作 者 :LARRY THORPE 在 本 系 列 上 一 篇 文 章 中, 我 们 了 解 了 各 种 与 光 线 波 长 无 关 的 光 学 像 差 除 了 这 些 单 色 像 差 外, 还 有 多 种 与 有 色 光 相 关 的 像 差 换 而 言 之, 这 类 像 差 是 与 光 线 的 波 长 相 关 的 这 些 像 差 是 由 某 些 随 波 长 变 化 的 基 本 光 学 属 性 造 成 的 任 何 透 明 的 材 料 都 会 产 生 这 种 现 象 不 存 在 任 何 例 外 (a) 纵 向 色 差 焦 距 受 光 线 波 长 影 响 放 大 倍 率 受 光 线 波 长 影 响 (b) 横 向 色 差 图 1 所 选 RGB 波 长 的 两 种 色 差 ( 为 清 晰 起 见 而 有 所 夸 张 ) 色 差 是 高 清 镜 头 无 法 避 免 的 问 题 对 于 较 小 的 2/3 英 寸 画 幅 更 为 突 出 然 而, 当 这 些 图 像 色 差 被 转 换 为 高 清 摄 像 机 中 多 种 频 带 的 电 子 信 号 并 进 入 精 密 的 数 字 处 理 电 路 中 时, 问 题 才 更 为 严 重 如 上 一 篇 文 章 所 述, 高 清 摄 像 机 是 一 种 固 定 而 严 密 的 系 统 如 果 是 由 镜 头 原 因 造 成 RGB 视 频 信 号 定 时 误 差, 则 摄 像 机 本 身 并 没 有 什 么 有 效 办 法 来 解 决, 许 多 RGB 数 字 处 理 电 路 都 要 应 对 这 个 严 峻 的 现 实 高 清 镜 头 设 计 的 最 大 挑 战 : 色 差 不 同 光 线 的 波 长 在 特 定 的 光 学 材 料 中 具 有 不 同 的 折 射 率 这 会 带 来 不 利 影 响 任 何 透 明 介 质 的 折 射 率 都 会 随 不 同 颜 色 光 线 的 波 长 变 化 这 种 现 象 称 为 色 散 这 样, 单 个 的 镜 头 镜 片 会 对 光 束 中 每 种 颜 色 的 光 线 形 成 一 个 对 应 的 图 像, 进 而 形 高 清 镜 头 设 计 : 1
远 蓝 光 连 续 可 见 光 谱 ( 为 清 晰 起 见, 仅 显 示 两 种 颜 色 ) 远 红 光 绿 光 散 焦 量 图 2 主 要 色 差 的 形 成 : 色 差 镜 头 对 光 谱 中 央 的 绿 光 部 分 聚 焦, 而 可 见 光 谱 的 两 端 明 显 散 焦 散 焦 量 图 3 由 两 个 具 有 不 同 色 散 属 性 镜 片 组 成 的 补 偿 透 镜 组 可 以 对 两 个 波 长 进 行 聚 焦 校 正 成 多 个 图 像 这 种 现 象 在 技 术 上 以 两 种 分 别 定 义 而 物 理 上 又 相 互 关 联 的 像 差 来 描 述 : 1) 纵 向 色 差 表 明 对 于 可 见 光 谱 中 不 同 颜 色 的 光 线, 存 在 于 不 同 的 焦 平 面 2) 横 向 色 差 表 明 由 于 各 种 颜 色 光 线 的 焦 距 不 同, 导 致 相 应 的 横 向 放 大 倍 率 的 差 异 而 这 又 会 造 成 不 同 颜 色 图 像 间 明 显 的 重 合 误 差 图 1 以 简 单 的 图 示 说 明 了 两 种 色 差 的 形 成 对 波 长 频 带 中 心 精 确 聚 焦 ( 一 个 过 零 点 ) 可 见 光 谱 二 级 光 谱 通 过 校 正 可 实 现 对 两 个 波 长 的 精 确 聚 焦 ( 两 个 过 零 点 ) 波 长 的 位 置 纵 向 色 差 当 白 光 通 过 镜 头 的 镜 片 时, 各 种 波 长 的 光 线 由 于 频 率 不 同 而 呈 现 不 同 程 度 的 折 射 这 会 使 整 个 可 见 光 谱 中 不 同 颜 色 的 光 线 聚 焦 在 多 个 焦 平 面 上 图 1 说 明 了 连 续 光 谱 中 三 种 选 定 的 RGB 颜 色 的 纵 向 色 差 对 于 中 央 光 轴 上 的 物 点, 各 种 颜 色 光 线 的 成 像 在 相 同 的 光 轴 上, 但 不 同 波 长 光 线 在 光 轴 上 聚 焦 的 位 置 并 不 相 同 一 般 来 说, 波 长 较 短 的 蓝 光 折 射 率 较 大 因 此, 单 个 镜 片 的 作 用 在 某 种 程 度 上 类 似 棱 镜, 会 将 光 谱 中 的 蓝 光 部 分 聚 焦 在 离 镜 头 最 近 纵 向 色 差 实 际 上 是 一 种 循 迹 误 差 当 镜 头 聚 焦 在 绿 光 波 长 时, 纵 向 色 差 会 导 致 可 见 光 谱 中 的 蓝 光 和 红 光 光 线 散 焦 ( 参 见 图 2) 这 会 导 致 场 景 中 相 应 色 彩 的 细 节 模 糊 以 及 清 晰 的 亮 度 过 渡 中 的 锐 度 降 低 如 果 绿 光 在 摄 像 机 图 像 传 感 器 上 准 确 地 聚 焦, 则 红 光 和 蓝 光 将 会 生 成 弥 散 圆 也 称 为 一 级 光 谱 未 经 校 正 的 镜 片 称 为 色 差 设 计 减 少 色 差 的 最 常 见 方 法, 是 采 用 具 有 相 同 色 散 特 性 而 方 向 相 反 的 不 同 光 学 材 料 组 成 成 对 的 镜 片 组 这 种 镜 片 组 可 以 使 两 种 选 定 波 长 的 光 线 同 时 合 焦 ( 参 见 图 3) 这 种 结 构 称 为 消 色 差 双 合 透 镜 在 对 两 种 波 长 的 光 线 进 行 第 一 级 校 正 后, 剩 下 的 光 线 称 为 二 级 光 谱 ( 参 见 图 3) 可 见 光 谱 中 间 的 绿 光 与 红 光 蓝 光 具 有 很 大 的 差 异 焦 距 越 长 光 圈 越 大, 则 由 二 级 光 谱 产 生 的 色 差 越 明 显 要 想 有 效 控 制 镜 头 色 差, 必 须 采 取 更 高 级 别 的 校 正 措 施 采 用 三 个 具 有 不 同 色 散 属 性 镜 片 构 成 的 镜 头 组, 称 为 复 消 色 差 透 镜 校 正 镜 片 的 数 量 还 可 以 增 加 到 四 个, 这 种 镜 头 组 称 为 超 消 色 差 镜 组 但 是, 增 加 过 零 点 ( 图 3 中 为 两 个 ) 的 数 量 并 没 有 控 制 这 些 过 零 点 之 间 的 颜 色 偏 差 重 要 要 将 二 级 光 谱 控 制 到 可 接 受 的 水 平, 就 需 要 使 用 特 殊 的 光 学 材 料 一 种 萤 石 镜 片 与 低 色 散 镜 片 结 合 可 以 有 效 控 制 中 央 的 绿 光 光 谱 如 今, 还 有 其 他 的 新 型 玻 璃 材 料 可 以 选 择 在 优 化 这 些 校 正 策 略 后, 残 余 的 纵 向 色 差 仍 然 会 随 焦 距 而 变 化 这 也 是 所 有 变 焦 镜 头 面 临 的 问 题 经 过 不 懈 的 努 力, 典 型 的 高 性 能 高 清 演 播 室 镜 头 设 计 可 以 使 这 种 波 动 在 短 焦 距 端 得 到 良 好 控 制, 但 在 长 焦 端 仍 然 难 以 解 决 ( 参 见 图 4) 横 向 色 差 色 散 还 会 导 致 图 像 放 大 倍 率 与 波 长 形 成 函 数 关 系 这 会 造 成 非 常 精 细 的 边 缘 产 生 彩 色 镶 边 和 亮 度 的 调 制 传 递 函 数 值 (MTF) 下 降, 从 而 影 响 总 体 的 图 像 锐 度 这 样 将 会 造 成 实 际 图 像 的 重 合 误 差, 如 图 1(b) 所 示 ( 第 78 页 ) 如 何 最 大 限 度 地 减 小 色 差, 是 所 有 高 清 变 焦 镜 头 设 计 中 最 艰 巨 的 挑 战 2 高 清 镜 头 设 计 :
横 向 色 差 还 导 致 一 级 光 谱 和 二 级 光 谱 的 产 生 我 们 在 设 计 中 采 用 多 镜 片 组 和 特 殊 材 料 来 控 制 二 级 光 谱 同 时 对 现 代 变 焦 镜 头 中 的 纵 向 色 差 和 横 向 色 差 优 化 进 行 整 体 的 控 制, 这 本 身 就 是 技 术 上 的 巨 大 成 就 一 般 来 说, 从 摄 像 机 输 出 高 清 视 频 来 看, 由 于 摄 像 机 RGB 视 频 处 理 系 统 继 发 效 应 的 影 响, 在 主 观 上 横 向 色 差 效 应 比 纵 向 色 差 更 为 明 显 横 向 色 差 从 图 像 中 心 到 边 缘 逐 渐 增 强 一 般 在 选 定 的 3.3mm 图 像 高 度 处 测 量 横 向 色 差 ( 参 见 图 5) 在 镜 头 所 有 的 像 差 中, 横 向 色 差 是 最 令 人 难 以 容 忍 的 即 使 是 采 用 当 今 最 严 格 公 差 制 造 的 镜 头, 主 观 上 仍 然 可 以 看 到 明 显 的 横 向 色 差 图 6 显 示 了 关 于 当 代 2/3 英 寸 高 清 演 播 室 镜 头 中 横 向 色 差 的 一 些 严 格 的 规 格 当 镜 头 镜 片 移 动 时 ( 变 焦 和 聚 焦 中 ), 这 种 色 差 更 加 难 以 控 制 在 变 焦 操 作 过 程 中 玻 璃 镜 片 发 生 移 动 时, 横 向 色 差 将 随 焦 距 改 变 而 变 化 ( 参 见 图 7) 横 向 色 差 通 常 在 广 角 端 最 大 色 差 与 镜 头 - 摄 像 机 系 统 我 们 很 早 就 已 经 认 识 到, 镜 头 与 摄 像 机 棱 镜 光 学 结 构 构 成 了 非 常 复 杂 的 光 学 系 统 幸 好, 在 2 / 3 英 寸 的 1 6 : 9 画 幅 成 为 高 清 摄 像 机 和 摄 录 一 体 机 主 流 光 学 格 式 之 前, 这 种 复 杂 性 就 已 经 得 到 了 非 常 及 时 的 处 理 除 了 对 镜 头 - 摄 像 机 分 辨 率 和 色 彩 还 原 的 考 虑 外, 所 有 的 摄 像 机 与 镜 头 制 造 商 都 深 刻 地 认 识 到 色 差 是 一 种 无 法 完 全 消 除 且 又 令 人 遗 憾 的 缺 陷 在 二 十 世 纪 八 十 年 代 后 期, 广 播 技 术 协 会 (BTA) 的 摄 像 机 制 造 商 与 光 学 器 件 制 造 商 共 同 合 作, 解 决 了 2/3 英 寸 高 清 摄 像 机 与 镜 头 的 各 种 接 口 包 括 光 学 机 械 和 电 气 接 口 的 问 题 该 研 究 还 包 括 设 法 解 决 纵 向 色 差 横 向 色 差 及 其 随 焦 距 变 化 的 问 题 此 标 准 中 的 一 个 关 键 规 格 是 对 48mm 的 精 确 定 位 截 距 尺 寸 达 成 一 致 ( 为 适 应 未 来 棱 镜 光 学 结 构 的 发 展 而 设 计 ) 另 一 个 规 格 是 相 对 于 绿 光 图 像 传 感 器, 红 光 (10 微 米 ) 和 蓝 光 (5 微 米 ) 图 像 传 感 器 路 径 长 度 的 偏 移 ( 参 见 图 8) 这 些 特 定 的 数 值 是 多 家 光 学 制 造 商 在 对 多 种 变 量 长 期 研 究 之 后, 对 各 自 设 计 进 行 平 衡 取 舍 后 取 得 的 虽 然 这 并 不 是 最 完 美 的 解 决 方 案, 但 毕 竟 在 一 定 程 度 上 解 决 了 色 差 问 题 这 种 折 中 方 案 是 高 清 镜 头 能 够 在 所 有 2/3 英 寸 图 像 平 台 的 高 清 摄 像 机 ( 无 论 哪 个 制 造 商 ) 上 实 现 互 换 的 重 要 条 件 横 向 色 差 与 高 清 摄 像 机 处 理 散 焦 (mm) 图 4 高 清 变 焦 镜 头 红 光 和 蓝 光 波 长 的 纵 向 色 差 随 焦 距 变 化 这 种 色 差 一 般 在 长 焦 端 最 大 红 光 横 向 色 差 =h/h 横 向 色 差 最 为 隐 蔽 的 问 题, 在 于 其 对 高 清 摄 像 机 的 RGB 视 频 处 理 系 统 造 成 的 影 响 镜 头 的 横 向 色 差 会 导 致 在 精 确 安 装 的 图 像 传 感 器 上 生 成 三 个 具 有 相 关 差 分 物 体 距 离 : 光 圈 系 数 : 峰 值 波 长 : 焦 距 (mm) 图 像 高 度 (H) 图 5 在 2/3 英 寸 的 16:9 画 幅 中 特 定 的 3.3mm 图 像 高 度 处 测 量 横 向 色 差 ( 为 清 晰 起 见 而 有 所 夸 张 ) 定 时 误 差 的 视 频 信 号 这 是 数 字 高 清 摄 像 机 在 某 种 条 件 下 无 法 避 免 的 差 分 RGB 定 时 误 差 1.5-3.0-6.0 米 全 开 红 光 605nm 绿 光 535nm 蓝 光 450nm 图 9 说 明 了 这 种 现 象 的 产 生 原 理 假 定 镜 头 - 摄 像 机 对 白 色 背 景 进 行 拍 摄, 在 横 向 色 差 通 常 出 现 的 图 像 边 缘 位 置 有 一 小 块 黑 色 区 域 由 于 红 光 和 蓝 光 波 长 的 放 大 倍 率 比 绿 光 大, 白 色 和 黑 色 之 间 所 有 的 光 学 过 渡 都 将 受 到 影 响 而 由 此 产 生 的 存 在 定 时 误 差 的 镜 头 光 学 输 出, 现 在 由 摄 像 机 高 清 镜 头 设 计 : 3
蓝 光 横 向 色 差 红 光 横 向 色 差 图 6 以 两 个 具 有 0.6% 重 合 误 差 的 圆 为 参 考, 来 说 明 现 代 高 清 演 播 室 镜 头 的 横 向 色 差 大 小 实 际 的 红 光 和 蓝 光 色 差 计 算 结 果 如 图 所 示 图 像 高 度 百 分 比 图 7 此 处 说 明 了 高 清 演 播 室 变 焦 镜 头 的 横 向 色 差 随 焦 距 改 变 而 变 化 这 种 色 差 一 般 在 广 角 端 最 大 镜 头 安 装 参 考 平 面 典 型 演 播 室 高 清 镜 头 最 外 镜 片 平 面 两 个 圆 具 有 0.6% 的 重 合 误 差 ( 仅 为 示 意 ) 物 体 距 离 : 光 圈 系 数 : 峰 值 波 长 : 焦 距 (mm) 绿 光 图 像 平 面 图 像 高 度 1.5-3.0 米 F/4.0 红 光 605nm 绿 光 535nm 蓝 光 450nm BTA S-1005-A 高 清 标 准 图 像 传 感 器 转 换 成 数 字 RGB 信 号 一 条 穿 过 图 9(a) 所 示 的 黑 色 方 块 的 扫 描 线, 将 产 生 水 平 的 白 到 黑 过 渡 的 视 频 图 像, 然 后 是 黑 到 白 过 渡 图 像, 如 图 9(b) 所 示 假 定 沿 图 像 边 缘 方 向 色 差 逐 渐 增 大, 则 第 二 个 黑 到 白 过 渡 图 像 的 延 迟 将 轻 微 增 大 当 随 后 三 个 RGB 视 频 分 量 经 过 混 合 形 成 Luma Y 信 号 时, 白 到 黑 到 白 过 渡 图 像 将 前 后 带 上 颜 色 前 面 为 蓝 色 - 品 红 过 渡, 后 面 为 绿 色 - 黄 色 过 渡 在 实 际 中, 由 于 过 渡 具 有 有 限 的 上 升 时 间 ( 随 数 字 视 频 系 统 有 限 带 宽 增 加 ), 其 边 缘 会 带 上 更 多 色 彩 这 时, 就 可 以 明 显 地 看 到 二 级 光 谱 的 影 响 在 原 始 白 到 黑 到 白 的 场 景 所 要 求 的 亮 度 再 现 上 增 加 了 彩 色 镶 边 在 数 字 RGB 处 理 系 统 中 进 行 多 种 视 频 处 理 时, 极 易 受 三 种 视 频 信 号 之 间 差 分 定 时 误 差 的 影 响, 使 上 述 情 况 更 加 严 重 这 些 电 路 可 以 将 这 三 种 信 号 相 加 或 相 减 包 括 线 性 矩 阵 ( 用 于 色 度 控 制 ) 图 像 细 节 ( 用 于 锐 度 增 强 ) 和 差 分 数 字 滤 波 ( 当 形 成 Y R-Y 和 B-Y 分 量 信 号 时 ) 不 幸 的 是, 相 关 的 定 时 误 差 在 水 平 和 垂 直 方 向 都 会 出 现 ( 这 里 需 要 进 行 不 同 的 RGB 处 理 ) 必 须 指 出, 这 些 误 差 并 非 是 由 高 清 摄 像 机 产 生 的, 而 是 由 镜 头 造 成 的 摄 像 机 无 法 避 免 地 要 对 镜 头 造 成 的 差 分 误 差 进 行 转 换 影 响 这 些 摄 像 机 电 路 的 初 始 镜 头 误 差 与 摄 像 机 本 身 的 特 定 设 置 调 整 的 综 合 作 用, 将 会 影 响 彩 色 镶 边 的 大 小 和 主 观 清 晰 度 其 清 晰 度 在 很 大 程 度 上 取 决 于 图 像 的 内 容 幸 好, 根 据 我 们 丰 富 的 经 验, 多 数 场 景 都 不 易 产 生 色 差 在 演 播 室 布 景 中 拍 摄 的 高 清 视 频 中, 看 到 的 色 差 主 观 上 并 不 明 显 ( 尽 管 有 时 会 出 现 ) 尽 管 色 差 的 确 可 能 存 在, 但 通 常 人 眼 在 较 大 的 高 清 屏 幕 上 还 是 很 难 看 出 来 的 另 一 方 面, 在 室 外 使 用 广 角 端 拍 摄 时, 偶 尔 会 遇 到 高 对 比 度 的 景 物, 其 色 差 在 高 清 监 视 器 上 会 特 别 明 显 对 于 较 小 的 2/3 英 寸 高 清 画 幅, 这 些 缺 陷 从 统 计 学 角 度 看 有 时 会 出 现 色 差 只 是 这 些 现 实 问 题 之 一, 几 乎 没 有 办 法 消 除 镜 头 制 造 商 将 继 续 全 力 应 对 这 一 挑 战, 设 法 解 决 这 个 光 学 难 题 后 焦 距 定 位 截 距 48mm 摄 像 机 参 考 焦 平 面 图 8 对 所 有 2/3 英 寸 高 清 摄 像 机 标 准 化 的 红 光 和 蓝 光 图 像 传 感 器 的 物 理 偏 移 1994 BTA S-1005-A 标 准 Larry Thorpe 是 佳 能 美 国 广 播 器 材 产 品 部 的 市 场 总 监 总 结 横 向 色 差 对 于 2/3 英 寸 画 幅 的 高 清 系 统 仍 然 是 一 项 最 艰 巨 的 挑 战 对 于 这 种 较 小 画 幅, 当 前 的 技 术 规 4 高 清 镜 头 设 计 :
格 无 疑 是 一 个 卓 越 的 成 就, 也 是 过 去 几 十 年 来 光 学 设 计 发 展 的 有 力 证 明 然 而, 在 某 些 拍 摄 条 件 下, 还 是 会 在 高 清 图 像 的 边 缘 产 生 彩 色 镶 边 在 对 各 种 摄 像 机 和 镜 头 进 行 合 理 评 估 时, 多 种 镜 头 - 摄 像 机 改 进 方 法 都 设 法 解 决 该 问 题, 结 果 却 常 常 令 人 沮 丧 即 使 在 苛 刻 的 测 试 条 件 下, 各 种 镜 头 和 摄 像 机 组 合 也 只 能 改 变 出 现 彩 色 镶 边 影 响 的 类 型 尽 管 各 大 制 造 商 采 用 不 同 的 色 差 处 理 优 化 策 略 的 镜 头 设 计, 但 无 论 哪 种 方 案 都 无 法 彻 底 摆 脱 色 差 问 题 而 不 同 高 清 摄 像 机 RGB 视 频 处 理 中 的 数 字 设 计 策 略 虽 然 可 以 改 善 一 些 转 换 效 果, 却 还 是 不 能 彻 底 消 除 由 镜 头 色 差 造 成 的 图 像 问 题 在 这 种 困 境 下, 明 智 做 法 是 在 各 种 镜 头 和 摄 像 机 经 常 使 用 的 环 境 中 进 行 测 试, 在 最 可 能 的 场 景 照 明 条 件 焦 距 范 围 光 圈 设 置 及 摄 像 机 视 频 处 理 设 置 下, 详 细 地 检 查 这 些 问 题 如 果 可 以 在 最 终 使 用 系 统 的 布 景 下 进 行 拍 摄, 测 试 效 果 会 更 好 (a) 16:9 光 学 图 像 (b) RGB 水 平 显 示 扫 描 线 (c) 监 视 器 上 显 示 的 经 矩 阵 处 理 的 Y 信 号 图 9 白 到 黑 过 渡 之 后 的 黑 到 白 过 渡 周 围 的 彩 色 镶 边 ( 为 清 晰 起 见 而 有 所 夸 张 ) 高 清 镜 头 设 计 : 5