简析--8K转播用摄像机选择1.25"成像器

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简析--8K转播用摄像机选择1.25"成像器



从标清到4K，转播用摄像机成像器规格主流是2/3英寸，8K转播用摄像机采用了不同的1.25英寸（也即5/4英寸，以下统一简称为1.25"）规格。



经过多代演进到现在，可以说事实上8K转播用摄像机成像器标准是采用1.25"规格。1.25"规格8K成像器面积是2/3"4K成像器的4倍略小一点，8K和4K分辨率也是4倍关系，单个像素尺寸比较接近(2.1μm和2.5μm)。当然，除了转播使用外，其它用途的8K摄像机还有采用其它尺寸的成像器，比如8K电影机经常见到的S35规格8K成像器。



8K具有3300万像素，是HD的16倍，是4K的4倍，那转播用8K摄像机为什么没有采用4K和HD沿用多年的2/3"规格，也没有选用现有的尺寸更大的S35规格，而是选用1.25"成像器这样一个新的规格尺寸呢？总的来说，1.25"成像器尺寸是基于成像质量、光学物理特性、动态范围、灵敏度、景深、实际转播情况等多个因素综合的平衡性选择。本文就依据多方材料，尝试着梳理一二。



首先，来谈一下8K系统摄像机的“昨天、今天和明天”。



转播用8K摄像机先是日本在研究和使用，然后是中国使用。目前国内和国外（日本）已建成了多个8K中大型转播车、演播室系统。在NHK近期的转播车和演播室，央视，中联合的转播车等8K系统中，采用了1.25"规格的3CMOS 8K系统摄像机。



8K摄像机的研究始于2006年，选用1.25"成像器的关键研发和推动力来自NHK，以及工业界的努力。



图1：8K摄像机的研发和演进



2012年IBC，NHK展出了第一代8K研发机。它通过采用4块2.5"4K CCD成像器组合来实现8K成像，通过48个BNC接口输出8K信号。因为成像器尺寸大、电路复杂，一代机是一个庞然大物，重量达到80公斤。




图2：早期8K摄像机



理论上只要成像器尺寸足够大，就可以提供更多像素数量和更高分辨率，带来的就是摄像机尺寸和重量巨大。NHK把随后的研究重点放在了摄像机的小型化、省电化改良。



二代机和三代机的成像器都改用4块1.25"4K CMOS成像器组合方式，并通过电路等方面的优化改良，重量已降低到32公斤和20公斤。



在之后研发的四代机、五代机已经是现代标准摄像机，每一代都实现了性能的大幅度提升。



四代机展出在2015年，采用单片S35 8K成像器，可以搭配PL口电影镜头使用，并支持8K/HDR拍摄。四代机包括了肩扛式、多用途式等几个类型。



紧接着推出的五代机，采用1.25"规格3CMOS 8K成像器，搭配B4卡口镜头使用，在8K摄像机中加入了分光棱镜部件。五代机的画质更高，景深和聚焦范围更大，支持HDR拍摄和最高120P高速拍摄；采用8K/422信号和4x12G-SDI接口，与4K的兼容性也更好；尺寸和重量方面也更接近2K摄像机，已经能够适用8K转播使用需要。



NHK在2017年IBC上，发布相关技术文件，提出了1.25"3片式8K成像器规格这一重要的建议。文件中对转播用8K摄像机的关键性能做了重新的梳理，也对1.25"这一新的8K成像器规格的建议原因进行了技术分析，并说明对1.25"3片式8K实物摄像机的认可。



NHK提出1.25"3CMOS 8K成像器规格的建议是谨慎的，也是面向未来的。从近期获得的资料看，NHK对于转播摄像机的研发方向是在1.25"基础上的240P高速拍摄、480P超高速拍摄。



图3：NHK基于1.25"成像器的8K超高速研发



回顾早期电视摄像机的发展历史，2/3"规格出现在摄像管时代中后期，随后成为主流，是一个从1.2"、1"、到2/3"的摄像管尺寸减小的发展过程。技术进步为摄像管尺寸减小提供了支持，与大尺寸相比，越小尺寸的摄像管的成像质量，也会相应劣化些，但技术的进步也能多方面弥补和综合小尺寸成像器带来的各种影响，从而获得不错的画面质量。2/3"摄像管尺寸是摄像机重量、尺寸与图像质量等因素综合平衡的结果。在进入到CCD/CMOS成像器时代后，2/3"这一规格被继承沿用。



从模拟到数字，从SD到HD、到4K，2/3"已经是我们太过熟悉的一个数字。进入到8K时代，分辨率大幅度提高，如果采用2/3"成像器，像素尺寸和像素密度对成像质量会造成严重影响。1.25"规格的8K成像器规格，是在分辨率、成像质量与摄像机尺寸、重量等因素的综合平衡的先择。这应该是转播摄像机发展史上一个重要的改变。




图4：电视摄像机的发展



接下来，就谈一下1.25"成像器对于转播用8K摄像机的适用性。



转播用摄像机有其拍摄特点，选用1.25"规格8K成像器，是在综合考虑了分辨率、成像质量、拍摄成像特点、转播实际情况等综合因素，做出的精心选择。



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采用1.25"8K成像器，可提供适用转播需要的拍摄景深



电视转播需要较大拍摄景深，以呈现“拍摄主体和前后排”的清晰画面。同时，较大的聚焦范围也方便了摄像和技术人员的操作。



影响景深的因素很多。比较直观的例子是，采用大尺寸成像器的摄像机景深较浅，可呈现出较强的“电影感”；小光圈拍摄能提供更大景深；同样是2/3"成像器，4K分辨率的摄像机会比HD分辨率的摄像机景深稍浅、拍摄“吃光”些；可以想见，如果8K摄像机可以采用2/3"成像器的话，更浅的景深需要更慢的拍摄手法，更小的聚焦范围也增加了工作人员的操作难度。



从景深计算公式可以看到，景深与光圈、焦距、拍摄距离以及容许弥散圆直径有关。这些因素对景深的影响如下(假定其他的条件都不改变)：



镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；

镜头焦距：焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；

拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。


图5：景深计算公式



还有一个参数我们需要熟悉，它就是容许弥散圆直径。其中有两个概念：弥散圆(circle of confusion)和容许弥散圆(Permissiblecircle of confusion)。



与光轴平行的光线射入镜头，在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影像是模糊的扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。

如果弥散圆的直径在一定范围内，实际影像产生的模糊不能被辨别，这就被称为容许弥散圆，是界定清晰或者模糊的指标。



要分辨清晰至少需要2×2个像素，容许弥散圆的直径就需要小于两个像素尺寸。在焦点的前后各有一个容许弥散圆，两个容许弥散圆之间的距离就是焦深（前焦深+后焦深）。


图6：弥散圆、容许弥散圆与焦深



景深和焦深直接对应，成正比关系。在被摄主体(对焦点)前后的景深范围内的图像是清晰的。


图7：弥散圆直径与焦深、景深



前面文中提到的，同样2/3"成像器的摄像机，分辨率提高后景深变浅了，就是因为像素尺寸的缩小造成的容许弥散圆直径变小，进而影响的焦深、景深变浅。



那为什么在大尺寸成像器摄像机中，单个像素尺寸加大了反而景深更浅呢？这是因为成像器幅面加大成像角度也会加大，在焦平面上更容易达到容许弥散圆直径的门限值，前后景深也会浅，从而呈现出“电影感”。




图8：成像角度与景深




图9：景深与成像器尺寸成反比



成像角度引起景深变化的例子还比如拍摄光圈：通过调整光圈大小来改变成像角度，使弥散圆直径加大或减小，实现拍摄景深的变化。




图10：光圈大小与景深的关系



同尺寸成像器时在分辨率提升时，会造成像素尺寸减小，这时只有距离聚焦平面更近的弥散圆才能保证直径小于两个像素尺寸，前后焦深变浅了，对应的拍摄景深变浅。




图11：分辨率与景深的关系



1.25"8K成像器相比S35成像器的成像角度小一些；与2/3"4K成像器相比，在分辨率提升4倍的同时板面面积是4倍略小一些，像素尺寸(2.1μm和2.5μm)接近，由分辨率引起的容许弥散圆直径变化较小。简单来说，实际拍摄中，景深依次增多的顺序是S35—1.25"—2/3"。



对于转播用8K摄像机，采用1.25"8K成像器是在考虑了成像器尺寸、分辨率等与转播拍摄景深需要等因素的平衡性选择。




图12：成像器尺寸的比较



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采用1.25"3CMOS 8K成像器，可提供高画质图像



目前高端的2/3"4K摄像机已经可以提供较高的灵敏度和宽容度，对于S35 8K摄像机来说，成像器尺寸更大，像素尺寸和像素密度的条件更高，实现更高的灵敏度和宽容度也更容易；从下表中数据我们可以看出，在2/3"成像器上实现8K分辨时像素尺寸更小、像素密度更高，要保证图像质量难度会非常大；而1.25"8K成像器的采用，能够较方便的保证图像的灵敏度和宽容度。




图13：成像器件尺寸、分辨率与像素尺寸、像素密度的关系



采用1.25"B4镜头的法兰距是可以容纳分光棱镜的。采用3片成像器及棱镜分色，虽然结构复杂，光利用率更高；每个单色成像器件的像素数量都能保证是8K分辨率；同一像素的RGB基色像素映射在相同的空间位置上，这种像素排列方式RGB完全重合，成像质量好，不会出现伪彩色。3片式分色系统是转播摄像机的主流。



使用S35 PL口镜头的法兰距没有空间安装分色棱镜，只能采用单片成像器+滤色片分色的方案。




图14：三片成像器和单片成像器结构原理差异



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采用1.25"成像器，适用于HDR高动态范围拍摄



更大尺寸成像器无疑会对动态范围和信噪比有帮助，选择1.25"8K成像器，是在考虑像素尺寸与动态范围和信噪比关系后的结果。



在ITU-RBT.2100标准中规范了PQ和HLG两种模式。按照HLG制作要求，摄像机应能提供不低于1200%的动态范围。综合考虑8K、4K及HD节目的需要，下变换HD信号或裁切输出HD信号，信噪比不应低于60dB。



动态范围是指成像单元的饱和最大光强与等价噪声输出光强的比值，也即满陷容量(FWC)与等效噪声信号的倍数，而FWC通常取决于像素间距。



下图是CMOS成像单元的FWC与像素间距的关系和关系等式。其中x是像素间距，c是像素的满阱容量(FWC)。要达到HLG要求的1200%动态范围，成像器的像素不应小于2.32μm。1.25" 8K成像器的像素尺寸是2.1μm，尺寸接近。而8K 2/3"成像器的像素尺寸只有1.25μm。


图15：传统CMOS图像传感器的像素间距与满阱容量(FWC)



NHK文件中对于索尼UHC-8300的技术介绍，以及设备公开资料可以看到，采用1.25"3CMOS成像器的8K摄像机，当时测试时动态范围达到1300%，信噪比达到-62dB (1080/59.94i)。



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采用1.25"成像器，适用于镜头MTF性能的保证



更大尺寸成像器对动态范围和信噪比有帮助，选择1.25"8K成像器，是在考虑像素尺寸与镜头MTF性能关系后的结果。影响镜头MTF性能的主要因素包括像差和衍射问题。



像差与镜头的设计、材料和制造工艺相关，镜头质量越高像差越小。像差与光圈成正比，光圈越大（F值减小）像差影响越大。



衍射是一种光学现象，只和光圈大小、像素尺寸相关，不能通过人工手段减小或消除的。衍射与光圈成反比，光圈越小（F值增大）衍射影响越大。



由于衍射的影响，镜头的性能存在一个极限，无论像差减小到什么程度镜头的性能也无法提升，这就是衍射极限（Diffraction Limit）。下图是理想镜头情况下，镜头MTF性能与光圈及成像器尺寸、分辨率的关系。



高分辨率、小尺寸成像器件摄像机应尽可能使用大光圈，不要用小光圈拍摄，以避免衍射现象造成的图像质量劣化。




图16：理论上无像差镜头MTF与光圈、成像器件尺寸、分辨率的关系



实际拍摄时缩小光圈就可以看到衍射的影响。光圈值小于某个临界点时成像分辨率会急剧下降，因此拍摄时应配合使用ND中性密度灰片，始终保持光圈的F值大于临界点。




图17：成像器件尺寸、分辨率、像素尺寸、像素密度、光圈值临界点之间的关系



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镜头厂家认可1.25"规格



尽管8K镜头的研发充满挑战，但1.25"作为新的尺寸规格，已经获得富士、佳能等主要镜头厂家的认可和研发投入，近几年一直不断推出1.25"B4口8K镜头，已经形成较为符合实际需求的产品线，基本可以满足8K转播需要。



相比于S35的PL口镜头，1.25"的B4口8K镜头产品焦段更丰富，特别是大倍率的变焦镜头，伺服组件也更适合电视转播使用。




图18：主要镜头厂家1.25"规格8K变焦镜头



对于已经购买的2/3"B4口4K镜头，也可以通过镜头转接环的方式与1.25"成像器8K摄像机搭配使用。要注意在使用镜头转换器时需平衡对画质的影响。




图19：1.25"8K摄像机可搭配2/3"4K镜头使用



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索尼UHC-8300摄像机满足8K转播需要



池上、日立等最早和NHK研发8K转播摄像机投入使用，近期索尼和NHK研发8K 1.25"摄像机，索尼UHC-8300转播摄像机在NHK提出1.25" 3CMOS 8K成像器的技术文件中也被介绍。



UHC-8300采用轻量化机身设计，具备良好的技术性能，支持8K/HDR拍摄，以及支持最高120P的8K高速拍摄。



控制单元通过标准摄像机光缆与UHC-8300摄像机连接，支持长距离信号、供电、控制、通话、返送、TALLY等传输。支持8K/4K/HD同时输出，并支持实时Cutout裁切输出。除SDI接口外，还提供ST 2110和NMI的8K/IP接口选件。



图20：索尼UHC-8300摄像机性能和接口



UHC-8300的操作方式与索尼4K讯道摄像机相同，技术人员不必改变工作习惯即可制作高质量8K/HDR节目。



索尼已经提供了多个包含UHC-8300摄像机在内的8K转播系统案例。



图21：索尼8K转播产品解决方案



写在最后



通过对1.25"成像器规格在转播用8K摄像机适用性的分析，可以得出1.25"成像器尺寸是综合考虑了分辨率、成像质量、动态范围、信噪比、灵敏度、衍射极限、景深等多个因素综合的平衡性选择，是属于8K的新的2/3"，是目前8K转播用摄像机的主流选择。

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