攝像機的彩色校正-線性矩陣及其調整

精心整理攝像機的彩色校正線性矩陣及其調整中儀索尼技術服務中心總工程師趙力一、攝像機的線性矩陣的作用在彩色電視系統(tǒng)中，專業(yè)攝像機將光學圖像分解成紅、綠、藍三色，由三片CCD轉變成三基色電信號，它既是一個光-電轉換設備，又是一個彩色分光設備；顯像部分則將接收到的信號放大、解碼，還原出三基色信號，并據(jù)此分別控制轟擊紅、綠、藍三色熒光粉的電子束的強度，使熒光粉受激發(fā)光來還原圖像，它既是一個電-光變換設備，又是一個彩色混配設備。整個電視系統(tǒng)都必須按照三基色原理工作：彩色攝像機根據(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；信號傳輸部分保證不失真地傳送攝像機的輸出信號，嚴格保持三基色信號比例不變；顯像部分在)隹確的三基色信號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，在色度學上互為逆變換。這就要求攝像機的理想分光特性應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)以上坐標可得到PAL制熒光粉的混色曲線，也就是攝像機的理想光譜響應如圖1-1。實際上，攝像機的光譜響應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值，而實際的光譜響應中卻沒有，這就會使得攝像機輸出ur、ug、UB的比例偏移應有值，引起彩色失真，所以必須進行補償，亦即彩色校正（a為鏡頭的透過率響應；b為分光特性；c為攝像器材的光譜響應；d為輸出電壓的光譜響應）。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的負區(qū)而只保留其正區(qū)，并將正區(qū)適當壓縮以使重現(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靈敏度有所下降。合成法是把光電器件丟掉的光譜響應曲線負區(qū)設法用矩陣電路給予近似恢復。當今的專業(yè)攝像機均采用了該種方式來補償沒有光譜響應負區(qū)所造圖1-2成的彩色失真。另外，為了加強拍攝藝術效果，有時需要人為地改變某種顏色的飽和度或色調，也需要由矩陣來進行可變的彩色校正，這實際上是擴大了彩色校正的適用范圍。二、線性矩陣的調整系數(shù)由混色曲線可以發(fā)現(xiàn)，R、G、B每條曲線的負區(qū)和正次區(qū)都在相鄰曲線的正區(qū)下面，因此每個基色光譜響應的負瓣都可以用其他兩基色信號倒相后以適當?shù)谋壤齺砟M，紅基色的次正瓣也可以用藍基色的某一比例來模擬。校正后與校正前的信號關系可用線性矩陣表示。這些比例系數(shù)都是常數(shù)，故可以用簡單的電阻分壓網(wǎng)絡來實現(xiàn)。圖1-2d中的虛線是通過線性矩陣校正后的攝像機光譜響應，就十分接近理想的光譜響應曲線。設R。、G。、B0為校正后信號，R、G、B為校正前信號，則彩色校正信號可表示為：線性彩色校正電路接入視頻處理電路中不應該影響白平衡。由于攝像機各路增益是按保持R=G=BojR此上述矩陣的系數(shù)應該滿足：R1-b-c

jG」保持R=G=BojR此上述矩陣的系數(shù)應該滿足：R1-b-c

jG」fa+0b+c=1dGe=f=10精心整理g+h+i=1 >i=1-g-h具此將彩色信號矩陣轉換為如下形式：Ro=R+b(G-R)+c(B-R)Go=G+d(R-G)+f(B-G)B0=B+g(R-B)+h(G-B)由此可得色差信號校正電路，這種電路只需要6個參數(shù)。其優(yōu)點是由各基色信號相減組成的色差信號，很容易利用差分放大器得到。并且由于色差信號的頻帶較窄，由它們作為校正信號將引入較少的雜波。這6個參數(shù)均可由攝像機電路調節(jié)，不僅可以補償光譜響應所引起的失真，而且有助于解決不同彩色攝像機的彩色匹配問題。在SONY的攝像機中均采用了這6色差系數(shù)調整方式，即在G路中調節(jié)R-G、B-G的系數(shù)，在R路中調節(jié)G-R、B-R的系數(shù)，在B路中調節(jié)G-B、R-B的系數(shù)就可以進行彩色校正。由于在圖像信號進行相加和相減時，具有均勻功率譜的隨機雜波總是功率相加，不能相減的。所以若校正系數(shù)調節(jié)不當，雜波就會增加。為使輸出信號的信雜比不致明顯下降，校正信號的矩陣系數(shù)值不可太大，表示各路信號本身的系數(shù)a、e、i常在1?1.5的范圍內(nèi)，而其他用于進行校正的信號系數(shù)多為負數(shù)，且其絕對值小于1。SONY攝像機常采用-99?99的相對數(shù)值表示。由于彩色校正的效果不應受到黑斑效應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，以便能準確進行補償。采用線性矩陣后，可使攝像機光譜響應曲線不論在正區(qū)或負區(qū)都能與顯像三基色混色曲線相匹配。但實際上在熒光屏上只有響應正值才起作用，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)。對于三角形以外的色彩來講，重現(xiàn)色度的坐標將移到三角形的邊上。三、彩色校正技術的發(fā)展一多區(qū)線性矩陣在傳統(tǒng)的模擬攝像機中，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進行選擇。如Sony的專業(yè)攝像機DXC-637P、DXC-D30P等均在側面板設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)字攝像機或攝錄一體機將彩色校正功能大大加強，實現(xiàn)了多區(qū)彩色校正功能：色度信號根據(jù)彩色相位被分為16個區(qū)域，可分別在這16個區(qū)間內(nèi)進行色調和飽和度的控制。見圖3-1。通過對選擇的顏色進行增減或替換，能夠進行獨特而創(chuàng)新的再處理，類似于后期制作中的二級色彩特技處理。十分便于多攝像機之間的色彩匹配調整和創(chuàng)造獨特色彩效果。

精心整理圖3-1-A四、 線性矩陣的應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，營造出與現(xiàn)實場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景氣氛，又不必擔心象使用濾色鏡那樣會引起透光率下降、色彩還原和飽和度下降問題，具有其獨特的技術優(yōu)勢。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）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、線性矩陣的調整方法如果在實際拍攝過程中能夠有意識地使用線性矩陣（MATRIX）來校正彩色，往往能獲得出人意料的效果。但是面對一層又一層的菜單設置，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，又擔心調亂了恢復不回來，陷入一種“明知東西好，就是不會用”的尷尬局面。例如在SONY的幾款高檔攝像機/攝錄一體機中（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BVP-E10P等），線性矩陣的種類就有USERMATRIX、MULTIMATRIX、PRESETMATRIX及OHBMATRIX等，各不相同；所調整的MATRIX數(shù)據(jù)是在REFERENCEFILE里，還是在OHBFILE或SCENCEFILE里，效果也不一樣；工廠設置、開機狀態(tài)及菜單復位的數(shù)據(jù)也不盡相同。功能十分強大，但調整也相當復雜。要知道線性矩陣調什么、怎么調，得心應手，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HDW-F900為例進行分析（實際上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)攝像機一樣調整線性矩陣（R-G、R-B）、（G-R、G-B）、（B-R、B-G）六組系數(shù)的大?。籑ULTIMATRIX（多區(qū)彩色矩陣）--在PAINT菜單里，將整個色調區(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）十六個區(qū)間?？稍诿總€區(qū)間內(nèi)單獨調整其色調和飽和度。OHBMATRIX（OHB矩陣）一在MAINTENANCE菜單里，象多區(qū)彩色矩陣一樣，將整個色度區(qū)間分為十六個區(qū)間，可在每個區(qū)間內(nèi)單獨調整其色調和飽和度，主要用于調整多臺攝像機或攝錄一體機之間的彩色匹配。PRESETMATRIX（預置矩陣）--將線性矩陣的也-0R-B）、（G-R、G-B）、（B-R、B-G）六組系數(shù)復位到工廠設置，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）隹線性矩陣系婁攵。上述四種矩陣之間的結構安排可由圖5-2表示：圖5-2如果不涉及多臺攝像機或攝錄一體機之間的彩色匹配，OHBMATRIX在單機使用時可以不加考慮（其開關工廠設置為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，使用時由視頻工程師進行調整,由用戶控制的矩陣校正開關（上圖MATRIXSW）打開與否對其沒有影響。而PRESETMATRIX就是針對不同的混色曲線（制式不同，采用的標隹光源基隹不同，熒光粉的色坐標不同）由工廠所精確計算和實驗所作出的補償。HDW-F900為多格式攝錄一體機，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）、EBU（歐廣聯(lián)）之分。這是最基礎的彩色校正（用來補償光譜響應曲線所失去的負區(qū)部分），而USERMATRIX、MULTIMATRIX的校正數(shù)據(jù)都是疊加在PRESETMATRIX之上的。為了便于理解和實際操作，可以簡單的認為USERMATRIX是粗調，而MULTIMATRIX是細調。其數(shù)據(jù)結構見圖5-3示。圖5-3REFERENCEFILE里儲存的是視頻工程師所調整的用戶PAINT數(shù)據(jù)。調整可用SETUPMENU或MSU進行，數(shù)據(jù)儲存在攝像機內(nèi)或記憶棒（MEMORYSTICK）里。需要尤其注意的是，當PAINT菜單里的數(shù)據(jù)從工廠設置值0調整到某一個數(shù)值，然后進行參考精心整理文件儲存(REFERENCEFILESTORE),這時所調整的數(shù)值將被記錄在FEFERENCEFILE里，再回到PAINT菜單，就會發(fā)現(xiàn)所調整的數(shù)值都自動歸零。但實際上的數(shù)值等于現(xiàn)PAINT菜單數(shù)據(jù)與REFERENCEFILE里所儲存的數(shù)據(jù)