ccd数码相机教程 高清摄像面面观

摄像功能在之前的《数码相机入门》系列里是一个真空区域。随着数码相机的摄像功能在实际应用中被越来越看重，和摄像有关的名堂越来越多，高端相机的摄像功能越来越专业，我们觉得有必要对相关知识做一个全面科普，供广大入门消费者参考。本篇侧重介绍相关基础概念，后续还会给出选购策略方面的参考意见和建议。

照相机上越来越丰富的专业摄像功能

视频分辨率

首先我们要知道，动态视频画面本质上是由若干幅静态画面所组成的，每一幅静态图像以何种分辨率保存那么这段视频的分辨率就是多少，它决定了视频的清晰度或者说精度。为了便于制作和传播，行业内对视频拍摄及播放的分辨率和其他制式制订了各种标准；进入数字时代后，民用领域的视频画面比例确立为16:9，画质按清晰度分为标清（SD）、高清（HD）、全高清（FHD）、超高清（UHD）等。相比文字描述，直接用数字来注明分辨率会更加直观，也是专业领域的通行做法——4K是指4096×2160或3840×2160分辨率、1080是1920×1080、720是1280×720。按照分辨率指标可以测算出单幅画面的像素总量，4K是829-885万像素，1080是207万像素，720只有92万像素。理论上，分辨率越高视频所呈现的效果越清晰、画面越精细，不过分辨率与清晰度的关系必须结合视频回放屏幕的尺寸来看，在手机上4K和1080的画质差距可能并不那么大，但随着屏幕尺寸的增加，差异会越发显著。

480p、1080p和4K视频在同尺寸屏幕上的清晰度对比示意图

需要注意的是，画面在分辨率方面的差异，只是视频拍摄和播放效果的一个方面，还有其他各种因素会对最终观赏体验产生影响；虽然现在大部分数码相机都标榜支持4K，但不同机型、不同参数下的最终拍摄效果会有明显的差别。

目前市售数码相机在视频分辨率方面的主流规格是最高支持4K、兼容1080p，只有极少数型号不支持4K。部分高端型号宣称支持分辨率为4096×2160的DCI 4K（C4K），这是由好莱坞七大电影公司组成的数字电影推进联盟（Digital Cinema Initiatives）所制定的标准，主要应用于数字电影领域。大部分相机采用的是国际电信联盟所规范的UHDTV 4K标准，分辨率是3840×2160，主要应用于民用电视领域。显然，DCI 4K要比UHD 4K略宽一些，前者的长宽比为1.9:1（17:9）、后者是16:9，如果在16:9的电视机或显示器上观看DCI 4K视频时，屏幕上下方不可避免会出现两条黑边。有部分支持DCI 4K的相机也能支持UHD 4K，用户可以自行选择分辨率。

2012年国际电信联盟制订的超高清电视标准除了出台UHDTV 4K标准外，还明确了UHDTV 8K视频的分辨率为7680×4320，其像素总量将达到惊人的3318万，8K的任务是取代4K成为下一代超高清摄像标准，主要影像厂商已经开始聚焦该领域，支持8K摄像功能的数码相机正式面世已为期不远。

各类视频分辨率规格示意图

帧率

视频本质是一组连续拍摄的静态图像，我们将这一组图像中的每一幅静态画面称为一帧，如果一秒内录制或播放的静态图像为24幅，那么其帧率就是24帧/秒，即24fps。在日常表述中经常会吧帧率和分辨率放在一起展示，中间用斜杠隔开，譬如4K/30p、1080/50i，斜杠后面的“30”和“50”就是帧率，数字后面的“p”是指逐行扫描（progressive），“i”是指隔行扫描（interlaced）。进入4K时代后，模拟电视机采用的隔行扫描技术已被弃用，这里就不再对此概念做具体展开。

帧率会对视频的流畅度产生影响。胶片电影时代的拍摄和播放速度在上世纪30年代被固定为每秒24格胶片（既24帧），此后该标准被一直沿用。一般认为，24帧可以满足人眼对于动态画面流畅度的基本要求。随着技术发展，有些电影开始尝试使用更高的帧率（譬如48帧）拍摄，这被认为有利于提高大动态、高速度画面场景下观影体验。帧率与视频的数据量通常成正比，高帧率视频文件的体积会相对较大。

不同的相机在各种分辨率下所能支持的帧率不尽相同。目前大多数具备4K摄像功能的相机一般都支持24p（含23.98p）、25p、30p（含29.97p）这几种常用帧率，以适应相应的频率制式，部分高端机型可以支持50p和60p（含59.94p）；极少数入门级相机只能实现4K/15p，在此规格下拍摄的视频显然会不太流畅，基本不具备什么实用价值。在1080分辨率下，最高60p已是新一代相机的常规配置，部分机型可以实现120p。中高端相机一般都会提供100fps、120fps甚至更高帧率的慢动作模式（或称为“升格视频”，松下相机上叫做VFR功能），以上述帧率拍摄后用25fps或30fps的速度进行回放，从而实现高速运动画面的慢速平滑回放。

数码相机菜单里的视频分辨率、帧率选择

对于家用普通拍摄场景，24p至30p的帧率都是适用的；如果拍摄题材是高速运动场景，选择更高的帧频也是有好处的。就目前市面上的产品而言，支持4K/50p、4K/60p的相机普遍定位较高，如果预算不足以购买这类高端相机，又希望在拍摄运动场景时获得较为流畅的效果，可以在分辨率上退而求其次，选择1080/60p。需要注意的是，某些型号较老的液晶电视机屏幕刷新率可能达不到60Hz，将无法正常回放用60帧帧率拍摄的视频。

视频文件的编码

理论上，视频的画面品质是由每一帧静态图像的品质所决定的，但实际情况没有那么简单——随着拍摄时长的不断增加，视频文件的数据量会越变越大，为了减轻数据存储的压力，就需要对它按照一定的编码规则进行压缩；虽然芯片以及存储技术在不断升级，但视频的分辨率也在逐渐提高，所以视频编码不仅要与之相伴还在不断进步。由于不同的编码算法和压缩率会对视频画质造成程度不一的破坏，所以它们成为除去分辨率和帧率之外，另一个会影响视频效果的关键要素。

数码相机上常用的视频编码方式有MotionJPEG、H.264/AVC、H.265/HEVC。MotionJPEG的压缩率较小，输出的文件比较大，只有少数品牌还在坚持使用。H.264/AVC是目前的主流编码格式，索尼所使用的XAVC、XAVC S、AVCHD等编码方式本质上也是基于H.264/AVC优化而来的；在H.264/AVC基础上加以改进并具有更高压缩效率的H.265/HEVC也已经在部分机型上应用，未来应该会更加普及。

在某些相机上，如果用户选择H.264/AVC、H.265/HEVC编码，厂家会提供“ALL-I（ALL-Intra）”和“IPB”高低两种压缩模式选项；在松下机型上类似“IPB”的技术被称为“LongGOP”。简单来说，ALL-I是帧内压缩，IPB/LongGOP是帧间压缩；帧内压缩是指对视频里的每一帧画面独立进行压缩（上节提到的MotionJPEG也是一种帧内压缩方式），帧间压缩则是根据帧与帧之间的关系，通过算法对图像信息进行取舍，从而获得比“ALL-I”更大的压缩比。帧内压缩虽然压缩比相对较低，但图像信息保留的相对完整，后期余地也会更大一些；而帧间压缩的最大优势是节约存储空间。对于家庭用户的普通应用，使用IPB/LongGOP是完全没有问题的。

YCbCr色度采样（也叫：色度取样、色度抽样）是视频编码里另一个重要概念。简单来说，它是一种针对数字视频色彩元素的采样编码方式，用特定的数字排列组合来表示采样率。不同的采样率会对画面的色彩品质造成程度不一的影响，好处是可以为视频文件减肥，所以我们也可以认为它是一种压缩。在这套标准的常用规格里，YCbCr 4:4:4代表完全采样，主要用于专业领域；准专业和非专业领域常用的是YCbCr 4:2:2、4:2:0、4:1:1。这些数值的具体含义解释起来比较复杂，我们不做展开，大家只需要知道，相比4:2:0和4:1:1，4:2:2采样对色彩造成的损耗最少。目前只有少数高端数码相机能够支持4:2:2/10bit。这里的bit是色深的量化指标，在色彩细腻程度上10bit相比8bit有明显的优势，最典型的是渐变色的过渡会显得更加自然。有些相机虽然不支持4:2:2/10bit，但支持4:2:0/10bit。

松下官网对4:2:2 10bit色度采样优势的图解

在目前支持4:2:2/10bit的机型上，厂家会在特定的编码模式下使用它，并非覆盖所有格式，所以如果想通过4:2:2/10bit获得良好的色彩还原，不仅要选择支持它的相机，而且在拍摄前务必要选对编码方式。另外需要注意的是，有些相机只支持4:2:2/10bit输出到外部HDMI设备，并不能实现该规格的内录；有些相机则需要消费者支付额外的费用才能支持4:2:2/10bit内录功能。

某相机视频编码规格明细表

分辨率、帧率、编码方式和色度采样等因素都会对视频文件的容量产生影响，行业内用“帧率”来计量视频文件在单位时间内的数据量，单位是Mbps。100Mbps即为每秒传输100兆bit的视频数据，换算为字节大约是12.5MB/秒。有些高端型号相机在拍摄4K/60p或50p视频并采用低压缩比的MotionJPEG编码时，码率高达800Mbps左右，这会就对使用的存储卡速度提出极高的要求，如果存储卡速度不达标，拍摄质量可能会出现问题。假如希望尝试超高品质摄像，选择符合要求的高速度、大容量存储卡是有必要的。有些相机会提供不同的码率档位选项，供用户自由选择。

视频画幅（摄像视野）

数码相机在拍摄视频时获得的画面视野可能要比拍摄照片时窄一些，这个问题在某些手机上也是存在的，其实是由于设备在拍摄照片时使用的是传感器的全部面积，在拍摄视频时可能只使用局部面积。譬如佳能某些支持4K功能的全画幅相机，在拍摄4K影像时，机器使用的是传感器中央3840×2160或4096×2160区域的面积，由此形成了约1.74倍的焦距裁切系数。佳能将这种4K采样称为“点对点”模式，也就是CMOS特定区域内的每一个像素点对应4K视频的全部像素点，这种方式简单易行，对相机的数据处理和CMOS热量控制要求也不高，但缺点也是显而易见的——因为出现了裁切系数，所以假设拍摄时使用的是一颗50mm的标准镜头，视频画面的视野会收窄到87mm（50mm×1.74）镜头下的范围。

并非所有相机的4K摄像都采用这类“点对点”模式，有些型号的产品以“跳行采样”的方式避免视角缩小的问题。“跳行采样”模式下，传感器上也只有部分像素点参与视频成像，但成像区域不是集中在中央区域；还有一种“像素合并采样”的方法也可以起到同样的效果。使用上述两种采样方式能完整利用传感器的宽度，也就不存在镜头焦距裁切系数。这也是为什么某些相机在4K摄像模式下会出现视野收窄，但在1080分辨率下视频画面的水平视野能与照片模式下保持一致原因，因为1080分辨率下使用了“跳行采样”或“像素合并采样”。

某相机在4K和1080分辨率下不同的采样方式

除了“点对点”、“跳行采样”和“像素合并采样”之外，还有第四种采样方式——超采样。所谓“超采样”是指使用超过目标视频像素总数的传感器区域进行视频信号采样。譬如在某些索尼全画幅相机上有一个“Super 35mm”4K摄像模式，该模式下相机会使用传感器中央5176×2924约合1500万像素的区域用于4K成像，通过机内高速运算处理实时转换成4K分辨率的视频输出。相比其他几种方式，使用“超采样”可以获得更加细腻的视频画质，但由于“Super 35mm”也没有使用到传感器的全部面积，它不可避免会有视野收窄的问题。

或许有读者会问，为什么这些机型不使用整块传感器的全部像素来做超采？因为这会对传感器散热和数据处理能力提出很大的挑战；以目前的技术水平，在像素点特别密集的传感器上还无法实现。针对这一问题，有厂商专门设计了以视频应用为主要卖点的可换镜头相机，通过搭载像素相对较低的图像传感器，实现了完整画幅模式下的全像素读取，从而更好地兼顾拍摄视野和视频画质。

某数码相机的“全像素读取4K视频拍摄”功能说明示意图

同样是没有视角损失的4K视频功能，采用“跳行采样”或“像素合并采样”的机型，其画质表现肯定是无法与那些使用完整画幅进行“超采样”的机型相媲美的。这类主攻视频拍摄的相机传感器像素总量通常在1000万-1200万左右，随着技术的进步，现在有些2000万以上像素的相机也可以实现4K全画幅超采；不过有些机型在使用该模式时，会对拍摄帧率做出限制，只允许30p帧率输出，不允许60p帧率输出；如果要使用4K/60p只能放弃部分幅面，以1.5倍裁切模式进行拍摄，归根结底还是数据处理能力不允许。随着芯片设计制造工艺的进一步提高，今后在更高像素CMOS上实现全画幅4K超采并支持更高帧率应该是可以期待的。

Log与HLG

Log与HLG本质都是用于调节画面色彩表现的Gamma曲线预设算法，Log历史相对悠久，而HLG算是新生事物。我们先说Log，它是厂家为了增加产品吸引力，从专业摄像机下放到高端照相机上的一个比较专业化的功能。采用Log模式拍摄的视频拥有更宽的色域范围，可以有效保留视频素材的暗部和亮部细节，丰富的细节也为后期处理提供了很大的余地，经过后期色彩处理后可以有效提升画面的宽容度，避免画面出现暗部死黑和高光溢出。不同品牌对自己的Log会加上不同的前缀，譬如索尼的S-Log、佳能的C-Log、松下的V-Log、富士的F-Log、奥林巴斯的OM-Log，本质上都一样。对于入门级消费者而言，Log并不是一个必备的功能，因为后期调色是一项有门槛的技术活，即便直接套用LUT进行还原，过程也有点麻烦；它和时下流行的Vlog（视频博客）拍摄显然也没有任何关系。

奥林巴斯官网普通拍摄与Log拍摄效果对比演示短片截屏

相比之下，新生不久的HLG对普通消费者而言可能要相对实用一些，它的全称是“Hybrid Log Gamma”，中文译为“混合对数型伽玛曲线”，也是一种会对画面宽容度产生影响的曲线算法或者说参数配置。HLG是BBC和NHK联合研制并免费推广的一种HDR标准，目前它已获得主流影像厂商的广泛支持，越来越越多的数码相机开始采用HLG技术以实现HDR高清视频拍摄。关于HLG的详细介绍可以参考[Doc]Link=00007832[/Doc]。

使用HDR技术对提高视频画面表现力有诸多好处，它可以带来更生动的色彩、更高的亮度范围，从而带来更加细腻逼真的录制和回放效果。同样是为了获得高宽容度拍摄效果，比起需要繁琐后期处理才能出效果的Log模式，HLG的应用门槛无疑要低很多，不仅对普通玩家是一个相对简单易行的方案，对专业人士来说也是一个更为高效的工作模式。当然，想要获得最佳的观赏效果，需要用户配置新一代支持HDR技术的显示设备；但与其他HDR标准相比，HLG的对非HDR设备的兼容性要更好一些，消费者在普通显示器上也可以体验HDR视频的魅力（在HDR设备上效果更好）。总之，选择对HLG功能支持较好的相机，起码在视频拍摄方面它不会让你失望。

富士网站上的HLG功能效果对比展示

松下网站上的HDR、HLG功能效果对比展示

最大连续拍摄时长

大部分数码相机的视频拍摄有30分钟的时长限制，即便某些高端产品也不例外。有些科普文章将之解释为长时间连续拍摄视频会导致数码相机传感器过热烧毁，因此做了这样一个限制。其实这种说法是不对的，真正的原因是相机厂商为了避免自己的照相机产品在某些地区被视为摄像机，因为若被视为摄像机的话产品将被征收更高额的进口关税；如果把连续拍摄时间限制在30分钟以内则不存在这一风险。不过现在已经有少数相机打破了这一常规，可以无限时长进行视频拍摄，当然实际能连续拍摄多久取决于存储卡空间和电池容量。对于普通消费者和家用场景来说，这个30分钟的拍摄限制并不会造成太大的影响。需要留心的是，有些厂商会对某些特定模式下的拍摄时长上做出特殊限制，譬如松下的S1R在4K/60p模式下只能连续拍摄10分钟。

视频自动对焦

照相机的自动对焦功能不仅对拍照有用，对视频录制同样重要，特别是对于大画幅的可换镜头相机，在拍摄时如果景深较浅，对焦点没有位于拍摄主体上的话是非常影响效果的。由于普通玩家并不具备专业摄像师高效手动对焦的技能，所以对照相机的视频自动对焦性能自然要更关注一些。 目前数码相机在录制视频时的自动对焦主要依靠两种方式实现，一类是纯反差式（对比度）对焦（譬如松下的大部分无反相机），一类是反差 相位混合对焦（譬如索尼的“4D对焦”和佳能的“Dual Pixel CMOS AF”）。在使用大型传感器的相机上，使用混合对焦系统拍摄视频时的自动对焦速度会相对更快一点，而且能够具有良好的追焦性能；而反差式对焦限于技术本身的特点，速度上没有什么优势，近距离拍摄时会出现反复确认焦点的问题，从而造成效果上的缺憾。以松下为代表的反差对焦派也在不断改进算法，持续优化自己的DFD（散焦测距）技术，并取得了一定的成效。对于入门用户来说，如果准备选择一款可换镜头相机来拍摄视频，不妨留意一下机器是不是带有混合式自动对焦系统、支持DFD，这些功能会对你的拍摄带来帮助；如果兼具眼控对焦、脸部识别、触屏对焦等辅助功能就更加理想了。值得注意的是，有少数相机的混合对焦系统只能在拍照时使用，摄像时却无法发挥作用，只能依靠反差对焦（如佳能EOS RP），这是厂家为了拉开不同档次产品之间的功能差距刻意为之的。

• [Doc]key=数码相机入门[/Doc]

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