數(shù)字電影攝影機的設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)字電影攝影機的設(shè)計與實現(xiàn)

一、膠片拍攝的數(shù)字技術(shù)電影總是通過封面和相機拍攝的。從《星戰(zhàn)中的黎明：克隆人的攻擊》這部電影的電影開始，電影制作人嘗試了數(shù)字電影攝影機對電影的拍攝。這部電影完全采用數(shù)字格式記錄,是世界上第一部真人表演的沒用膠片拍攝的電影。事實上,從電影業(yè)開始采用數(shù)字技術(shù)以來,數(shù)字技術(shù)就不斷對傳統(tǒng)膠片電影的制作提出挑戰(zhàn)。今天,數(shù)字技術(shù)無疑已成為電影技術(shù)不可或缺的部分。由于大量數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用,如果采用膠片拍攝,就需要將記錄在傳統(tǒng)膠片上的影像轉(zhuǎn)成數(shù)字格式進行數(shù)字處理,然后再轉(zhuǎn)回膠片格式。這種方式復(fù)雜、低效且成本很高,因而在電影拍攝領(lǐng)域?qū)嵭袛?shù)字化變得迫切而實際。正是在這種條件下,誕生了數(shù)字電影攝影機,且在不斷推陳出新,下面介紹幾款較為典型的機種。1、膠片影像德國ARRI公司在2003年推出的數(shù)字電影攝影機的樣機,其外型如圖1所示。它采用單片CMOS傳感器,尺寸與35mm膠片相接近,拍攝影像具有同35mm相同的景深,分辨率為2880×2160,并且具有高的動態(tài)范圍,能夠采用不同的頻率拍攝。該機采用PL接口的電影攝影鏡頭,光學(xué)取景器使得攝影師能夠看到更直接的影像并便利跟焦,同時可看到比CCD影像更大的區(qū)域。該機采用機械葉子板結(jié)構(gòu),硬盤記錄的方式。2、電影照片的拍攝技術(shù)加拿大DALSA公司在2003年推出的數(shù)字電影攝影機的樣機,其外型如圖2所示。Origin的設(shè)計不是從攝像機的觀念出發(fā),它的強大的功能和杰出的表現(xiàn)直接針對的是電影攝影的需要。具有與常規(guī)35mm電影畫幅尺寸相接近的CCD傳感器,可以得到與35mm膠片相同的景深效果;4046×2048的分辨率,可以捕獲更多的細(xì)節(jié);動態(tài)范圍可以和當(dāng)代最好的膠片相媲美;線形范圍達到12檔;暗部和亮部都有出色的表現(xiàn)。采用35mmPL接口的電影攝影鏡頭。采用光學(xué)取景器,攝影師能夠看到更直接的影像并便利跟焦,可看到比CCD影像更大的區(qū)域。采用無壓縮的影像數(shù)據(jù)流、及硬盤記錄的方式。3、高效的數(shù)字拍攝HDCF950是SONY公司在2003年推出的數(shù)字電影攝影機,其外型見圖3。該機采用新的HDCAM-SR記錄格式,它比現(xiàn)在的HDCAM具有更大的錄制容量、更高的數(shù)據(jù)傳輸率和更多的音頻通道,是專門為極高質(zhì)量的數(shù)字現(xiàn)場拍攝而開發(fā)的。該機支持4∶4∶4數(shù)字電影的拍攝和多種高清掃描格式。采用全新的的220萬像素的PowerHADFITCCD,分辨率為1920×1080。具有先進的12比特模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。應(yīng)用了先進的數(shù)字信號處理技術(shù),可提供自適應(yīng)高亮度處理、拐點飽和度控制、三膚色細(xì)節(jié)校正、多區(qū)彩色校正、自適應(yīng)細(xì)節(jié)控制、黑伽瑪擴展等功能。具有多種符合電影畫面風(fēng)格的制作性能。用戶Gamma,可方便導(dǎo)演任意設(shè)置畫面影調(diào)。長時間曝光,在低照度時,可以改變曝光時間。逐幀記錄和“降格”拍攝。4、膠片影像流的輸出和錄像視頻制作VIPERFILMSTREAM是湯姆遜公司在2002年推出的數(shù)字電影攝影機,其外型見圖4。針對數(shù)字電影拍攝與制作特點,湯姆遜提出了碼流攝像機的概念。它參照電影負(fù)片拍攝的理念,即充分保留影像的原始信息,而將全部信號處理工作象電影工藝一樣留待后期去解決,為導(dǎo)演及制作人員在后期創(chuàng)作時留有很大的發(fā)揮空間。它輸出的是R/G/B4∶4∶4的FilmStream數(shù)據(jù)流,有人稱之為膠片碼流攝像機,其目的就是使攝像機進入電影的拍攝領(lǐng)域,改變傳統(tǒng)的電影制作工藝。從CCD直接獲取無壓縮的影像數(shù)據(jù)流,4∶4∶4RGBDualLink輸出,采用硬盤記錄的方式。采用動態(tài)像素管理技術(shù),畫幅寬高比在16∶9或2.37∶1之間變化時沒有分辨率的損失。應(yīng)用機械快門可防止垂直拖尾現(xiàn)象。支持多種格式,在1080逐行時支持23.98/24/25/29.97,在1080隔行時支持50/59.94,在720逐行時支持23.98/24/25/29.97/50/59.94。尋像器具有輔助聚焦功能。5、高效的數(shù)字信號處理HDWF900是SONY公司在1999年推出的數(shù)字電影攝影機,其外型如圖5所示。HDWF900是24P多格式高清攝錄一體機,采用12bit模/數(shù)轉(zhuǎn)換和先進的數(shù)字信號處理。具有小巧緊湊的整體設(shè)計,并繼承了Sony攝錄一體機一貫的優(yōu)良的耐用性和操作性。可進行23.976/24/25/29.97/30逐行和50/59.94/60隔行多種掃描格式記錄。采用全新的220萬像素的16∶9FITCCD。應(yīng)用了先進數(shù)字信號處理技術(shù),可提供自適應(yīng)高亮度處理、拐點飽和度控制、三膚色細(xì)節(jié)校正、多區(qū)彩色校正、自適應(yīng)細(xì)節(jié)控制、黑伽瑪擴展等功能。具有逐幀記錄功能,可豐富導(dǎo)演的創(chuàng)作手段。用戶可任意設(shè)定Gamma曲線。本機采用HDCAM的記錄格式。6、拍攝模式三該機具有獨特的能連續(xù)改變幀頻的功能,變化范圍從4到60fps。電子快門的等效葉子板開角可從3度到350度。具有三種拍攝模式:1、高清視頻拍攝模式(Video模式),拍攝的影像具有傳統(tǒng)視頻影像的視覺感受;2、膠片影像風(fēng)格模式(VideoRec),拍攝的影像具有膠片影像的視覺感受;3、轉(zhuǎn)膠模式(FilmRec),拍攝的影像用于轉(zhuǎn)為膠片影像。電子快門可用葉子板角度、百分比和秒三種方式表示。本機采用DVCPROHD的記錄格式。二、數(shù)字電影攝像頭1、數(shù)字電影攝像頭的特性由目前常用的數(shù)字電影定焦鏡頭ZEISSDIGIPRIME、富士鏡頭的特點,可以總結(jié)出數(shù)字電影定焦鏡頭的一些特點:(1)膠片的成像面積和成像面積相對于原來標(biāo)清CCD的成像來說,數(shù)字電影影像的各項指標(biāo)都有了很大的提高,這樣,原來的標(biāo)清攝像鏡頭的各項成像質(zhì)量指標(biāo)就不能滿足數(shù)字電影的要求了。相對35mm電影鏡頭來說,由于數(shù)字電影攝影機CCD的成像面積小于膠片的成像面積,所以就對鏡頭提出了更高的要求。PANAVISION就提出了這樣的理念,由于CCD的對角線為35mm電影膠片的1/2.5,所以高清攝影鏡頭的指標(biāo)應(yīng)該為35mm電影鏡頭的2.5倍,這就類似于135相機鏡頭的指標(biāo)高于120相機鏡頭的指標(biāo)。(2)鏡頭的焦距由于目前2/3英寸CCD的尺寸比35mm電影膠片小2.5倍,這造成了數(shù)字電影攝影機的景深比35mm電影膠片影像要大。因此,為了獲得類似于35mm膠片的景深,在其他條件固定的情況下,就需要數(shù)字電影攝影鏡頭的光圈一般要比35mm攝影鏡頭光圈開的大,為滿足這一要求,數(shù)字電影鏡頭一般將最大光圈設(shè)計為“最佳光圈”。(3)鏡頭的轉(zhuǎn)動角度在傳統(tǒng)的標(biāo)清攝像時,由于影像的分辨率低,播放的畫面小,所以,標(biāo)清攝像機在拍攝時的焦點有些偏差并不容易看出來,因此,標(biāo)清攝像鏡頭的調(diào)焦環(huán)的轉(zhuǎn)動角度范圍較小,調(diào)焦刻度較為粗糙。但是,對于數(shù)字電影來說,大的畫面使得焦點問題很容易暴露,因此,數(shù)字電影鏡頭必需能夠精確跟焦,這就要求數(shù)字電影鏡頭的調(diào)焦環(huán)有較大的調(diào)焦范圍和細(xì)分的刻度。(4)應(yīng)當(dāng)保持畫面范圍不變類似于傳統(tǒng)的電影定焦鏡頭,數(shù)字電影定焦鏡頭在變化焦點時,畫面范圍應(yīng)保持不變,也就是通俗所說的無“喘氣”現(xiàn)象。而一般的攝像機用鏡頭和變焦距攝影鏡頭在變化焦點時都會發(fā)生畫面大小變化的情況。(5)基于傳統(tǒng)攝像機的向pl卡座對于目前2/3英寸CCD的數(shù)字電影攝影機來說,普遍采用B4的卡口座,但是某些新的機型開始采用傳統(tǒng)攝影機的卡口座類型(如ARRID20和DALSAOrigin均采用PL卡口類型)。(6)部分的后焦調(diào)整由于數(shù)字電影攝影機成像面的相對穩(wěn)定性不及膠片攝影機,就造成了數(shù)字電影攝影鏡頭需要對后焦進行調(diào)整,以保證畫面有銳利的焦點。后焦點沒有調(diào)整到位,僅僅依靠調(diào)前調(diào)焦環(huán)是無法獲得清晰影像的。(7)轉(zhuǎn)接器系統(tǒng)由于目前傳統(tǒng)的電影攝影定焦鏡頭的使用非常普遍,而數(shù)字電影攝影鏡頭的選擇余地則比較小,一些鏡頭生產(chǎn)廠家考慮到這種情況,設(shè)計生產(chǎn)了一種轉(zhuǎn)接器,通過它可將傳統(tǒng)的35mm鏡頭應(yīng)用到數(shù)字電影攝影機上。目前應(yīng)用較多的是法國安琴的轉(zhuǎn)接器,其外型如圖7所示。2、鏡頭的調(diào)整設(shè)計這是目前數(shù)字電影攝影領(lǐng)域品質(zhì)最好的鏡頭之一,目前國內(nèi)有兩套。其參數(shù)指標(biāo)見表1。ZEISSDIGIPRIME鏡頭是專門為2/3英寸CCD數(shù)字電影攝影機設(shè)計的定焦鏡頭組,目前共有8支鏡頭,焦距分別是5mm、7mm、10mm、14mm、20mm、28mm、40mm、70mm。這組鏡頭有以下一些特點:相同的尺寸:5mm、7mm、10mm、14mm、20mm、28mm、40mm七支鏡頭有相同的幾何尺寸,不同鏡頭的調(diào)焦環(huán)都在相同的位置上,光圈調(diào)節(jié)環(huán)也在相同的位置上。這樣,在更換鏡頭后,跟焦器、鏡頭馬達、遮光斗等各種與鏡頭配合的附件都不用再調(diào)整,在操作中減少了許多麻煩。內(nèi)聚焦設(shè)計:采用了ZEISS的內(nèi)聚焦設(shè)計,使得在任何聚焦距離上都有很好的光學(xué)表現(xiàn)。而在聚焦過程中,鏡頭鏡片組中只有很輕的幾個鏡片移動,而整個鏡頭的重心不會變。這樣可保證系統(tǒng)原有的平衡。調(diào)焦環(huán)有大的變化角度和細(xì)分的刻度:為了能夠精確跟焦點,ZEISSDIGIPRIME鏡頭調(diào)焦環(huán)設(shè)計了大的變化角度,達到了300度左右的范圍(每支鏡頭不同);而且調(diào)焦環(huán)在光圈調(diào)節(jié)環(huán)前面,便于操作。鏡頭無“喘氣”現(xiàn)象:鏡頭在變化焦點時,畫面范圍嚴(yán)格保持不變,也就是通俗所說的無“喘氣”現(xiàn)象。最大光圈時有最佳性能:傳統(tǒng)攝影鏡頭的最佳成像光圈一般為最大光圈收3擋左右,但是對ZEISSDIGIPRIME鏡頭來說,在最大光圈時有最好的成像質(zhì)量,這為低照度、小景深提供了方便。精確的后焦調(diào)節(jié):為了精確調(diào)整定焦鏡頭的后焦點,ZEISS專門生產(chǎn)了后焦點調(diào)節(jié)器(SHARPMAX),用于精確調(diào)整后焦點。3、定焦節(jié)富士數(shù)字電影鏡頭是目前在數(shù)字電影攝影領(lǐng)域應(yīng)用較多的鏡頭,與ZEISSDIGIPRIME相比,富士除了定焦鏡頭外,更有變焦鏡頭可供選擇。表2是富士數(shù)字電影定焦鏡頭FUJINONPRIME系列的一些指標(biāo)參數(shù),表3是富士數(shù)字電影變焦鏡頭FUJINONZOOM的指標(biāo)參數(shù)。FUJINONPRIME系列鏡頭是專門為2/3英寸CCD數(shù)字電影攝影機設(shè)計的定焦鏡頭組,目前共有8支鏡頭,焦距分別是5mm、8mm、12mm、16mm、20mm、34mm、40mm、54mm。幾何尺寸:8支鏡頭相同的口徑均為95mm(與ZEISSDIGIPRIME相同),除5mm的鏡頭外,其余鏡頭的幾何長度均為144mm。調(diào)焦環(huán)有大的變化角度:為了能夠精確跟焦點,FUJINONPRIME鏡頭調(diào)焦環(huán)也設(shè)計了較大的變化角度,達到了280度左右的范圍(每支鏡