梁建華 章寧 常州廣播電視臺

4K攝像機的拍攝技術(shù)

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本文介紹了4K攝像機的的技術(shù)特點及拍攝方法。

4K技術(shù) 攝像機 拍攝

一、引言

隨著電視技術(shù)的不斷發(fā)展，大畫幅超高清4K攝像機開始應用于電視領(lǐng)域。它與普通高清攝像機相比具有更高的分辨率和寬容度，拍攝出來的畫面保留了亮部和暗部的層次，非常柔和，畫面也更干凈，更優(yōu)美，觀看者的體驗已經(jīng)完全超出了原有高清范疇。4K攝像機已經(jīng)開始進入各電視臺和制作公司，應用于專題片、電視劇等高端電視制作領(lǐng)域。

二、4K攝像機的技術(shù)特點

4K數(shù)字視頻是一種分辨率高于HDTV標準和2K數(shù)字電影的超高清顯示規(guī)格，其名稱來自其顯示的分辨率。4K數(shù)字電影的分辨率達到4096×2160，而4K超高清電視分辨率則為3840×2160，水平和垂直方向都是全高清1920×1080的兩倍。在25P幀率下數(shù)據(jù)量是同幀率高清的4倍；采用50P幀率拍攝時，4K電視信號的總數(shù)據(jù)量達到普通高清的8倍。4K攝像機的性能指標已遠遠超過以往的全高清攝像機，與之相比它具有以下幾個方面的提升。

（1）成像器件和鏡頭的提升

4K攝像機和傳統(tǒng)攝像機最根本的區(qū)別就是在于成像器件的類型和尺寸上。傳統(tǒng)攝像機采用3片2/3英寸CCD（或CMOS）成像器件，棱光分鏡，在3片CCD上分別成像，輸出紅、綠、藍三路信號，使用B4接口鏡頭。4K攝像機則是類似于35mm膠片電影攝影機的結(jié)構(gòu)，采用單片全畫幅35mmCMOS成像器件，并采用拜耳模式的微型濾色鏡陣列對白光進行分解，在一個成像器件上產(chǎn)生了三種基色的圖像，使用電影鏡頭或單反類型的鏡頭。由于35mm全畫幅成像器件的尺寸是2/3英寸成像器件的2.5倍，所以4K攝像機在性能指標上比傳統(tǒng)攝像機有了很大的提升。4K攝像機多采用PL卡口的電影鏡頭和EF卡口單反鏡頭，與B4卡口的普通攝像機變焦鏡頭相比，鏡頭的解析度和通透度指標都要高一個檔次。

（2）高分辨率

分辨率體現(xiàn)了攝像機再現(xiàn)圖像細節(jié)的能力。2012年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了“超高清電視UHDTV（Ultra High-Defnition Tv） ”標準的建議，將屏幕物理分辨率達到3840×2160及以上的電視稱之為超高清電視，包含了業(yè)界所稱的4K，以區(qū)別于原來的全高清電視。標準中，規(guī)定了UHD超高清圖像的顯示分辨率為3840×2160（4K），畫面顯示比例為16:9，支持多種幀掃描頻率，最高可達240Hz， 超高清電視都是逐行掃描的。

（3）高量化比特

隨著成像和顯示器件品質(zhì)的提升，圖像動態(tài)范圍顯著提高，人眼可分辨的亮度層次隨之變多，圖像的量化比特數(shù)也有了增加的要求。4K電視技術(shù)不僅實現(xiàn)了高分辨率，在像素量化級數(shù)上由高清的8bit提升為4K的10bit，，這個參數(shù)的提升對圖像在層次與過渡方面的增強起到關(guān)鍵作用，色彩還原也更加真實。

（4）高幀率在

4K高分辨率下，傳統(tǒng)的25/30P的電視幀率標準已不能滿足運動數(shù)字圖像流暢的要求，為獲得平滑的運動圖像，進一步降低圖像的閃爍，超高清電視標準規(guī)定掃描方式為逐行掃描，幀率也提升為30P或60P，最高可達240P。

圖1 電視、4K對數(shù)伽瑪與直線伽瑪?shù)奶匦员容^

（5）高動態(tài)范圍

相對于傳統(tǒng)攝像機，4K攝像機可通過開啟LOG曲線，采用RAW原始數(shù)據(jù)格式記錄，來提高圖像的動態(tài)范圍。LOG曲線其實就是一種電影伽瑪曲線，對數(shù)特性，形容畫面的反差系數(shù)，曲線越陡畫面反差越大，曲線越緩畫面反差越小，開啟LOG曲線以提高畫面寬容度，實際上就是把原來陡的曲線變緩了。如圖1所示，為了能再現(xiàn)比峰值白更亮的圖像層次，傳統(tǒng)的攝像機采用了拐點處理的方法，高亮度區(qū)域的灰度層次仍然可以保留，最高可達600%的動態(tài)范圍。而電影對數(shù)伽瑪?shù)男Ｕ秶乳_啟了拐點的電視伽瑪還要寬廣，幾乎沒有限制，包括了從圖像最暗到超過峰值白亮度幾倍的全部曝光區(qū)域，所有的層次都能顯現(xiàn)出來，達到了800%的動態(tài)范圍。

SONY 4K攝像機把它的LOG對數(shù)伽瑪曲線稱為S-LOG曲線，開啟4K攝像機的LOG曲線后，4K攝像機的寬容度可達到14檔光圈，雖然看上去畫面明顯變灰了，但亮部細節(jié)和暗部細節(jié)卻更多地保留了下來，給后期調(diào)色合成留下了空間。

圖2 高清和超高清色域比較

表1 4K攝像機和傳統(tǒng)的高清攝像機的比較

（6）寬色域

色域是我們能夠使用攝像機從自然界光學影像中拾取并最終顯示出來的色彩范圍。從高清電視色域Rec-709（ITU-R709）標準到4K超高清色域BT-2020/4K S-Gamut（ITU-R2020）標準，大幅度擴展了彩色色域，從拍攝端到顯示端，保證了更逼真的色彩還原。原來在普通電視色域里表現(xiàn)不出來的東西，在高動態(tài)、高色域里面都表現(xiàn)出來了，如圖2所示。

4K攝像機和傳統(tǒng)的高清攝像機的對比見表1。

三、 4K攝像機的拍攝技術(shù)

隨著4K技術(shù)的普及，各電視臺和制作公司相繼引進了各種4K攝像機，其中較為有代表性的機型有SONY公司的F55 4K數(shù)字攝像機，松下公司的V35 4K數(shù)字攝像以及佳能C500 4K數(shù)字攝像機。

SONY PMW-F55 4K數(shù)字攝像機以其卓越性能自2012年一經(jīng)推出便備受矚目，它采用800萬有效像數(shù)的超級35mm CMOS成像器，采用幀圖像掃描技術(shù)，曝光范圍達到14檔光圈，標配全電子快門，ISO 1250高感光度，F(xiàn)11靈敏度，57db高信噪比，可安裝第二代索尼PL接口鏡頭在內(nèi)的各種鏡頭。采用對數(shù)伽瑪S-Log3曲線和S-Gamut寬色域使用戶可獲得最高動態(tài)范圍的原始圖像。具有MPEG2-HD422、XAVC 2K/HD、XAVC QPHD/4K、和16位RAW 2K/4K多種錄制格式，可實現(xiàn)機內(nèi)卡槽與外接AXS-R5雙記錄，在高速SxS PRO存儲卡上錄制HD/2K/QPHD/4K，在AXSM介質(zhì)上實現(xiàn)16位RAW 2K/4K錄制?？蛇x擇Avid DNxHD編解碼器和Apple proRes編解碼器錄制。一觸式直接訪問幀率、快門速度、色溫、ISO靈敏度和伽瑪?shù)戎匾臄z參數(shù)。

松下Varicam 35 4K數(shù)字攝像機采用超級35mm CMOS傳感器和拜爾分色棱鏡組合，4196×2160分辨率，PL鏡頭卡口，內(nèi)幟ND濾鏡，14檔曝光寬容度，豐富的調(diào)整空間和調(diào)色功能，支持RAW數(shù)據(jù)輸出。機內(nèi)4K升格可達120格，雙解碼器記錄，同時記錄帶有調(diào)色信息的4K 未調(diào)色母版素材和調(diào)色后的HD圖像。記錄4K支持AVC-Ultra編碼，記錄2K&HD支持AVC-Intra（100/200）編碼。兩個Express P2卡插槽可記錄130分鐘4K素材，兩個micro P2插槽可記錄高清和2K素材。4個用于輸出4KQUAD輸出的3G-SDI，3個用于監(jiān)測的HD-SDI輸出（從4K向下轉(zhuǎn)換），兩個XLR音頻接口，能記錄24位48KHZ音頻的四個聲道。

佳能EOS C500 4K數(shù)字攝像機采用885萬有效像數(shù)的超級35mm CMOS傳感器，感光度范圍ISO 320-20000，寬容度達到12檔，能夠以120幀/秒的速度拍攝4K影像。具有EF卡口和PL卡口兩種機身，增加了EF卡口鎖定裝置，兼容為CINEMA EOS設(shè)計的電影鏡頭和超過60款EF鏡頭。內(nèi)置3檔中灰濾鏡，支持佳能的Log Gamma拍攝信息記錄，配備波形監(jiān)視器和矢量示波器，突出輪廓模式和放大對焦輔助功能便于精確對焦。支持雙CF存儲卡的高清存儲，提供10 bit 4:4:4采用4K 60bps RAW的拍攝格式，通過雙路3G-SDI將未經(jīng)機內(nèi)圖像處理的無壓縮2K RGB數(shù)據(jù)及4K RAW 數(shù)據(jù)輸出給錄制設(shè)備。使用具有無線局域網(wǎng)連接能力的筆記本或移動設(shè)備則可查看當前拍攝的畫面，還可以調(diào)整白平衡、感光度、快門速度、EF相機鏡頭的光圈、鏡頭的對焦距離等。

以下以SONY F55為例談談4K數(shù)字攝像機在實際拍攝中需要注意的一些問題。

（1）對焦和構(gòu)圖問題

大畫幅成像器件CMOS和大光圈鏡頭帶來的小景深，使得從2K到4K，聚焦、跟焦變得更復雜。SONY F55提供了尋像器中央擴大和峰值兩種輔助聚焦方式，尋像器上有擴大對焦按鈕FOCUS MAG，一按，中央?yún)^(qū)域放大兩倍顯示。峰值就是會在合焦的地方用特定的顏色來顯示，特定的顏色有白、紅、黃、藍四種，攝像師根據(jù)個人選擇不同顏色的勾邊。另外在實際拍攝時如果有條件，最好攜帶大的監(jiān)視器進行對比和調(diào)整，如SONY PVM-X300 4K 監(jiān)視器自帶焦點檢查功能（FOCUS CHECK），可通過菜單設(shè)置開啟，可選擇顯示黑白效果，當焦點清晰時，焦平面物體的邊緣會被勾勒出亮邊，可判斷焦點是否準確，此功能原理與攝像機尋像器的PEAKING功能類似，都是通過畫面局部的反差和對比度來判別焦點位置。

4K拍攝時，由于圖像大，淺景深，構(gòu)圖類似電影畫面，要作相應的調(diào)整。構(gòu)圖時要更加穩(wěn)定，變焦畫面少用。鏡頭的時長比平時要更長，延長畫面的停留時間，或者放緩畫面的移動速度，留給觀眾寬裕的解讀時間，用電影鏡頭語言方式來表達畫面。4K設(shè)備較重，可借助斯坦尼康、搖臂車、軌道車等輔助設(shè)備進行拍攝。

（2）白平衡問題

與高清攝像機不同的是4K數(shù)字攝像機現(xiàn)場拍攝時可不在機內(nèi)調(diào)整白平衡。在開啟S-LOG曲線模式下，攝像機使用三檔白平衡預置，而不進行白平衡調(diào)整。在ITU-709模式下調(diào)白得到色溫數(shù)值，攝像機只能設(shè)置為與其最為相近的預置色溫值。由于白平衡處理過程是不可逆的，如果在攝像機內(nèi)進行白平衡處理，一旦有信息受到損失，后期處理時便無法挽回。將白平衡放到后期處理，好處是最大限度地保留感光器件采集到的原始數(shù)據(jù)，盡可能利用更多的信息，在后期處理中可自由設(shè)定白平衡點，使對白平衡的控制更加靈活。

（3）色域和伽瑪曲線的選擇

在記錄的Gamma和色域上，我們有兩個選擇，采用709方式，或是采用LOG方式。而高質(zhì)量的4K攝像機所拍攝出來的畫面必須具備高寬容度和高色彩還原度，因此一般選擇LOG方式。在SONY F55菜單中表示為S-Gamut3/S-Log3。開啟S-Log3模式后，拍攝的畫面變灰了，但畫面的亮部細節(jié)和暗部細節(jié)都要優(yōu)于沒有開啟S-Log3模式所拍攝的，也就是說畫面的寬容度得到了提升，畫面越灰說明保留的信息越豐富，豐富到我們的監(jiān)視器無法完全顯示，所以才是灰色的，至于灰色的畫面后期通過LUT還原或調(diào)色處理就OK了。在4K制作流程中，調(diào)色變成了一個必不可少的環(huán)節(jié)，這是與以往電視制作流程相比所不同的地方。S-Gamut3/S-Log3格式相比ITU-709標準，具備以下優(yōu)勢：一是可以記錄14檔光圈動態(tài)范圍，二是可記錄超過ITU2020所定義的色域范圍，為后期制作提供豐富的細節(jié)和層次。

（4）記錄格式的選擇

SONY F55數(shù)字攝像機記錄4K數(shù)據(jù)格式大致有兩種，一種是壓縮的XAVC格式，另一種是未壓縮的RAW格式。XAVC是高效率同時又能保證質(zhì)量的壓縮方式，是在帶寬、容量上可以做到比較節(jié)約的方式，它使用MEPEG4 AVC/H.264編碼器，支持HD、2K、QFHD和4K分辨率，在機內(nèi)用SxS卡直接錄制，這種10bit 4:2:2的XAVC是F55的標準記錄格式。 4K XAVC（50P）碼率約為500Mbps，數(shù)據(jù)量適中，是除RAW格式之外可選擇的編碼方式和記錄方式中質(zhì)量最好的。

RAW的含義就是“未加工的”，它是感光元器件將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的原始數(shù)據(jù)。RAW未經(jīng)壓縮，可以最大程度的保持畫面信息，為后期制作提供最大的調(diào)整空間。當然RAW的代價也是很大的，它具有海量的文件量和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量約為16GB/分鐘，4K RAW（50P）碼率可達2.4Gbps，1小時素材接近1T的空間，需要外接錄制，SONY F55可外接AXS-R5 4K記錄單元，在AXSM介質(zhì)（A方卡）上記錄RAW數(shù)據(jù)。在RAW格式前提下，拍攝的畫面所有參數(shù)在后期制作中可重新調(diào)整。

SONY的SxS存儲卡和AXS存儲卡（A方卡）可與低成本的讀卡器相結(jié)合使用，能夠進行高速的文件傳輸，無需使用任何專用驅(qū)動軟件就能將文件快速地傳輸?shù)接嬎銠C中。

（5）現(xiàn)場監(jiān)看問題

現(xiàn)場監(jiān)看是傳統(tǒng)視頻技術(shù)的一大優(yōu)點，監(jiān)視器通常都是按照電視標準來設(shè)計的，只有當信號符合相應的標準時才能顯示出正常色彩的圖像。ITU-R709標準就是普通高清電視的色彩標準，不需調(diào)色就可在監(jiān)視器上正常顯示。由于LOG模式的對數(shù)特性不符合電視標準，所以其輸出的信號在普通監(jiān)視器上看到的影像是不真實的，畫面發(fā)灰，顏色平淡，現(xiàn)場監(jiān)看將LOG圖像信號通過LUT（查色表）轉(zhuǎn)換成ITU-R709電視標準。

SONY F55數(shù)字攝像機在采用S-LOG3模式拍攝時，機內(nèi)記錄的是灰蒙蒙的畫面，在配備的DVF-L700尋像器里看到的也是灰蒙蒙的畫面，并非所見即所得，但可隨時調(diào)用機內(nèi)存儲的LUT文件還原成709色域，色彩隨時可見，為了滿足低成本制作的需要，索尼提供了四種3D LUT調(diào)色模板，可以方便的直接套用。在EFP現(xiàn)場制作中，可將攝像、視頻調(diào)光監(jiān)看改成ITU-R709的輸出效果，恢復正常的圖像，以方便取景和調(diào)整光圈，而S-LOG 模式輸出的信號則通過在現(xiàn)場進行簡單的調(diào)色，將PGM畫面在普通監(jiān)視器上呈現(xiàn)。

（6）4K制作工藝流程

對于SONY F55的4K制作，我們一般可以采用兩種方式。第一種方式是采用較為經(jīng)濟的4K XAVC（如4096×2160/50P）編碼格式。近年來各非編軟件對壓縮編碼格式的支持大為提升，許多非編軟件都可以對XAVC格式進行直接剪輯，如最新版本的Edius PRO 7和Premier CC等軟件。前期如果采用 XAVC壓縮編碼的方式記錄后，后期基本可以直接進行畫面的剪輯。如果需要精細制作，可在后期繼續(xù)利用特效合成軟件和調(diào)色軟件進行處理，通過精度渲染導出成品文件，即4K母版文件，如果需要電視播出，輸出高清版本即可。這種XAVC流程，優(yōu)點是低成本，高效率，系統(tǒng)資源占用較少。

第二種方式是采用4K RAW+藍光（高低碼流）的方式剪輯。它在拍攝記錄成4K RAW格式的同時，也記錄了MPEG-2的高清碼流，即藍光50M的素材，后期可先進行高清藍光的素材粗剪，粗剪的素材和高質(zhì)量的4K RAW進行套裁，這樣可以大大提高后期制作的效率，時間碼和卷號一樣，高低碼流一樣，為后期帶來很多便利。但4K RAW數(shù)據(jù)量巨大，要求工作站系統(tǒng)配置較高。

四、結(jié)束語

4K數(shù)字攝像機相對于以往高清攝像機的操作最大的區(qū)別，實際上就是電視制作流程向數(shù)字電影化大幅靠近，LOG模式和RAW格式的應用，徹底改變了傳統(tǒng)電視行業(yè)前期拍攝和后期制作之前的關(guān)系，同時高寬容度和高分辨率的特征使得攝像師在對用光和構(gòu)圖、細節(jié)把控等環(huán)節(jié)方面又有了全新的認識。后期制作則需要擺脫過去僅僅是單純剪輯和簡單調(diào)色的模式，需要對整個4K制作流程做統(tǒng)一規(guī)劃，對畫面作精細調(diào)整和加工，從而對后期制作人員提出了更高的技術(shù)要求。