消费级高清摄像机的2006和2007

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  上篇CCD与CMOS平分天下
  
  2006年下半年,我们明显感觉到消费级高清摄像机的脚步声越来越密集了:
  sony继5月份与松下联合发布AVCHD高清标准后,于8月24日在北京首次推出分别采用硬盘和DVD光盘记录的AVCHD摄像机,这也是其第四款和第五款民品高清摄像机产品;
  8月24日,佳能同样在北京发布了一款HDV 1080i直握式家用机HV10,这款HV10使用了一片1/2.7英寸全尺寸(1920×1080)HD CMOS图像感应器,而重量只有440克(不含电池和磁带),比Sony上半年发布的当时全球最小高清摄像机Hc3还要轻60克;
  
  同日。佳能还发布了两款采用3ccD感光器件和HDV磁带记录方式、更加专业的半大高清摄像机A1和G1,考虑到G1内置HD/SD-SDI和GENLOCK同步输出及时间码输入/输出,主要面向广播影视应用,本文主要考察基本功能相同、价格更低的A1;
  9月份,sony快马加鞭,推出采用3片CMOS感光器件和HDV磁带记录方式的HDR—FX7E,该机型与3CCD的HDR-FXlE(世界首台HDV)一起,丰富了sony消费级旗舰机型的实力;
  10月3日,日本CEATEC大展开幕。松下和JVC终于展出了各自的能够拍摄高清图像的高清摄像机样机。这两款未知型号的高清摄像机均采用3CCD感光器件,其中松下机型采用AVCHD压缩方式,SD卡存储;JVC的机型采用硬盘存储,但记录方式目前还不得而知……
  读者可能已经感觉到,感光器件、压缩方式和存储介质已经成为区别高清摄像机的三个关键点。从本期开始笔者将连续三期。从感光器件、压缩方式和存储介质三个方面为大家盘点消费级高清摄像机2006年的发展现状,展望2007。
  相信读者已经从右页笔者制作的图表中看出一些端倪:
  在目前已经上市和即将上市的11款消费级高清摄像机中——
  从品牌上划分,sony共有6款产品,占所有高清机型的50%以上份额,是消费级高清摄像机当仁不让的领军企业;佳能共有2款产品(另外还有两款面向专业用户的机型);三洋、松下、JVC各有一款产品;而三星虽然也宣布即将推出高清机型,但目前尚未发布任何新产品的信息。
  从感光器件上划分,采用CCD/3CcD器件的产品共有5款,采用CMOS/3CMOS器件的产品共有6款。这与目前标清消费级数码摄像机中,大部分机型采用CCD/3cCD器件大不相同。
  
  
  单片CCD挥别高清
  前文提到过的消费级高清“始祖机型”——JVC的GR-HD1采用的就是一片1/3英寸,1280×960像素(118万像素)逐行扫描CCD感光器件实现720p30画面的记录(MPEG2压缩编码)。2003年GR-HDl刚刚上市时,作为全球第一台便携高清摄像机的确令人眼前一亮,但在Sony 3CCD的HDR-FX1E推出后,在清晰度、色彩还原特别是宽容度方面不及FX1E的HD1便悄无声息了。
  在这一点上三洋VPC-HD1似乎在重复着GR-HDl的命运。同样的单片CCD,面积更大一点(1/2.5英寸),像素更高,达到536万;同样采用720p30记录高清信号,但是采用的是MPEG4压缩方式。在拍摄静止图像方面,VPC-HDl表现尚可,但是在高清动态记录方面,VPC-HDl只能说是具备了这一功能,而画质就只能说是捉襟见肘了。
  看来,未来单片CCD可能真的与高清无缘了,特别是在家庭用户崇尚高清拍摄、播放、显示系统全部Full HD 1080的今天,使得本来还能勉强应对720p记录的单CCD结构,更无立锥之地了。
  
  3CCD还能走多远?
  面对消费者FullHD的需求,松下和JVC试图通过三片式CCD结构获取1920×1080像素的全高清分辨率。
  高清与标清最大的不同是像素数量,高清画面的1920×1080像素是标清720×576像素(PAL制式)的将近5倍。为了摄取高清画面,就必须采用更高像素数量的感光器件,更重要的是要设计满足高清海量数据的动态视频处理器件。据说,Sony的第一台HDV摄像机HDR-FXlE的制造成本非常高,就是因为:其一,采用了3片昂贵的像素数量为960×1080即百万像素、对角线尺寸为1/3英寸的CCD,借助像素偏移技术获取1920×1080像素的原始画面;其二,为了实时处理每秒25帧的高清数据,配备了特别复杂的图像处理电路。
  Sony在开发FX1E的过程中发现,很难在小于1/3英寸的单片CCD上实现Full HD 1080动态图像捕获,如果采用CCD作为高清摄像机感光器件,势必要采用高成本的3CCD架构;但是如果要实现消费级摄像机的小型化,就必须采用面积更小的CCD,伴随着像素的进一步变小,低照度下的画质很难得到保证,而对于家庭用户而言,在照度不高的室内拍摄是无法避免的。因而Sony改弦易张,转而开发CMOS来解决高清摄像机小型化的难题。
  在FX1E推出两年后,松下和JVC继续采用3CCD系统,不禁让人顿生疑惑。唯一一个对两家厂商有利的解释来自坊间的传说:在松下消费级代理商和用户群中流行这样一种说法,因为3CCD系统是松下的专利技术,所以只有松下才能在消费级摄像机上大量采用而不用考虑成本,其他厂商因为要缴纳专利金,一般只会在高端产品中才使用这一技术。但是笔者查阅了大量资料,并未证实此消息。另外,即使这一消息属实,还是无法避免CCD转换器件带来的海量高清数据实时处理问题,松下和JVC不得不采用复杂的、高性能的A/D转换模块和DSP数字处理模块,将导致其上市的产品价格非常高。
  根据公开的资料,松下即将推出的AVCHD高清摄像机采用其自行制造的3片1/4英寸CCD系统,估计总像素在200万左右,其中CCD为松下自主生产。而JVC未来硬盘高清机型配备了3片名为“高清专用1/5英寸16:9逐行扫描CCD”,将每个像素的面积增大到了过去的2倍左右、即3.28×3 28μm,提高了MTF和感光度,CCD的纵横比为16:9。
  不管是松下的1/4英寸CCD,还是JVC的1/5英寸CCD,相信每片CCD的像素数量都不可能达到1920×1080。就像松下专业机型HVX200一样,该机采用了3片1/3英寸CCD,但是每片CCD的像素数量只有960×540个!不过,通过在水平和垂直两个方向进行像素偏移,实现了高清画面的摄取。关于新机型将采用的3CCD系统,松下并没有提供详细的资料,JVC倒是讲得清清楚楚:
  “JVC新开发了可记录HDTV视频的3CCD系统。采用了‘斜向像素错位结构’,将红色和蓝色CCD沿水平与垂直方向分别与绿色CCD错开1/2像素,由此提高了作为空间分辨率指标的MTF(modulation transfer function,调制传递函数)特性。视频数据作为1920×1080p 逐行信号处理后,转换成1920×1080i的隔行信号记录。”
  所谓的“斜向像素错位结构”听起来很新鲜,实际上就是在水平和垂直两个方向的像素偏移。“像素偏移”并不是很新的技术,在3CCD摄像机中很早就大量采用这项技术提高动态画面的分辨率,比如大家熟悉的佳能XL系列机型。到了高清时代,由100万左右像素CCD组成的3CCD感光系统大都采用了水平方向像素偏移,以满足1080i的HDTV画面将近200万像素的需求。通常的结论是,通过将3CCD感光系统中的某一片CCD与另外两片错开1/2像素放置,可以在这一方向上提高15倍的分辨率。在松下HVX200上,我们看到了松下首次在水平和垂直两个方向进行像素偏移。而根据JVC的说法,则是两片CCD同时在水平和垂直两个方向偏移,并且为了提升低照度下的画面表现力,每片1/5英寸CCD上的像素“增大到了过去的2倍左右、即3.28×.28μm”。根据这一系列信息判断,JVC新机中每片CCD的像素数量不会超过HVX200的960×540。
  用3片比标清720×576像素数量大不了太多的CCD搭建起来的高清光电转换器件,其真实画质水平如何,现在还不好判断。不过,松下和JVC省却了新型感光器件开发,试制的费用,是否能够进一步实现低成本的A/D转换和DSP数字处理,继续保持在标清时代的价格竞争力呢?建立在3CCD像素偏移技术基础上的消费级高清摄像机是否能够得到消费级用户接纳,还需拭目以待。
  但是无论如何,松下和JVC要在2007年推出高清摄像机了,在已经接近成熟的消费级高清摄像机市场上,这两大品牌无论如何也不会缺席。而且,松下一向是以制造能力见长的公司,一旦启动了高清摄像机研发制造这一产品线,将会在2007年推出更多的机型。
  
  CMOS扩军 风生水起
  目前CMOS消费级高清摄像机阵营的Sony和佳能是从两个不同的方向切入这一领域的。
  几年前,Sony就考虑到未来家用高清摄像机使用的光电转换器件问题。在小于1/3英寸的CCD上实现1920×1080像素问题并不大,但是关键在于这样做之后每个像素的面积就会变得很小,灵敏度大大降低,这对于家庭用户常用的室内拍摄和夜景拍摄显然是不合适的。
  影响CCD进入消费级高清摄像机领域更关键的一点是前文讲过的CCD和CMOS在信号处理方式上的不同:
  CCD的基础材料是硅,通过特殊的制造工艺,可以在硅晶片上加工出若干个感光单元(像素),每个单元都具备储存电荷的能力。如果一片CCD上设计有数百万像素,就可以记录下一幅图像,像素的数量越大,则可以记录下的信息就越多。接下来,还必须将这些电荷以某种方式转移出去.通过一个“放大器”将电荷的数值按比例转换成电压的变化再进入后续的处理电路。对于高清摄像机中高达百万像素以上CCD而言,这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”,所有电荷由单一通道输出,当数据量大的时候就发生信号“拥堵”。
  CMOS则不同,每个像素点都有一个单独的放大器转换输出,因此CMOS没有CCD的“瓶颈”问题,能够在短时间内处理大量数据,输出高清影像。另外,CMOS工作所需要的电压比CCD低很多,功耗大约只有CCD的1/3。这在消费级高清摄像机上是很重要的。
  Sony消费级摄像机Handycam系列中第一次采用CMOS光电转换器件的机型是2005年春推出的DCR-PCIOOOE。这是一款3CMOS机型,PC1000E上市后,半年前推出的3CCD高端机DCR-HCl000E便渐渐悄然退出了。
  不过在某种意义上,PCI000E还是一款“试验机型”,这款机器的色彩表现一改之前Handycam系列色彩鲜艳、红色和蓝色突出的特点,日光下自动白平衡极其写实、日光灯下则偏青绿,还有一点,就是低照度下较CCD摄像机噪波更明显。看来,为CMOS定制的DSP数字处理电路尚需继续完善。
  2005年8月,Sony在中国市场尚推出的采用CMOS的HDV高清摄像机HDR-HClE再一次让人们把焦点聚集在这种新型光电转换器件上。HClE采用一块1/3英寸、3百万像素的CMOS,虽然是单片光电转换器件设计,但是在拍摄高清图像时达到了1920×1080的FullHD分辨率,清晰度非常出色,加上全面为CMOS传感器优化的DSP数字处理电路,人们在HClE上再一次看到熟悉的“Handycam色彩”。
  就在2005年下半年,Sony还推出了采用1080万像素、APS-C型尺寸CMOS器件的数码相机DSC-R1,这款相机因为像素高、响应速度快、镜头焦段齐全、操作方式接近数码单反相机,一上市就受到了专业摄影师和准专业摄影师的追捧。
  2006年,Sony推出了改良型的“晶锐ClearVid CMOS传感器”,配合新增强型影像处理器的结合能同时实现影像的高分辨率和高灵敏度。“晶锐ClearVid CMOS传感器”的像素是通过在传统像素排列基础上进行45度旋转得到的,它是一种新型像素排列技术。通过将像素45度旋转和硬件插值的技术,能将原来200万像素转换成400万像素,实现了近乎双倍的像素。另外像素的点距由原来的2.4微米提升为2.9微米,尺寸更大,所以清晰度也做得更高更好,在低照度的情况下也可进行顺畅的拍摄。HDR-HC3E、HDR-UXlE和HDR-SRlE采用的就是这种光电转换器件。据Sony高级技术人员声称,由于CMOS技术的先进性,希望在今后更多更好地来使用这个技术,增加CMOS机型在整个Handycam系列中的比例。
  佳能是传统光学相机和数码相机的巨头,凭借光学镜头和数码相机使用的CMOS光电转换器件在消费级和专业单反数码相机领域独步天下。这几年佳能也一直非常重视消费级摄像机市场.希望整合自身优势,通吃DC/DV两大数码影像领域。但是在标清时代,佳能数码摄像机使用的CCD一直依靠“外援”,高清时代既然Sony看好CMOS,在此领域已潜心多年的佳能自然就迎头而上了。
  2006年8月佳能发布首款高清格式的消费级摄像机iVIS HV10就采用自行研发的296万像素、1/27英寸HD CMOS传感器,可以记录高达1920×1080像素有效信号,并使用了其在数码相机上久经考验的DIGIC DVⅡ影像处理器。HV10将佳能之前使用在其专业单反相机开发的CMOS图像感应器技术拓展到高清摄像机领域,开始了其摄像机光电转换器件自行研发的崭新时代。从镜头、光电转换器件到DIGIC DVⅡ影像处理器,佳能已经拥有了数码摄像机多项核心技术,这在消费级高清摄像机时代,争夺行业老大地位的砝码显然要比标清时代重得多。另外,佳能一旦掌握了CMOS从数码相机向摄像机转移的关键技术,也不排除在其消费级标清摄像机上使用自家CMOS的可能性,CMOS的制造成本要低于CCD,这样看来未来佳能在消费级标清摄像机的优势也不可小觑。   
  3CMOS高清摄像机崭露头角
  
  Sony研发3CMOS摄像机的历史可以追溯到2005年初推出的标清DV摄像机DCRPC1000E,这也是Sony开发的第一款CMOS摄像机。
  2006年第四季度,Sony推出采用3片1/4英寸、960×1080像素的CMOS感光器件和HDV磁带记录方式的HDR-FX7E。Sony称FX7E采用的光电转换器件为3 ClearVid CMOS传感器。
  采用对角线1/4英寸,只有960×1080像素CMOS的FX7E让我们感受到了Sony的谨慎。按照Sony的说法,FX7E并非两年前推出的FX1E的升级换代机型,而是并行的两款旗舰机型。采用3片1/3英寸CCD的FX1E体形过于庞大,从诞生之日起就是独立制作人的至爱,但是却让家庭发烧友望而生畏,因此推出体形小40%的FX7E的消费旗舰机型自然有Sony的道理。
  不过,FX7E也为我们留下了一个巨大的想象空间:2007年,Sony Handycam部门还会为FXlE推出升级机型吗7如果采用3片1/3英寸,1920×1080像素的CMOS和目前FX1E采用的72mm口径卡尔·蔡司镜头,画质将得到怎样的飞跃?
  那么佳能是否会在其面对高端消费级用户的市场上推出3CMOS的机型吗?佳能目前发布的3款专业和准专业高清摄像机采用还都是3CCD广电转换器件,按照佳能专业摄像机的市场推广风格,一款摄像机的市场周期一般都在两年以上,因此2007年佳能推出3CMOS高清机型的可能性很小。那么,2008呢?
  这一切都是未知数。
  以上我们盘点了Sony、佳能、松下、JVC、三洋等品牌在高清摄像机光电转换器件领域的2006和2007。我们不能忽略数码摄像机唯一的非日系厂商——韩国三星。至今为止,我们尚未获得三星在高清摄像机领域的更多消息。过去的若干年,三星通过其在电子领域的核心技术与日系数码影像企业进行技术置换,获得了数码摄像机制造领域的“准入证”。但是在消费级高清摄像机市场刚刚启动,利润尚较为可观的年代,日系厂商是否愿意把高清摄像机的核心技术置换给三星,我们还无法预测。而三星是否能依靠其在集成电路制造方面的优势,开发自己的CMOS高清光电转换器件,并在2007年推出高清摄像机,更是无从猜测了。
  本文开宗明义,要从感光器件、压缩方式和存储介质三个方面为大家盘点消费级高清摄像机2006年的发展现状,展望2007。其实除了感光器件、压缩方式和存储介质外,光学镜头对于高清摄像机也极为关键,这里就再多说几句。
  Sony和松下数码摄像机和数码相机多年来就一直“绑定”德国光学名产卡尔·蔡司和徕卡,并获得了不俗的业绩。在高清时代,这种优势互补自然更不能忽视。
  佳能在镜头方面的优势由来已久,HV10就采用了佳能最新开发的10倍光学变焦高清摄像镜头,使用高精度非球面透镜和超级光谱镀膜工艺,有效减少眩光和鬼影。
  JVC在标清时代一直没有透露关于摄像机镜头的技术细节。但是在即将推出的高清机型上将采用FUJINON镜头。该镜头使用3枚非球面透镜,其中1枚采用了高折射率玻璃材料,同时减小了透镜尺寸。另外还采用了“NEW EBC镀膜”,利用真空蒸镀设备在透镜上形成防止反光的薄膜,从而减轻了光斑和鬼影现象。在广播影视领域,FUJINON公司一直是专业高清,标清摄像机镜头的三大制造商之一,与佳能、安琴齐名。看来,JVC也要步Sony和松下的后尘了。
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