电子媒体技术演绎

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图像采集设备的发展[二]

在第一回中，我们重温了图像格式的变迁。图像采集设备是电子图像的源头，伴随着图像格式的演化，图像采集设备也得到了长足的发展。

1873年，人们发现了硒的电导会随其受到的照度的变化而变化，这是一个伟大的发现，它将光与电这两个物理现象更为紧密地联系了起来，而此前，人们只是了解到电能可以转换为光能。同时，这一发现也为电子影像的诞生埋下了伏笔。

从扫描圆盘到飞点扫描器

1884年，德国学生Paul Gottlieb Nipkow设计出第一种机电式电视系统。如图所示，该系统的核心装置为一个扫描圆盘(后来被称为Nipkow盘)，几十个等间距的小孔呈螺旋状排列在圆盘上。若在圆盘前放置一个光学镜头，使镜头前的物体成像于圆盘上，并于圆盘后方放置一个光电传感器，当圆盘匀速旋转时，这些圆孔会逐一经过传感器表面，留下一行接一行的轨迹。由于传感器具有光敏特性，其电导会随着透过小孔的光线强度的变化而变化，经放大即可以电信号传输出去。此时，如果另有一个相同的圆盘以相同的速率与方向与前述圆盘同步旋转，且另有一个受前者所发电信号控制的光源，那么，光源发出的光透过相应的光学镜头，再结合圆盘上运动的小孔，就会在另一侧以一行接一行的方式成像。如果圆盘以足够快的速率旋转，则可以形成一幅幅看似连续的图像。

使用Nipkow圆盘可设计出结构非常简单的图像采集与还原设备。例如，光电转换元件只要一个光敏二极管或光敏电阻器即可，圆盘的旋转只需一个电动机，而且由于扫描线是连续的，所以分辨力较高。此外，使用Nipkow圆盘的图像还原装置与采集装置极为相似，只需将光电转换元件替换为发光强度可控的光源，再设法将两个圆盘的旋转同步即可。

但不可否认的是，Nipkow圆盘也有一些缺陷。例如，由于Nipkow盘呈圆形，旋转的小孔留下的轨迹并非一条条直线，而是曲线，因此，理想的Nipkow盘要么拥有很大的直径，要么拥有很小的窗口，要么使这些小孔尽量靠近圆盘的边缘，以获得尽可能平直的扫描线。在实际使用中，直径为30厘米至50厘米的Nipkow圆盘仅有30至50个孔，即图像有30至50条扫描线组成，而且图像很小。

NIpkow圆盘可将光像分解，并以时间顺序发送，实现了人类历史上零的突破。此后，相继有人按照此原理设计出了实用的机械电视系统，但大多会用到一个旋转的鼓，鼓上有小孔或安装有反光镜。除此之外，一种被称作飞点(flylng spot)的方法也曾用于电视节目制作。飞点法要求被摄者处于全黑的演播室中，而后用一个很窄的光束去照射，在被摄物体上形成一个亮点，将光束通过旋转的Nipkow圆盘，即可实现由左至右、由上及下的有规律的飞点扫描，频率可达到或超过16次／秒。由被摄者反射回来的光会被一排光电传感器获取，可获得较强的电信号输出，改善了当时传感器灵敏度低的问题。因飞点法要求全黑的演播环境，节目无法在室外进行录制，因此，直到1935年与1938年，英国广播公司与德国停止了飞点扫描方式的使用。

机械电视为影像技术的实用化做出了不可磨灭的贡献，同时其创造的“扫描”的概念也为电子影像的发展奠定了基础，在现代的DLP投影显示与激光打印等技术身上都不难发现机械扫描的影子。

从真空摄像器件到固态影像传感器

1927年，美国发明家Philo Taylor Farnsworth演示了他的全电子电视装置，并申请了专利。该装置利用了一种称作光电析像管(image dIssector)的器件来采集影像，所谓光电析像管实际上是阴极射线管(cRT)的一种，它可将被摄物体成像于一层氧化铯材料上，这种材料受到光的照射会发射出电子，电子的数量与入射光的强度成正比，其中一小部分电子流在电磁场作用下r通过一个孔到达电子收集板，通过聚焦及偏转，电子束即可按照一定的顺序一点一点、一行一行地完成对整个图像的扫描。这是真正意义上的全电子扫描。之后，Farnsworth不断改进他的装置，1929年，他的全电子电视系统的清晰度超过了当时的机械电视系统。但由于灵敏度较低一不话合电视广播应用，因此光电析像管主要用于胶片扫描。

同年，美籍俄罗斯发明家Vladlml r Kozmlch Zworykin改进了Farnsworth的设计，发明了映像管(Iconoscope)，并与1931年申请了专利。与析像管不同，映像管将图像投射到一个覆盖有光电发射材料的成像面上，这些光电转换材料的颗粒呈马赛克状排列，与人眼视网膜上的视觉细胞类似，每个颗粒的光电子发射数量与入射光的量成正比。在成像面的后方还有一块导电板，这两层材料构成了一个个电容器，由电子枪发出的电子束会一个接一个地扫描所有电容器，扫描所得的金属板的电势变化便组成了图像信号。与Farnsworth的析像管相比，Zworykin的映像管更容易制造，其灵敏度约为析像管的1000倍，清晰度也大幅提高。

1936年，英国的Lubszlnsky与Rodda为他们发明的移像光电摄像管(super Emitron或ImageIconoscope)申请了专利。移像光电摄像管采用靶面前方的阴极照射来收集光电子，解决了困扰映像管的电子云问题。后来，又出现了采用第二个环形阴极的RieseI映像管，其灵敏度为普通映像管的10倍，但仅在欧洲大陆使用。

1938年，美国无线电公司(RCA)的Hatley Ambrose lams与Alberts Rose开发了正析摄像管(orthicon)，乍看起来，正析摄像管似乎是一种简化的映像管，但其制造过程要比制造映像管复杂得多。1940年，正析摄像管被用于实现第一次电视广播。几年后，超正析像管(imageorthicon)出现，这种器件结合了光电析像管与正析摄像管的技术，采用电子方式直接读取并连续收集电荷，可避免靶面的其它部分引入的干扰，同时获得极为精细的图像。一只质量良好的超正析像管可在烛光下工作，这得益于更为有序的光敏区域与电子增倍器的出现，这种增倍器相当于高效放大器。此外，超正析像管的光敏特性呈对数函数形状，与人眼类似，因此图像看起来更自然。然而，一旦演播室中一个有光泽的物体反光时，图像中的物体周围就会出现黑色光晕。超正析像管被广泛使用于早期彩色电视摄像机中，这种器件的高灵敏度可在一定程度上弥补光学系统的不足。

1950年，视像管(Vidicon)诞生，这是一种以三硫化二锑为靶面材料的电荷存储型摄像管，其工作原理与其它类型的摄像管相同。由于视像管的感光层非常薄，所以当节目播出或录制现场有较强的空气震动(如摇滚乐，射击或爆炸等)时，感光层可能会变形，从而在图像上产生一系列的水平条纹，这种现象称为视像管颤噪现象(VIdicon microphony)。视像管的成本较低，便于大规模生产与普及，克服了超正析像管过 于昂贵的问题。20世纪70年代末，采用小型视像管的消费用摄像机出现。

Plumbicon(氧化铅摄像管)是荷兰飞利浦公司的注册商标。这种摄像管的特点是输出低而信噪比高，其清晰度比超正析像管高，主要面向电视摄像机应用。但氧化铅摄像管缺乏超正析像管的锐化伪边缘，因此一些观众认为其采集的图像偏软。美国哥伦比亚广播公司实验室首创了外置边缘增强电路以改善氧化铅摄像管的这种效果。

Saticon(硒砷碲视象管)是日本日立公司的注册商标。早期，硒砷碲视象管的清晰度比氧化铅摄像管高，但1980年后，随着二极管电子枪(diode gun)的出现，这两种摄像管都能可满足广播标准的需要。与硒砷碲视像管相比，氧化铅摄像管对强光引起的漫射、拖尾等的抑制能力更强，法国汤姆逊(Thomson)、德国Heimann与日本索尼(sony)也生产硒砷碲视像管。

此后，全球许多公司相继设计出了各种改进型的摄像管，如日本松下的碲化锌镉视象管(Newvlcon)、日本索尼的彩色摄像管(Trlnlcon)、德国Heimann的硒化镉摄像管(Pasecon)，日本Hamamatsu的硒化镉摄像管(chalnicon)、德国Heimann的光阻摄像管(Reslstron)，法国汤姆逊的Primicon与美国TeItron的X-con等等。直至现在，在医疗、工业与军事领域，仍可以发现摄像管的影子。

摄录一体机的出现对摄像机的体积、质量、功耗等都提出了更高的要求，也正在此时，固体影像传感器走进了人们的视线。1969年，贝尔实验室的Willard Boyle与George E Smith发明了CCD(电荷耦合器件)。1970年，贝尔实验室已经研制出了线性CCD，欧美与日本等发达国家的企业也相继投入到CCD的设计与生产中来。在此后的30余年时间里，CCD的结构设计与生产工艺也得到了长足的发展。在形状方面，既有直线型，也发展出了面阵列型；在电荷存储与转移的机制方面，出现了IT(行间转移)、FT(帧间转移)与FIT(帧行间转移)；在光电转换效率方面・片上透镜的出现与不断缩小的像素间距都可以提高光能的利用率；在像素数量方面，业已出现数量接近一个亿的产品；在半导体制造工艺方面，也出现了许多新技术，可显著改善拖

实际上，在CCD诞生之前，MOS就已经出现了。1 963年，仙童半导体公司(Fai rchiIdSemiconductor)的Frank Wanlass发明了CMOS(互补金属氧化物半导体)，1968年，RCA制造出了第一枚CMOS集成电路。现在，CMOS已经称为制造集成电路的主流技术。此外，随着影像采集设备对体积、质量、功耗、速度、成本等不断提出新的要求，使用CMOS技术制造固体影像传感器也已经成为一种趋势。

从黑白到彩色

由于真空与固体传感器都只能感应光的强弱，因此，早期的电视摄像机都是黑白摄像机，只能获取灰度图像。后来，在颜色科学与电子技术基础上，摄像机普遍采用二色性的滤光片(dichroic filter)或三色棱镜(trichroic prism)将来自镜头的自然光分解为红、绿、蓝三种基色，分别进行感应或处理，这种方式可得到相对准确的色彩还原、较高的光能利用率与较高的清晰度。但不可回避的是，上述色彩分离方式需要三个相同的传感器，而且空间的相对位置需要严格对准，加上棱镜等因素，系统的整体成本之高使之很难普及。因此，人们找到了另一种解决方案。

在摄像管时代，索尼设计了采用电子指引相位分离方式的彩色摄像管――Trinicon，它使用垂直排列的红、绿、蓝三种彩色条纹滤色器，在光学上实施了彩色编码，在后期处理时要进行相应的解码。在固态摄像器件时代，单片CCD或CMOS上都可以附加一层滤色矩阵(CFA)，在该矩阵上，不同颜色的滤色片呈马赛克状排列，每一个小色块对应一个像素，后期处理时需要解马赛克(demosaic)处理。

从模拟到数字

20世纪90年代前，绝大多数摄像机都是模拟摄像机，即模拟处理，模拟输出。随着数字图像处理算法、数字图像处理技术以及半导体芯片的进步，加之CCIR 601／656等标准的逐步推广，数字处理。数字输出的摄像机渐成主流。除了极小一部分不便于采用数字处理的步骤，现在的摄像机产品已将大部分处理工作集成到一枚专用芯片(如ASIC)中。而且，数字处理不仅可以抑制噪声的干扰，更可以实现许多模拟处理无法完成的工作。目前，部分高清摄像机产品的数字处理精度已达到14比特。

从标清到高清

普及HDTV的首要任务是节目的积累，而高清晰度电视节目的来源除了少数电影外，大多数都离不开电视摄像机。由于日本是较早启动高清晰度电视技术研发的国家，因此高清晰度电视摄像机也是从日本起步的。

1984年，索尼开发了使用1英寸硒砷碲视象管的高清晰度摄像机HDC-100，1988年，索尼又推出了更为小巧的第二代高清晰度摄像机HDC-300；1992年，索尼将CCD带入了高清晰度时代，推出了采用1英寸高清CCD的HDC-500；1998年，索尼又推出了采用2／3英寸CCD的数字化高清摄像机HDC--700。

与此同时，其它厂家也生产出了类似产品，高清摄像机已不再神秘。

摄像机的小型化

摄像机的小型化意味着小型、轻量、低功耗，低成本，这不仅是摄像机走进消费电子领域的必经之路，同时也是野外电视广播与ENG制作所期待的。

对不含图像记录机构的纯摄像机来说，摄像机小型化意味着光学器件、摄像器件与电路的小型化，前两者是相辅相成的，而电路的小型化主要依靠不断提高电路的集成度来实现。在摄像管时代，从144毫米的映像管到3英寸超正析摄像管，从1英寸硒砷碲视象管到2／3英寸视像管，摄像器件的小型化趋势非常明显。在固体摄像器件时代，CCD／CMOS传感器的尺寸更是从早期的2／3英寸、1／2英寸规格，发展为如今的1／3英寸，1／4英寸甚至更小规格。传感器的小型化可以带动镜头、滤光片等光学组件的小型化，加之单片传感器的色彩分离方式的采用，手持式小型摄像机已不再是鸡肋。

对含有图像记录机构的摄录一体机来说，还要牵扯到记录机构的小型化问题，有关电子图像记录装置的发展，且听下回分解。