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日本8K超高清晰度电视广播系统的发展现状与展望(二):8K超高清晰度电视摄像机

1、背景
 
与目前的全高清晰度电视相比:①8K SHV(8K超高清晰度电视)视频每一帧图像的像素数提高了15倍(前者为:1920(水平)×1080(垂直)=2073600;而后者则为:7680(水平)×4320(垂直)=33177600);②8K超高清晰度电视的帧频提高了3倍(即达到了120 Hz或者120 fps,每秒钟可播放高达120帧视频图像);③通过采取广色域捕捉技术,可以呈现出更为饱满和逼真的图像景物色彩。上述三个方面为8K超高清晰度电视摄像机的研发与制造带来了非常大的挑战。但截至目前,均已取得了突破:
 
①为了拍摄8K超高清晰度电视的视频图像,摄像机的图像传感器(把现实景物的光信号信息转换为对应的电信号)必须要具有3300万像素(笔者注:具体数值为33177600)。此前,日本NHK科学与技术实验室采取多个800万像素的图像传感器的组合来达到上述目的。而如今已经研制出具有3300多万像素的图像传感器单芯片(笔者注:可以进一步查阅上海情报服务平台新近所发布的《NHK研制出全球首款1.33亿像素单芯片8K超高清图像传感器》一文,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8529)。
 
②由于帧频更大,就可以采用8K超高清晰度电视摄像机来拍摄出更高画质的、平滑而很自然的快速运动图像(比如足球比赛)。为此,日本NHK科学与技术实验室已经研制出可支持120 Hz(120 fps)帧频的8K超高清晰度电视摄像机。
 
③广色域摄像机可以更为生动、逼真地捕获红、绿、蓝这三大基色。传统的电视摄像机仅能捕获到真实世界自然色域的75%,而广色域的8K超高清晰度电视摄像机则能捕获到真实世界自然色域的99.9%.
 
2、所面临的技术挑战性问题
 
对于8K超高清晰度电视摄像机,增大图像传感器像素数可采取的最直接的方式就是增大图像传感器本身的尺寸,但这会很易导致8K超高清晰度电视摄像机体积大、重量大的问题,因此是不现实的解决方案。因此,就需要提高图像传感器上像素数的密度(至纳米级别),以此来减小图像传感器的尺寸。
 
但是,随着图像传感器上各像素的间距降低至纳米级别,每个像素点所能捕获的光照强度就会降低。同样地,如果帧频增大,那么,允许每个像素点捕获光照信息的时间就会越低。这样,上述两大因素结合起来就会降低电视摄像机的灵敏度。因此,对于高质量8K超高清晰度电视摄像机的研制,最为重要的就是要取得图像传感器尺寸以及摄像机灵敏度之间的平衡。
 
3、上述重大问题已经得到解决
 
为了解决总像素数数目不足以及摄像机灵敏度较低的问题,日本NHK科学与技术研究实验室最初的解决方案是:采取具有四个传感器芯片的成像设备——以棱镜对自然光进行红、绿、蓝三基色分光,然后分别投射到四个大的图像传感器(一个用于红基色传感、一个用于蓝基色传感,另外两个用于绿基色传感)。后来,随着单个传感器芯片所能容纳的像素数数目得到提升,就采取具有三个传感器芯片的成像设备——以棱镜对自然光进行红、绿、蓝三基色分光,然后分别投射到三个大的图像传感器(一个用于红基色传感、一个用于蓝基色传感,另外一个用于绿基色传感)。
 
为了进一步地降低8K超高清晰度电视摄像机的尺寸,日本NHK科学与技术研究实验室还研制出了采用彩色单芯片图像传感器的8K超高清晰度电视摄像机。这款彩色单芯片图像传感器内置有优质的红、绿、蓝三基色光滤波器,从而无需再外置相关的棱镜来分光,于是就可以制造出紧凑型、轻量级的8K超高清晰度电视摄像机。
 
全球首款8K超高清晰度电视摄像机(2002年)体积庞大,重达80千克,内置有大型的图像传感器阵列,外只有大型的棱镜(图3中的左图)。而截至目前,日本NHK科学与技术研究实验室已经研制出紧凑型(采用单芯片图像传感器)、轻量级(仅两千克的重量)的8K超高清晰度电视摄像机(图1中的右图),并已经应用于实际的8K超高清晰度电视图像的拍摄。
 
1  8K超高清晰度电视摄像机技术已经取得相当重大的突破
资料来源:参考文献[1]
 
4、单芯片8K超高清晰度电视视频彩色图像传感器技术的进一步演进
 
上述的单芯片8K超高清晰度电视视频彩色图像传感器将每一个像素分解成红、绿、蓝三基色,但是,对于8K超高清晰度电视而言,3300万像素仍然是不够的。为了能制造出更为紧凑、更为实用的高质量8K超高清晰度电视摄像机,日本NHK科学与技术研究实验室已经进一步地成功研制出一款具有1.33亿像素数的符合完整规范单芯片彩色图像传感器,其所具有的像素数数目是3300万像素单芯片彩色图像传感器的4倍。(笔者注:可以进一步查阅上海情报服务平台新近所发布的《NHK研制出全球首款1.33亿像素单芯片8K超高清图像传感器》一文,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8529。)
 
这样一来,就可以生产各类8K超高清晰度电视摄像机,从而就可以满足各类景物与环境对于8K超高清晰度电视视频图像的需求。
 
参考文献:
[1]NHK, 8Kスーパーハイビジョンカメラ技術 [EB/OL].
http://www.nhk.or.jp/strl/onepoint/8kcamera.html, 2015-05-23.

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