數位相機入門 高清攝像面面觀
劉恩惠 于 2019.04.27 19:22:04 | 源自:www.soomal.com | 版權:原創 | 平均/總評分:10.00/260

攝像功能在之前的《數位相機入門》系列里是一個真空區域。隨著數位相機的攝像功能在實際應用中被越來越看重,和攝像有關的名堂越來越多,高階相機的攝像功能越來越專業,我們覺得有必要對相關知識做一個全面科普,供廣大入門消費者參考。本篇側重介紹相關基礎概念,后續還會給出選購策略方面的參考意見和建議。

  • 視訊解析度

    首先我們要知道,動態視訊畫面本質上是由若干幅靜態畫面所組成的,每一幅靜態圖像以何種解析度保存那么這段視訊的解析度就是多少,它決定了視訊的清晰度或者說精度。為了便于制作和傳播,行業內對視訊拍攝及播放的解析度和其他制式制訂了各種標準;進入數字時代后,民用領域的視訊畫面比例確立為16:9,畫質按清晰度分為標清(SD)、高清(HD)、全高清(FHD)、超高清(UHD)等。相比文字描述,直接用數字來注明解析度會更加直觀,也是專業領域的通行做法——4K是指4096×2160或3840×2160解析度、1080是1920×1080、720是1280×720。按照解析度指標可以測算出單幅畫面的畫素總量,4K是829-885萬畫素,1080是207萬畫素,720只有92萬畫素。理論上,解析度越高視訊所呈現的效果越清晰、畫面越精細,不過解析度與清晰度的關系必須結合視訊回放熒幕的尺寸來看,在手機上4K和1080的畫質差距可能并不那么大,但隨著熒幕尺寸的增加,差異會越發顯著。

  • 需要注意的是,畫面在解析度方面的差異,只是視訊拍攝和播放效果的一個方面,還有其他各種因素會對最終觀賞體驗產生影響;雖然現在大部分數位相機都標榜支援4K,但不同機型、不同參數下的最終拍攝效果會有明顯的差別。

    目前市售數位相機在視訊解析度方面的主流規格是最高支援4K、兼容1080p,只有極少數型號不支援4K。部分高階型號宣稱支援解析度為4096×2160的DCI 4K(C4K),這是由好萊塢七大電影公司組成的數字電影推進聯盟(Digital Cinema Initiatives)所制定的標準,主要應用于數字電影領域。大部分相機采用的是國際電信聯盟所規范的UHDTV 4K標準,解析度是3840×2160,主要應用于民用電視領域。顯然,DCI 4K要比UHD 4K略寬一些,前者的長寬比為1.9:1(17:9)、后者是16:9,如果在16:9的電視機或顯示器上觀看DCI 4K視訊時,熒幕上下方不可避免會出現兩條黑邊。有部分支援DCI 4K的相機也能支援UHD 4K,用戶可以自行選擇解析度。

    2012年國際電信聯盟制訂的超高清電視標準除了出臺UHDTV 4K標準外,還明確了UHDTV 8K視訊的解析度為7680×4320,其畫素總量將達到驚人的3318萬,8K的任務是取代4K成為下一代超高清攝像標準,主要影像廠商已經開始聚焦該領域,支援8K攝像功能的數位相機正式面世已為期不遠。

  • 幀率

    視訊本質是一組連續拍攝的靜態圖像,我們將這一組圖像中的每一幅靜態畫面稱為一幀,如果一秒內錄制或播放的靜態圖像為24幅,那么其幀率就是24幀/秒,即24fps。在日常表述中經常會吧幀率和解析度放在一起展示,中間用斜杠隔開,譬如4K/30p、1080/50i,斜杠后面的“30”和“50”就是幀率,數字后面的“p”是指逐行掃描(progressive),“i”是指隔行掃描(interlaced)。進入4K時代后,模擬電視機采用的隔行掃描技術已被棄用,這里就不再對此概念做具體展開。

    幀率會對視訊的流暢度產生影響。膠片電影時代的拍攝和播放速度在上世紀30年代被固定為每秒24格膠片(既24幀),此后該標準被一直沿用。一般認為,24幀可以滿足人眼對于動態畫面流暢度的基本要求。隨著技術發展,有些電影開始嘗試使用更高的幀率(譬如48幀)拍攝,這被認為有利于提高大動態、高速度畫面場景下觀影體驗。幀率與視訊的數據量通常成正比,高幀率視訊檔案的體積會相對較大。

    不同的相機在各種解析度下所能支援的幀率不盡相同。目前大多數具備4K攝像功能的相機一般都支援24p(含23.98p)、25p、30p(含29.97p)這幾種常用幀率,以適應相應的頻率制式,部分高階機型可以支援50p和60p(含59.94p);極少數入門級相機只能實現4K/15p,在此規格下拍攝的視訊顯然會不太流暢,基本不具備什么實用價值。在1080解析度下,最高60p已是新一代相機的常規配置,部分機型可以實現120p。中高階相機一般都會提供100fps、120fps甚至更高幀率的慢動作模式(或稱為“升格視訊”,松下相機上叫做VFR功能),以上述幀率拍攝后用25fps或30fps的速度進行回放,從而實現高速運動畫面的慢速平滑回放。

  • 對于家用普通拍攝場景,24p至30p的幀率都是適用的;如果拍攝題材是高速運動場景,選擇更高的幀頻也是有好處的。就目前市面上的產品而言,支援4K/50p、4K/60p的相機普遍定位較高,如果預算不足以購買這類高階相機,又希望在拍攝運動場景時獲得較為流暢的效果,可以在解析度上退而求其次,選擇1080/60p。需要注意的是,某些型號較老的液晶電視機熒幕更新頻率可能達不到60Hz,將無法正常回放用60幀幀率拍攝的視訊。

    視訊檔案的編碼

    理論上,視訊的畫面品質是由每一幀靜態圖像的品質所決定的,但實際情況沒有那么簡單——隨著拍攝時長的不斷增加,視訊檔案的數據量會越變越大,為了減輕數據存儲的壓力,就需要對它按照一定的編碼規則進行壓縮;雖然晶片以及存儲技術在不斷升級,但視訊的解析度也在逐漸提高,所以視訊編碼不僅要與之相伴還在不斷進步。由于不同的編碼算法和壓縮率會對視訊畫質造成程度不一的破壞,所以它們成為除去解析度和幀率之外,另一個會影響視訊效果的關鍵要素。

    目前新一代數位相機上常用的視訊編碼方式有MotionJPEG、H.264/AVC、H.265/HEVC。MotionJPEG的壓縮率較小,輸出的檔案比較大,只有少數品牌還在堅持使用。H.264/AVC是目前的主流編碼格式,索尼所使用的XAVC、XAVC S、AVCHD等編碼方式本質上也是基于H.264/AVC優化而來的;在H.264/AVC基礎上加以改進并具有更高壓縮效率的H.265/HEVC也已經在部分機型上應用,未來應該會更加普及,索尼已決定將自己基于H.265/HEVC開發的新格式稱為XEVC。

    在某些相機上,如果用戶選擇H.264/AVC、H.265/HEVC編碼,廠家會提供“ALL-I(ALL-Intra)”和“IPB”高低兩種壓縮模式選項;在松下機型上類似“IPB”的技術被稱為“LongGOP”。簡單來說,ALL-I是幀內壓縮,IPB/LongGOP是幀間壓縮;幀內壓縮是指對視訊里的每一幀畫面獨立進行壓縮(上節提到的MotionJPEG也是一種幀內壓縮方式),幀間壓縮則是根據幀與幀之間的關系,通過算法對圖像資訊進行取舍,從而獲得比“ALL-I”更大的壓縮比。幀內壓縮雖然壓縮比相對較低,但圖像資訊保留的相對完整,后期余地也會更大一些;而幀間壓縮的最大優勢是節約存儲空間。對于家庭用戶的普通應用,使用IPB/LongGOP是完全沒有問題的。

    YCbCr色度采樣(也叫:色度取樣、色度抽樣)是視訊編碼里另一個重要概念。簡單來說,它是一種針對數字視訊色彩元素的采樣編碼方式,用特定的數字排列組合來表示采樣率。不同的采樣率會對畫面的色彩品質造成程度不一的影響,好處是可以為視訊檔案減肥,所以我們也可以認為它是一種壓縮。在這套標準的常用規格里,YCbCr 4:4:4代表完全采樣,主要用于專業領域;準專業和非專業領域常用的是YCbCr 4:2:2、4:2:0、4:1:1。這些數值的具體含義解釋起來比較復雜,我們不做展開,大家只需要知道,相比4:2:0和4:1:1,4:2:2采樣對色彩造成的損耗最少。目前只有少數高階數位相機能夠支援4:2:2/10bit。這里的bit是色深的量化指標,在色彩細膩程度上10bit相比8bit有明顯的優勢,最典型的是漸變色的過渡會顯得更加自然。有些相機雖然不支援4:2:2/10bit,但支援4:2:0/10bit。

  • 在目前支援4:2:2/10bit的機型上,廠家會在特定的編碼模式下使用它,并非覆蓋所有格式,所以如果想通過4:2:2/10bit獲得良好的色彩還原,不僅要選擇支援它的相機,而且在拍攝前務必要選對編碼方式。另外需要注意的是,有些相機只支援4:2:2/10bit輸出到外部HDMI裝置,并不能實現該規格的內錄;有些相機則需要消費者支付額外的費用才能支援4:2:2/10bit內錄功能。

  • 解析度、幀率、編碼方式和色度采樣等因素都會對視訊檔案的容量產生影響,行業內用“幀率”來計量視訊檔案在單位時間內的數據量,單位是Mbps。100Mbps即為每秒傳輸100兆bit的視訊數據,換算為字節大約是12.5MB/秒。有些高階型號相機在拍攝4K/60p或50p視訊并采用低壓縮比的MotionJPEG編碼時,碼率高達800Mbps左右,這就對使用的存儲卡速度提出極高的要求,如果存儲卡速度不達標,拍攝質量可能會出現問題。假如希望嘗試超高品質攝像,選擇符合要求的高速度、大容量存儲卡是有必要的。有些相機會提供不同的碼率檔位選項,供用戶自由選擇。

    視訊畫幅(攝像視野)

    數位相機在拍攝視訊時獲得的畫面視野可能要比拍攝照片時窄一些,這個問題在某些手機上也是存在的,其實是由于裝置在拍攝照片時使用的是傳感器的全部面積,在拍攝視訊時可能只使用局部面積。譬如佳能某些支援4K功能的全畫幅相機,在拍攝4K影像時,機器使用的是傳感器中央3840×2160或4096×2160區域的面積,由此形成了約1.74倍的焦距裁切系數。佳能將這種4K采樣稱為“點對點”模式,也就是CMOS特定區域內的每一個畫素點對應4K視訊的全部畫素點,這種方式簡單易行,對相機的數據處理和CMOS熱量控制要求也不高,但缺點也是顯而易見的——因為出現了裁切系數,所以假設拍攝時使用的是一顆50mm的標準鏡頭,視訊畫面的視野會收窄到87mm(50mm×1.74)鏡頭下的范圍。

    并非所有相機的4K攝像都采用這類“點對點”模式,有些型號的產品以“跳行采樣”的方式避免視角縮小的問題。“跳行采樣”模式下,傳感器上也只有部分畫素點參與視訊成像,但成像區域不是集中在中央區域;還有一種“畫素合并采樣”的方法也可以起到同樣的效果。使用上述兩種采樣方式能完整利用傳感器的寬度,也就不存在鏡頭焦距裁切系數。這也是為什么某些相機在4K攝像模式下會出現視野收窄,但在1080解析度下視訊畫面的水準視野能與照片模式下保持一致原因,因為1080解析度下使用了“跳行采樣”或“畫素合并采樣”。

  • 除了“點對點”、“跳行采樣”和“畫素合并采樣”之外,還有第四種采樣方式——超采樣。所謂“超采樣”是指使用超過目標視訊畫素總數的傳感器區域進行視訊訊號采樣。譬如在某些索尼全畫幅相機上有一個“Super 35mm”4K攝像模式,該模式下相機會使用傳感器中央5176×2924約合1500萬畫素的區域用于4K成像,通過機內高速運算處理實時轉換成4K解析度的視訊輸出。相比其他幾種方式,使用“超采樣”可以獲得更加細膩的視訊畫質,但由于“Super 35mm”也沒有使用到傳感器的全部面積,它不可避免會有視野收窄的問題。

    或許有讀者會問,為什么這些機型不使用整塊傳感器的全部畫素來做超采?因為這會對傳感器散熱和數據處理能力提出很大的挑戰;以目前的技術水準,在畫素點特別密集的傳感器上還無法實現。針對這一問題,有廠商專門設計了以視訊應用為主要賣點的可換鏡頭相機,通過搭載畫素相對較低的圖像傳感器,實現了完整畫幅模式下的全畫素讀取,從而更好地兼顧拍攝視野和視訊畫質。

  • 同樣是沒有視角損失的4K視訊功能,采用“跳行采樣”或“畫素合并采樣”的機型,其畫質表現肯定是無法與那些使用完整畫幅進行“超采樣”的機型相媲美的。這類主攻視訊拍攝的相機傳感器畫素總量通常在1000萬-1200萬左右,隨著技術的進步,現在有些2000萬以上畫素的相機也可以實現4K全畫幅超采;不過有些機型在使用該模式時,會對拍攝幀率做出限制,只允許30p幀率輸出,不允許60p幀率輸出;如果要使用4K/60p只能放棄部分幅面,以1.5倍裁切模式進行拍攝,歸根結底還是數據處理能力不允許。隨著晶片設計制造工藝的進一步提高,今后在更高畫素CMOS上實現全畫幅4K超采并支援更高幀率應該是可以期待的。

    Log與HLG

    Log與HLG本質都是用于調節畫面色彩表現的Gamma曲線預設算法,Log歷史相對悠久,而HLG算是新生事物。我們先說Log,它是廠家為了增加產品吸引力,從專業攝像機下放到高階照相機上的一個比較專業化的功能。采用Log模式拍攝的視訊擁有更寬的色域范圍,可以有效保留視訊素材的暗部和亮部細節,豐富的細節也為后期處理提供了很大的余地,經過后期色彩處理后可以有效提升畫面的寬容度,避免畫面出現暗部死黑和高光溢出。不同品牌對自己的Log會加上不同的前綴,譬如索尼的S-Log、佳能的C-Log、松下的V-Log、富士的F-Log、奧林巴斯的OM-Log,本質上都一樣。對于入門級消費者而言,Log并不是一個必備的功能,因為后期調色是一項有門檻的技術活,即便直接套用LUT進行還原,過程也有點麻煩;它和時下流行的Vlog(視訊博客)拍攝顯然也沒有任何關系。

  • 相比之下,新生不久的HLG對普通消費者而言可能要相對實用一些,它的全稱是“Hybrid Log Gamma”,中文譯為“混合對數型伽瑪曲線”,也是一種會對畫面寬容度產生影響的曲線算法或者說參數配置。HLG是BBC和NHK聯合研制并免費推廣的一種HDR標準,目前它已獲得主流影像廠商的廣泛支援,越來越越多的數位相機開始采用HLG技術以實現HDR高清視訊拍攝。關于HLG的詳細介紹可以參考《淺談Hybrid Log-Gamma[HLG]技術 》[作者:農步祥 ] 。

    使用HDR技術對提高視訊畫面表現力有諸多好處,它可以帶來更生動的色彩、更高的亮度范圍,從而帶來更加細膩逼真的錄制和回放效果。同樣是為了獲得高寬容度拍攝效果,比起需要繁瑣后期處理才能出效果的Log模式,HLG的應用門檻無疑要低很多,不僅對普通玩家是一個相對簡單易行的方案,對專業人士來說也是一個更為高效的工作模式。當然,想要獲得最佳的觀賞效果,需要用戶配置新一代支援HDR技術的顯示裝置;但與其他HDR標準相比,HLG的對非HDR裝置的兼容性要更好一些,消費者在普通顯示器上也可以體驗HDR視訊的魅力(在HDR裝置上效果更好)。總之,選擇對HLG功能支援較好的相機,起碼在視訊拍攝方面它不會讓你失望。

  • 最大連續拍攝時長

    大部分數位相機的視訊拍攝有30分鐘的時長限制,即便某些高階產品也不例外。有些科普文章將之解釋為長時間連續拍攝視訊會導致數位相機傳感器過熱燒毀,因此做了這樣一個限制。其實這種說法是不對的,真正的原因是相機廠商為了避免自己的照相機產品在某些地區被視為攝像機,因為若被視為攝像機的話產品將被征收更高額的進口關稅;如果把連續拍攝時間限制在30分鐘以內則不存在這一風險。不過現在已經有少數相機打破了這一常規,可以無限時長進行視訊拍攝,當然實際能連續拍攝多久取決于存儲卡空間和電池容量。對于普通消費者和家用場景來說,這個30分鐘的拍攝限制并不會造成太大的影響。需要留心的是,有些廠商會對某些特定模式下的拍攝時長上做出特殊限制,譬如松下的S1R在4K/60p模式下只能連續拍攝10分鐘。

    視訊自動對焦

    照相機的自動對焦功能不僅對拍照有用,對視訊錄制同樣重要,特別是對于大畫幅的可換鏡頭相機,在拍攝時如果景深較淺,對焦點沒有位于拍攝主體上的話是非常影響效果的。由于普通玩家并不具備專業攝像師高效手動對焦的技能,所以對照相機的視訊自動對焦性能自然要更關注一些。 目前數位相機在錄制視訊時的自動對焦主要依靠兩種方式實現,一類是純反差式(對比度)對焦(譬如松下的大部分無反相機),一類是反差+相位混合對焦(譬如索尼的“4D對焦”和佳能的“Dual Pixel CMOS AF”)。在使用大型傳感器的相機上,使用混合對焦系統拍攝視訊時的自動對焦速度會相對更快一點,而且能夠具有良好的追焦性能;而反差式對焦限于技術本身的特點,速度上沒有什么優勢,近距離拍攝時會出現反復確認焦點的問題,從而造成效果上的缺憾。以松下為代表的反差對焦派也在不斷改進算法,持續優化自己的DFD(散焦測距)技術,并取得了一定的成效。對于入門用戶來說,如果準備選擇一款可換鏡頭相機來拍攝視訊,不妨留意一下機器是不是帶有混合式自動對焦系統、支援DFD,這些功能會對你的拍攝帶來幫助;如果兼具眼控對焦、臉部識別、觸屏對焦等輔助功能就更加理想了。值得注意的是,有少數相機的混合對焦系統只能在拍照時使用,攝像時卻無法發揮作用,只能依靠反差對焦(如佳能EOS RP),這是廠家為了拉開不同檔次產品之間的功能差距刻意為之的。

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    發表于2019.08.13 14:47:50
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    024.216.066.***
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    發表于2019.07.29 05:39:44
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    117.141.113.***
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    發表于2019.07.14 17:15:28
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    117.181.147.***
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    發表于2019.06.27 23:13:40
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    过瘾~
    發表于2019.06.24 14:38:18
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    124.076.091.***
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    發表于2019.05.23 14:58:38
    56
    042.230.212.***
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    發表于2019.05.15 09:41:09
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    發表于2019.05.10 18:17:41
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    111.058.146.***
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    發表于2019.05.10 18:16:54
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    手機畫質近幾年的提升有一大部分是多幀采樣合成的
    攝像這種本身就要多幀采樣的很難再進一步大幅增加采樣率了
    所以攝像反而更拼攝像頭本身的性能
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    發表于2019.05.10 07:40:13
    52
    把目前相機主要的視訊錄制參數幾乎都講了一遍 少數的科普匯總精品
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    發表于2019.05.07 03:19:48
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    111.058.144.***
    111.058.144.***
    發表于2019.05.05 00:34:54
    50
    數毛終于開始準備做視訊方面的文章了!我在好幾個相機評測下面都曾留言,希望數毛重視這個趨勢。從43跳到腹肌,看重的就是xt3的攝像性能。內錄10bit,支援hlg,追焦雖趕不上索尼但絕對是第一梯隊。其實,希望數毛也重視手機的攝像性能。手機底小,拍照有很大缺憾,但手機處理器強,這些都是攝像的優勢呀!攝像尤其是家庭錄像,不像拍照那么追求虛化,多人入鏡反而要求個個都清晰。而且家庭錄像大多是廣角,出門玩也是開廣角的多。愛瘋從8開始,三星從s9開始就支援4k60P,彼時相機有幾個能做到?小底的手機正適合拍視訊,底小對焦更好做,隨時掏出來就可以不用擔心錯過精彩瞬間。而處理器更是給力,855已經可以支援視訊hdr了,理論上只要廠商愿意,所有使用855的手機都可以拍hdr視訊。而且手機記憶體越來越大,內置存儲速度不用挑sd卡級別,絕不會卡。所有這一切,都是手機拍視訊的大大大優勢啊!請數毛考慮考慮,在以后評測手機時加入這一項吧!
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    發表于2019.05.04 22:48:21
    49
    112.008.008.***
    112.008.008.***
    發表于2019.05.04 22:39:03
    48
    123.165.049.***
    123.165.049.***
    發表于2019.05.04 15:58:26
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    此帖使用SAMSUNG SM-G9730提交
    發表于2019.05.03 23:15:20
    45
    116.025.236.***
    116.025.236.***
    發表于2019.05.03 11:30:46
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    發表于2019.05.02 20:56:08
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    當初還在上大學,2011年因為數毛買了自己的第一個上千元的耳機GR07mkii,去年雙十一時買了創新的Air,喜歡了耳機10年,也因為數毛自己的聽音觀、人生觀不斷成熟,期間樂之邦02US,威士頓W40,樂之邦MD30都是各個成長節點的見證,知道了自己應該學會喜歡,喜歡遇到了數毛,喜歡這個世界。
    發表于2019.05.02 17:36:09
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