么进行“计算”，改装的终究是改装的。难道单片CCD就不能生成全部 “原装”的红绿蓝信息吗？别急，看下面这种CCD。 看下页图，这是另外一种单片CCD。注意看它覆盖的滤色片阵，红绿蓝像点数量是一 致的。每个像点依然是记录1种颜色的信息，但在合成画面的时候，3个并排的红绿蓝像点 所携带的信息被用来合成1个像素。也就是说，这种CCD把3个像点当成1个像点来用。因 理解摄像机 filmaker.cn � 此，这种CCD生成的色彩信 息都是“原装的”。但是， 这种CCD的制造难度比拜尔 片阵CCD要大，因为要获得 同样像素的画面，它所需的 像点数量至少是拜尔C C D 的3倍，这就是“原装”的 代价。目前，有Arri D-21、 Panavision Genesis和Sony F35装备了这种“3倍CCD”，其中Pana和Sony是用5760X2160的CCD，生成1920X1080 的高清画面。算算看，那就是拿6个红绿蓝像点当1个像点来用，也就是图中右下角那种。 另外，除了3CCD和“3倍CCD”，还有一种成像件 也可以实现“原装”色彩，那就是美国Foveon公司研发 的Foveon X3 CMOS（见右图）。这种CMOS模仿胶片 成像原理，用三层叠在一起的像点分别接收红绿蓝信息。 从理论上讲，这是一种非常好的获得分色的方法，但是它 必须要解决光线穿透像点层所产生的损耗问题（比如红光 到达红色像点要经过蓝绿像点层）。如果因为穿透像点层 而导致色彩信息损失，则同样需要经过“计算”来进行弥 补。目前在照相机领域，适马(SIGMA)相机装备有这种成 像件，但在摄像机领域还没有出现。 理解摄像机 filmaker.cn � 采样编码 从CCD的原理我们知道，CCD是获取光线中红绿蓝信息的器件。但是，CCD本身并不 能生成画面。那些红绿蓝信息要经过摄像机“处理”之后，才能变成画面。这种“处理”就 是采样编码。采样编码是两个过程：采样和编码。 虽说摄像机跟照相机都是生成画面的设备，但摄像机输出的画面大小（像素）是有规定 的，不像照相机，输出什么像素的图片都可以。摄像机输出的画面必须符合可播放的视频格 式标准（参阅《理解视频格式》）。播放格式标准无非就两类：标清、高清。无论摄像机的 CCD有多少像点，输出的画面也必须“套用”标准尺寸。而生成这种“标准尺寸”的过程 就是采样。我们先来看看常见的视频格式的画面尺寸。 常见的视频格式 类型 名称 画面像素 标清 DV (NTSC) 720X480 标清 DV (PAL) 720X576 高清 HDV (1080i) 1440X1080 高清 HD (720P) 1280X720 高清 HD (1080P) 1920X1080 高清 2K (1.85:1) 1998X1080 高清 2K (2.35:1) 2048X858 高清 4K (1.85:1) 3996X2160 高清 4K (2.35:1) 4096X1714 上表就是主要视频格式的画面尺寸。CCD像点生成的红绿蓝信息如何生成这些对应的 画面尺寸呢？看下图，这是红绿蓝信息被处理成画面的过程。 理解摄像机 filmaker.cn � 从图中可以看到，采样就像一把“筛子”。这把筛子的“筛孔数量”就决定了输出画 面的像素。假如筛子有1920X1080个筛孔，那么“筛”出来的画面就是1920X1080，如果 筛子是1280X720，出来的画面就是1280X720。这“筛孔数量”就是传说中的“采样率” (Sampling)。如果某台摄像机可以输出1080p、720p、576p等格式的画面，说明这台摄像机 里有好几把“筛子”。 采样除了“筛”出画面尺寸外，同时也对画面的像素进行处理。我们前面提到的生成 “改装的”色彩信息也是在这个环节中完成的。因此，采样是一个计算处理CCD信息并 生成画面“采样格式”的过程。采样格式是画面全部信息的构成方式（参阅《理解视频格 式》），也是最终输出画面的数据基础。由此可见，采样在摄像机的所有环节中至关重要。 采样是由摄像机的“图像处理器”（ I m a g e Processor）负责。图像处理器是摄像机中除了CCD之 外另一个核心组件。在摄像机厂商的宣传广告里，经常 能见到这位老兄的身影。形象大多这样：幽暗的电路板 上，一道亮光投射出一枚黑色集成块，上书XX-NB处 理器，并配有惹眼溢美文字，诸如超强超劲超爽超霸见 谁超谁，俨然独门奇侠横出江湖；没几年，新款机器上 市，主角变成XX-NB2处理器，同样打光，同样角度， 同样文字，不信请翻看各厂商历年广告 。 总之，图像处理器是生成画面非常关键的组件，特 别对于拜尔CCD那样需要“改装”色彩的画面信息就尤 其重要。下面来看一些摄像机的采样率： 3CCD摄像机 CCD像点 采样率 采样格式 Canon XL H1 1440X1080 1440X1080 (HDV) 4:2:0 JVC HD100 1280X720 1280X720 (HDV) 4:2:0 Panasonic HVX200 960X540 1280X1080 (DVCPRO HD) 4:2:2 Sony Z1 960X1080 1440X1080 (HDV) 4:2:0 Sony EX1 1920X1080 1920X1080 (HD) 4:2:0 Sony F900 1920X1080 1920X1080 (HDCAM 4:2:2 单CCD摄影机 CCD像点 采样率 采样格式 Arri D20 2880X2160 1920X1080 (HD) 4:4:4 RGB Panavision Genesis 5760X2160 1920X1080 (HD) 4:4:4 RGB Red One 4520X2540 4096X2048 (4K 2:1) RedCode 从表中我们看到，采样率跟CCD像点并不是必然的对应关系。在一些摄影机中，CCD 像点甚至不及采样率高。从理论上讲，这对最终画面质量肯定是有影响的。想想看，CCD 产出的原料都不够筛子去筛的，出来的货能不受影响吗？CCD像点数量不足影响最大的就 是摄像机分辨率，因为摄像机分辨率跟CCD像点数量有直接关系，这个我们后面会讲到。 再者，CCD像点不足，能提供给画面的色彩信息就有限，因此必须用其他的方法去弥补， 比如使用保持色彩信息更多的采样格式（如4:2:2）。 在《理解视频格式》中，我们介绍了YUV色度采样。这种采样是先将RGB信息转换成 YUV信息，然后在采样过程中，保留全部亮度信息(Y)，消减部分色度信息(UV)，从而获 理解摄像机 filmaker.cn � 得比较小的数据量，以方便存储及处理。但小数据量的代价就是牺牲了部分色彩信息。而 RGB采样，不对CCD生成的RGB信息进行YUV转换，而是直接从RGB信息生成画面数据。 也就是说，RGB采样必然是4:4:4的采样。想象一下，YUV采样因为保留了全部亮度信息 (Y)，即便把色度信息(UV)都扔掉，顶多没有色彩，剩下一幅黑白画面。但在RGB采样中， RGB你哪个也不能消减；减掉点R试试，出来就是一个完全走样的画面。因此，RGB采样是 最保真，同时也是数据量最大的采样方式。它要求数据存储设备要有足够快的吞吐速度和足 够大的存储空间，同时后期设备也必须要有足够强的数据处理能力；同时，投入的制作成本 也自然会暴增。RGB采样多应用于资金充裕且要求高的影像制作，比如电影。 在上图中，RGB采样中R、G、B的比值其实是1:1:1，为了跟YUV采样的表述方式一 致，才叫成4:4:4。 我们前面讲过，像素中的RGB信息来源于CCD，如果要让每个画面像素都能分到“原 装”的RGB信息，一种是采用3CCD方式，一种是CCD像点数量3倍于画面像素。我们 再来看看前面的采样率表中的单CCD摄像机，Arri摄像机的CCD像点数是采样率的3倍， Panavision是6倍，Red像点数跟采样率差不多。什么意思？意思就是说，当Red要输出4K 画面时，CCD并没有足够的“原装”RGB提供给4K的“筛子”用，这时怎么办呢？还用 问，改装呗。因此，Red输出4K画面时并不能真正实现4:4:4RGB采样。事实上，Red的4K 也没有直接输出RGB信息，而是将“估值运算”获得的4K画面通过压缩编码（RedCode） 的方式输出。但如果Red要输出1920X1080的高清画面，完全可以进行4:4:4 RGB采样。 同理，如果单片摄像机要生成“真正的”2K画面（1998X1080），那么它CCD的像点 数量应该是5994X1080（即2K画面的3倍）；生成4K画面（3996X2160），所需的CCD像 点要达到11988X2160，如果按照Genesis那种6个像点当1个用，那就是11988X4320（5千1 百万像点），嚯嚯，估计终结者的眼睛有这个精度。可见，目前还没有摄像机能摄取“真正 的”4K画面。 看到这里，似乎有种感觉，好像不用“原装”RGB信息生成画面就是“赝品”，不值 理解摄像机 filmaker.cn 10 一提。如果你这样理解的话，那就大错特错了。我们前面讲的，仅仅是从理论上分析各类画 面生成方式的差异。诚然，4:4:4 RGB采样无疑是最好的画质，但不同的采样方式对应不同 的应用领域。况且人眼不是测量仪器，对画面细节和色彩“真伪”的判别能力是非常有限 的，高质量的“估算”和“改装”同样能获得令“人”满意的画面。大家用的数码单反的画 面像素无一例外全是“改装”出来的，不是一样很爽吗？ 画面经过采样之后，就进入编码和压缩的环节。这一环节请参阅《理解视频格式》，那 里已经讲得很详细了。 镜头 摄像机有三个核心组件：镜头、CCD、图像处理器。相比另两样东西，镜头是最没讲 头的。因为摄像机镜头跟照相机和胶片摄影机的镜头并没有什么本质的不同。如果你玩过摄 影，直接把对照相机镜头的认识套用到摄像机上也就差不多了。而且对摄像机而言，同级别 的摄像机之间，在镜头素质上几乎没有差异；或者说，相比CCD和图像处理器的差异，镜 头的差异实在微不足道。关于镜头就讲这么多。 理解摄像机 filmaker.cn 11 一些应该知道的理论 MTF 玩摄影的同学应该见过MTF这个名词，它经常出现在镜头的相关 资料中，并且通常以“MTF曲线”的形式出现，就像右图这种，见过 吧。 不是刚说镜头没什么可讲吗？怎么又说起镜头的MTF了？别急 嘛，我又没说要讲镜头，只说要讲MTF。MTF不就是镜头参数吗，还 狡辩。是吗，MTF就是一定是镜头参数吗？我们不忙回答这个问题， 先来看点别的东西，请看图。 这个见过吧。当然见过，斑马线啊。准确的说，这是黑白线对，简称线对（Line Pairs），又称LP。(不是你家里那位哈 ）名词解释，线对：就是由相同宽度的黑线和白 线组成的图案。等会儿，我只看见黑线，哪有白线啊？拜托，两条黑线中间那条不就是白线 吗。比如左边那组粗的，就有4条黑线4条白线，即4LP。 我们用一个“密度测试仪”分别测量黑线跟白线的密度。假设测得黑线的密度是X，白 线的密度是Y，那么 (X-Y) : Y 就叫这组黑白线对的反差（Contrast），或叫对比度。名词解 释，反差：就是最高密度与最低密度的差值，再跟最低密度的比。当然，你也可以简单粗 暴地认为就是最暗跟最亮的比值。例如上图，我们假定的反差值是600:1。注意看那四组线 对，它们的粗细不一样，但它们的反差都是一样的，对吧。再看下一个图。 直观地看上面这四组线对，一般我们会说它们越来越不清晰。密度仪的测量结果告诉我 们，它们的反差在减小，直至减到了0，即最亮跟最暗已没有区别，也可以说没有反差了。 好，再看下一个图。 理解摄像机 filmaker.cn 1� 上图中，一组原本600:1反差的线对，经过某些变化，变成了下面那排样子。我们从左 往右看，第一个变化是“没有变化”，变化后的线对保留了原来线对100%的反差；第二个 变化，变化后的线对反差降低，但还是保留了83%的反差，或者说剩下83%的反差；第三个 变化保留了25%；第四个保留了0%，即一点反差都不剩了。 于是，我得到了4个数字：100%、83%、25%、0%。它们分别对应一个“反差变化” 的过程。这些数字，就是传说中的MTF值。啊?! 不会吧，影友们谈论的MTF会这么简单？ 就是反差的变化？是啊，有点难以置信哈。不过，这确实就是MTF的全部含义。 MTF，全称Modulation Transfer Function，译作“模量传递函数”，好嘛，光这几个字 就够深奥的，不知道的还以为造原子弹呢。解释一下，所谓模量指的就是反差，所谓函数就 是“一系列”的意思，所谓传递就是“变化的过程”，比如经过一个镜头，经过一个酒瓶， 透过一个窗帘，印刷到纸上，印到胶片上，印到T恤上，甚至印到脸上；只要有“原来的” 和“后来的”，都叫“传递”。名词解释，MTF：反差细节经传递后产生的一系列变化。 我们看上面那个图，想象一下，在红色箭头的位置放上一个镜头。“原来的”的线对经 过镜头变成了下面那些线对，那么，100%到0%这四个数字就是镜头的四个MTF值。如果我 们把镜头换成一张纸，把上面那些线对印到纸上，结果印出来的线对成了下面那排的模样， 这时，这四个数字就是纸的四个MTF值。同样道理，我们把线对印到胶片上，就能知道胶片 的MTF值。印到CCD上，就能知道CCD的MTF值。经过眼球印到视网膜上呢？当然就知道 了眼睛的MTF值。再想象一下，如果你近视了，MTF值不就是25%的样子吗？因此，任何能 成像的东西，都有MTF值。MTF值是评判“成像物件”成像性能的一种方法，只是在摄影领 域所见的MTF大多是镜头的。大家可以上柯达的官网看看，各款型号的胶片都提供有MTF曲 线图。现在，你知道MTF不光是镜头的事了吧。恭喜你，你已不是一般的摄影爱好者，你完 全有资格在摄影背心后面印上四个大字：超级影友。 一个“成像物件”传递不同的“反差细节”时可能会产生不同的MTF值。在坐标上以 一定规则排列MTF值，就构成了“MTF曲线”。MTF曲线是评价成像系统比较有效和直观 的方法。下面我们就来讲MTF曲线。 我们已经知道了线对、反差、MTF值。在讲MTF曲线之前，再了解一个东西，请看 图。 理解摄像机 filmaker.cn 1� 上图中，我们把线对的密度值画成一个与线对位置对应“分布曲线”，就得到下面那 根线条（有点像心电图哈）。我们可以把这线条看成一个波形，从左到右，波形变得越来越 窄。用物理的表述就是，波形的频率越来越高。这种因线对粗细而形成的频率，称为“空间 频率”(Spatial Frequency，简称频率即可)。从上图可看出，当线对越来越细的时候，空间 频率就越来越高。简单说就是，线越密，频率越高。 通常，描述频率的单位是赫兹(Hz)，比如50Hz、100MHz之类的。但空间频率的表述习 惯用“每毫米线对”（LP/mm），就是每毫米的宽度内有多少线对。 知道了空间频率，我们就可以开 讲MTF曲线了。我们先来看看镜头的 MTF曲线是如何画出来的。看左图，图 中有3组线对，假设频率分别是10LP/ mm、20LP/mm、40LP/mm，反差都 是600:1。然后用一个镜头拍摄这3组 线对，让它们分别胶片的不同位置成 像。我们把胶片的中心定义为原点0， 那么距离中心点最远的就是画幅的角， 距离原点21mm（你可以找个底片量一 下）。 然后，我们在底片上查看三组线 对在不同位置上反差的变化。图中我们 选了原点0、12mm、及21mm角落三个 位置。在图中我们看到，不同频率的线 对，在不同的成像位置呈现出不同的反 差，即出现了不同的MTF值。 然后，我们以底片位置为横坐标， 以MTF值为纵坐标。分别以10LP/mm、 20LP/mm、40LP/mm线对的变化后的 MTF值画三条曲线，于是就得到了传说 中的“MTF曲线图”。 我们知道，底片的成像中心和边缘 分别对应镜头的中心和边缘。因此，根 据底片不同位置的MTF值获得的“MTF 理解摄像机 filmaker.cn 1� 曲线”基本上就反映镜头从中心到边缘的MTF值的变化情况，也就“可以看成”是镜头的 MTF曲线。为什么是“可以看成”而不是“就是”镜头的MTF曲线呢？我们前面讲过，胶 片也是有MTF值的，我们从胶片上读到的MTF值，实际上=镜头MTF X 胶片MTF，是两个成 像系统的MTF相乘的结果。只是我们假设胶片的MTF是理想的（即100%），这样更便于理 解。再进一步，如果我们把测试的胶片晒成相片，那最后得到的MTF应该是： 最终MTF = 镜头MTF X 胶片MTF X 放大机镜头MTF X 相纸MTF 这就是说，每个成像系统都会对最终的影像质量产生影响。哦，还忘了一个，我们的眼 睛，应该再乘上眼睛的MTF，对吧。 怎么样，镜头的MTF曲线懂看了吧。那么，如何从镜头的MTF曲线评价一个镜头呢？ 哈哈，前面说过不讲镜头了，诚信为本，不能食言哦，以后有机会再聊镜头了。 其实不讲镜头还因为另一个原因，请看： 摄像机MTF = 镜头MTF X 成像件MTF X 采样MTF X 编码压缩MTF 明白了吧，单讲摄像机镜头有意义吗？除非你的摄像机能换镜头，否则，评价摄像机只 能从整体的MTF去评价。 虽然镜头的MTF没什么可说，但CCD的MTF却可以说一下，因为CCD是一个很古怪的 东西。如何古怪，往下看。 说CCD之前，先来看看胶片的MTF。上图就是胶片的MTF曲线。 镜头的素质在镜片的中心和边缘是不同的，即镜头上“不同位置”的MTF存在差异。 但胶片就没有这种情况，胶片上任何一点的成像素质都是一样的。因此，胶片的MTF曲线 不是反映“不同位置”的MTF变化，而是反映“不同线对频率”在胶片上的MTF变化。那 么，只要把线对印在胶片上就能测量胶片的MTF曲线。至于如何“印”上胶片并不重要，只 要“印制过程”的MTF接近100%即可，比如一个足够理想的镜头，或激光印片机都行。然 后，经过冲洗，得到底片，读出不同线对的反差值，就可画出胶片的MTF曲线。 胶片MTF曲线的横坐标是线对频率。注意看上图，横坐标上的数值并没有按比例分 布，从10LP/mm直接就跳到了100LP/mm。100LP/mm什么概念？就是每条线对只有10微米 (μm),人眼已经看不见了，需要用仪器去测量。想象一下，如果横坐标是按比例的话，那么 这条MTF线将几乎是一条水平线。胶片MTF曲线之所以能这样，是因为胶片的成像染料（或 银盐）是分子级别的东西，从理论上讲，胶片的MTF值会不断趋向0，但不会到0。 胶片的MTF曲线比镜头的简单多了吧。下面我们来看看CCD的MTF曲线，我们先来看 线对在CCD上成像的情况。 下图中，蓝色方格表示CCD，方格的“窗口”表示CCD的像点。前面讲过，CCD的像 点通过感知光线的强度形成图案。我们从左到右看这四组线对的CCD成像。当黑色（或白 色）部分能完全覆盖像点的时候，像点可以准确地把黑色（或白色）还原出来。第一组就是 理解摄像机 filmaker.cn 1� 这种情况。再看第二组线对。黑色（或白色）部分不能完全覆盖像点，此时像点会按照黑白 所占比例“计算”出一个“中间值”，生成的线对开始模糊。 再看第三组和第四组，注意看，这两组线对是一样的，但却生成了不同的画面。这两组 线对的特点是，黑线跟白线的宽度正好等于CCD像点的大小。于是，就会产生两种情况， 当黑白线正好对上CCD像点时，CCD像点还能生成有反差的画面，如果当黑白线与CCD像 点错开的时候，每个像点计算出来的“中间值”都是一样的，于是就生成一片均匀的灰色。 “均匀的灰色”是什么意思呢？你已经知道了，就是反差为0，即MTF值为0。也就是 说，当黑白线（注意，不是线对）数量等于一排CCD像点数量的时候，就会出现MTF值为0 的情况。那也可能不为0啊，比如正好对上的情况。是的，正好对上就不为0，但正好对上的 概率有多少呢？因此我们可以说，当黑白线数量等于同方向CCD像点数量的时候，MTF值 为0。比如第四组线对的例子，水平方向上有8条线（4黑线、4白线），CCD水平方向上有8 个像点，此时CCD的MTF值为0。 举个例子。我们假设有一幅图画，上面有1920 条线（960条黑线、960条白线），然后我们用一个 1920X1080 CCD的摄像机去拍摄这幅图，把1920 条线都拍进去。这时，CCD上就用1920条线，是 吧。也就是说，线数量跟CCD水平方向的像点数量 一样。会有什么结果？拍出来的就是一片均匀的灰 色。以此类推，如果CCD是960X1080呢？很简单 啊，拍960条线就一片灰色。 这就是CCD一个非常重要的特性，它固有的像点数量决定了它的MTF值必然归0。而 水平方向上的像点数量，就是CCD“理论上”的水平分辨率；垂直方向的像点数就是其 “理论上”的垂直分辨率。为什么是“理论上”？因为实际情况还要乘以镜头MTF和其他 七七八八的MTF，实际分辨率必然达不到“理论上”的。而且还有“其他因素”让CCD无 法获得“理论分辨率”，这个“其他因素”我们会讲。（分辨率港台称解析度） 在上面这个拍摄图画的例子中，摄像机拍摄的图画有1920条线，那么CCD上就“摆 着”1920条线。我们就说，该画幅宽度内有1920条线。这样的说法是另外一种描述线对空 间频率的方法。 前面我们讲过每毫米线对（LP/mm)，现在这个叫“每画幅线”术语表述就是TVL/ph， 意思就是在一个画幅中有多少条线。ph是Picture High的简写，表示画幅的宽度或高度。 TVL是TV Line的简写，直译是电视线，其实就是线。例如我们说，960X1080 CCD的理 论水平分辨率为960TVL/ph，垂直分辨率为1080TVL/ph。平时大家说的“500线”“800 线”，指的就是TVL/ph。注意，TVL是1条线（白线或者黑线），LP是1对线（包括黑白2 理解摄像机 filmaker.cn 1� 条）。在视频领域中，描述线对频率主要使用TVL/ph，而不使用LP/mm，它们都是空间频 率的概念，只是表述方式不同。 看左图。这就是一条典型的CCD的MTF曲 线。跟胶片的MTF是类似的，横坐标是空间频 率TVL/ph，纵坐标是MTF值。CCD的MTF曲线 在线对频率比较低的时候走得比较平缓，在接 近分辨率极限的时候，曲线变得陡峭，之后便 如股价跳水一般迅速归零。这样的MTF曲线会 反映CCD什么样的成像特性呢？ 我们把胶片的MTF曲线跟CCD的MTF曲线 做一个对比。在对比前，先说一下MTF曲线不 同区域对应的画面内容特征。 看左图，在空间频率（TVL/ph）比较低的 区域（就是线对比较粗），对应的是画面中分 界比较明显的内容，比如高楼大厦、砖块、高 反差色块之类界线明显的部分。这部分的MTF 曲线称为“硬边界区”，那些分界明显的内容 可依据这部分MTF曲线判断。 当空间频率增加一些的时候（线对变 细），对应的是画面中有质感的部分，比如人 的皮肤、毛发、衣服褶皱、以及缓慢的明暗过 渡。这部分MTF称为“纹理区”。通常的画面中这一区域会占据相当大的比例。最后是“分 辨率能力区”，它对应的是画面中微小的细节部分，比如头发的末梢、报纸上的文字等。下 面那三副画面分别是三个区域比较突出的画面。 第一个画面都是楼房，楼与楼、楼与天空的界线十分明显。第二个画面除了人物跟背景 的界线外，没有太明显的分界，而大部分是反差比较小的皮肤、衣服、饰物，也就是所谓的 “纹理”。第三个画面是无数的人，每个人的影像都趋向分辨率的极限。 好，我们了解了MTF曲线的三个区域分布。现在可以比较一下CCD和胶片了。先看硬 边界区，差别不大是吧。这说明，拍摄楼房这类东西，CCD的表现跟胶片差不多。 再看纹理区，开始有区别了。胶片的MTF缓慢下滑，而CCD的MTF依然坚挺。我们前 面讲过，MTF是对反差的表现，没忘吧。于是，两者在这个区域的表现是：胶片的反差比较 低，CCD的反差比较高。换个说法，在这个区域，胶片对纹理的表现比较“柔和”，CCD 对纹理的表现比较“坚硬”。注意哦，这一区域的MTF是在约40%到80%，是线条相当清 理解摄像机 filmaker.cn 1� 晰的区域，“柔和”不等于“模糊”哦。影友们常说胶片的感觉“油、滑”，而数码感觉 “干、硬”，主要原因就是它们在“纹理区”的MTF特性差异明显。 最后是“分辨率能力区”。这个简单多了，CCD的分辨率受像点数量的制约，到了分 辨率极限，就糊成一团，要提高分辨率除了增加像点数量别无它法。我们常说的成像系统的 “分辨率”其实指的就是“分辨率能力”，也就是快接近分辨率极限时的表现。 可是，从图上看，胶片这时候也仅剩5%的MTF，离0%也不远了呀。哈哈，千万不要小 看5%的MTF，5%跟0%可是有天壤之别哦。基地组织通过网络发布的新闻也就5%MTF的水 平，但拉登大叔的音容笑貌不照样历历在目吗？ MTF曲线的比较结果说明，胶片跟CCD 相比，对纹理的表现更柔和，对细节表现更 锐利。哇靠，那CCD岂不是一无是处了。的 确，CCD的MTF特性是不如胶片的，但却不 是无法弥补。分辨率可以通过增加像点数来 实现，MTF曲线可以通过图像处理器的“处 理”进行调整。如右图所示，通过处理， CCD的MTF曲线被调整成类似胶片的曲线。 所以，现如今的数码单反的表现跟胶片相差 无几，就是充分模拟了胶片的特性。 凭什么数码非要向胶片靠拢！不能闯出一片属于数码自己的天地吗？这应该是一个人文 层面而非技术层面的问题了。我想原因可能是这样：人类在数千年观赏图画（壁画、油画、 水彩画、风景画、人物画等等）的过程中形成了“属于人类的”审美习惯，对色彩、明暗、 细节表现等画面元素有许多“主观倾向”。但现实中的景象并不是那些图画中的样子，不是 吗？胶片出现后，在其发展的过程中延续了这种习惯，人们很自然就接受了胶片的表现，认 为这样的表现是“正确的”，其实胶片同样是对现实景象的“再描述”，只是人类用自己的 审美感受去判断它是否“美丽”“细腻”“柔和”等等。而当电子影像出现时，电子影像固 有的特性与人类传统的审美感觉有所不同，遂被认为是“失常的”，这是基于人类视觉感受 做出的判断而已（没准米老鼠认为胶片的表现才失常得出奇）。数码跟胶片的哲学关系不是 本文重点，就此打住。电子影像未来会发展成什么样子谁也不知道，但目前它正在向胶片的 表现特性靠拢。 MTF讲完了，这节里我们讲了线对、反差、线对空间频率、TVL/ph、MTF值、MTF曲 线。MTF曲线可以用来判断一套成像系统对画面的表现特性，以及分辨率能力。我们后面还 会见到它们。 看到这里是不是觉得有点枯燥？的确，纯技术文章是挺乏味的。要不是喜欢DV，谁没 事看这种无聊的东西啊。不过话说回来，了解一些技术细节，对我们这些独立制片者来说是 有帮助的。鼓励大家学技术的老话以前也说过，不啰嗦了。如果你看得有点累，离开电脑休 息一会，或者到我们的论坛去逛逛，那里也许会有趣点：www.filmaker.cn/bbs 理解摄像机 filmaker.cn 1� 奈奎斯特极限 哇噻，又是什么高科技的东西。别紧张，标题虽有点唬人，但也不是什么高深的东西， 且听我慢慢道来。 道来之前先看张照片。这位老兄穿着新买的阿某尼 西装去走红地毯，本打算风光一下，不曾想昂贵的行头被 拍成了万花筒的的样子，郁闷无比，心说是不是让媒体恶 搞了，又没招谁惹谁，凭什么无端端被人开涮，看来混娱 乐圈真不容易啊。 是媒体做手脚吗？我们仔细看一下，哦，原来他穿 的西装是细条纹的格子面料。我告诉你，数码相机拍这种 面料会拍成这个样子，你信吗？什么？你说数码机歧视格 子面料，太离谱了吧，不信。OK，爱信不信，告诉你， 数码机就这德性，不过倒不是歧视，而是能力不足，没本 事拍好格子面料，才拍成这样。能力不足也不能胡来啊， 人家混娱乐圈也不容易，这数码机也真是的。那我再告诉 你，数码机就有这种胡来的天性，你信吗？嗯…这个，那我还是信吧。别介，允许不信。不 是，你说机器这玩意儿，它又不是人，怎么就胡来的天性，听着够玄的，以前也没听说啊， 谁告诉你的？奈奎斯特理论。奈…奈什么理论？好了，先别问了，往下看吧。 先介绍一下这位奈什么是谁。哈利.奈奎斯特（Harry Nyquist），美国物理学家， 1889-1976。奈奎斯特一生对信息论做出了若干重大贡献，其中最著名的就是“奈奎斯特采 样定理”。该定理的表述是：如果要无失真地还原某段信号，那么对该信号的采样频率至 少应为该信号最高频率的两倍。嚯嚯，头 大吧。看左图，蓝色波形代表“某段信 号”，黄色公仔是采样点。蓝色波形有5 个完整的波（这个应该会看吧），假设频 率是5Hz，采样公仔有10个，采样频率就 是10Hz，是蓝色波形的2倍；那么采样公 仔就能对蓝色波形进行“无失真采样”， 如果公仔只有9个，那就有失真产生了。 这就是奈奎斯特采样定理的意思。 举个例子，比如人类可听见的声音的频率是从20Hz到22KHz，那么声音这个“某段信 号”的最高频率就是22KHz，是吧。如果要把声音进行数字化，那么对声音进行“采样”的 频率至少应该是22KHz X 2 = 44KHz。换句话说，声音的波形最密是1秒钟有22K个波形，如 果要不失真地把声音波形数字化，那么采样（黄色公仔）的频率要1秒钟有44K次。普通CD 唱片的采样频率就是44.1KHz，达到了无失真还原声音的底限。高保真录音的采样频率会到 48KHz、96KHz、甚至更高。 奈奎斯特采样定理反过来说也成立。即，当采样频率为某个固定值时，其所能无失真进 行采样的信号的最高频率为采样频率的二分之一。（是不是有点像痛苦的高二物理课 ） 我们还以黄色公仔为例。假设采样公仔的频率是12Hz，它所能“无失真”进行采样的信号 频率最高就是6Hz，如果给一个9Hz的信号让它采样，那么采出来的结果就会有失真。 理解摄像机 filmaker.cn 1� 再以CD为例，假设采样频率为44.1KHz，其无失真采样的声音的上限是22KHz， 22KHz以上的声音采出来就是失真的声音（好在22KHz以上声音人类听不见了）。如果采样 频率是30KHz，无失真采样的声音上限就是15KHz，15KHz以上的高音部分就会出现失真。 这样解释应该能理解吧。 于是，采样频率的二分之一就成为一个判断信号失真的指标。这个指标称为奈奎斯特极 限（Nyquist Limit），又称奈奎斯特频率。 上了半天物理课，这个奈什么跟摄像机有什么关系呢？请看图。 又是“CCD与黑白线”。我们知道，CCD是像点的矩阵，每个像点都是一个成像单 位，换句话说，每个像点都是一个采样点。假设图中是一个960X540的CCD，那么在水平 方向上就有960个像点，即960个采样点，采样的空间频率就是，没忘吧，960TVL/ph。 套用奈奎斯特定理，无失真采样的频率上限是480TVL/ph，也就是画面的空间频率要低于 480TVL/ph才能保证不出现失真，对吧。嗯……。这样讲有点抽象。对照上图来看，CCD水 平方向有960个像点，那么它能不失真采样的线最多就是480条，也就是说，每根线至少要 有2个像点那么宽才能被无失真采样。这样讲是不是容易理解一点。 在上图中，第一组有4条黑线3条白线，都比2个像点宽，这组线能被CCD无失真采样。 第二组，线宽正好等于2个像点，这就达到了无失真的底限；如果线条再细点，就会出现失 真。第三组线就出现了失真，第四组就失真得更严重了。 那么出现失真会是什么状况呢？就是那位老兄西装的状况。这种因为“被摄物的空间 频率”高于“CCD采样的奈奎斯特极限”而产生的画面失真称为“伪像”（Aliasing，也有 人译作伪色、混叠）。意思就是，CCD生成的画面中出现了被摄物不存在的图像。被摄物 中的高频部分（如头发、深浅色搭配的条纹面料、灯芯绒面料、格子面料、牛仔裤面料、砖 墙、栅栏、笼子等等）最容易让CCD生成伪像。伪像有时以彩色条纹的方式出现，有时以 环状亮纹的方式出现，如下图所示。 教你一个观察伪像的小方法，你用数码机拍摄液晶显示器的屏幕，十有八九能看到环 纹状的伪像。LCD屏幕的1个显点有红绿蓝3个色点，以1024X768的屏幕为例，水平方向 就有3072个色点。要不产生伪像，相机CCD的水平像点数要达到3072X2=6144（佳能1Ds 理解摄像机 filmaker.cn �0 Mark III的水平像点是5616），嘿嘿。 CCD除了在奈奎斯特极限后会产生伪像，还有另外一个产生伪像的本事。看下图，有 三组黑白线，最左边一组我们见过了，是MTF值为0的黑白线。再看第二组，黑白线继续 变细，比CCD像点还细，此时CCD开始“生产”条纹图案了。第三组，当黑白线更细的时 候，CCD居然天才般地“发明创造”，描绘它心目中的画面；分明是5条黑线，它偏要画成 3条，这不是“胡来”是什么？ 于是我们看到，CCD的MTF曲线在归0之后，奇迹般地“触底反弹”，反弹的曲线就是 CCD“胡来”搞出的莫须有图案。这样，CCD的MTF曲线就有两个伪像区，一个是奈奎斯 特极限后因失真产生的伪像，另一个是CCD到达分辨率极限后自己“创造”的伪像。我们 在实际画面中看到的伪像，就是这两个伪像区“齐心协力”的结果。 CCD作为一种电子采样设备，存在伪像是必然的。它不 像胶片，胶片是化学成像，依靠染料的化学变化形成染料颗 粒，而染料颗粒是随机分布，不会产生CCD那样的规则条纹 和色块。可以说，伪像是CCD的原罪，与生俱来。 下面的分辨率测试图是Sony EX1的测试结果，EX1的CCD是1920X1080，理论上的水 平奈奎斯特极限是960TVL/ph，即960线；垂直的奈奎斯特极限是540线。看左边的环状图 （放大看会比较