摄像机的彩色校正——线性矩阵及其调整

摄像机的彩色校正——线性矩阵及其调整中仪索尼技术服务中心总工程师赵力一、摄像机的线性矩阵的作用在彩色电视系统中，专业摄像机将光学图像分解成红、绿、蓝三色，由三片CCD 转变成三基色电信号，它既是一个光-电转换设备，又是一个彩色分光设备；显像部分则将接收到的信号放大、解码，还原出三基色信号，并据此分别控制轰击红、绿、蓝三色荧光粉的电子束的强度，使荧光粉受激发光来还原图像，它既是一个电-光变换设备，又是一个彩色混配设备。

整个电视系统都必须按照三基色原理工作：彩色摄像机根据彩色显像管的三基色荧光粉的色度特性来正确分解色光；信号传输部分保证不失真地传送摄像机的输出信号，严格保持三基色信号比例不变；显像部分在准确的三基色信号的作用下控制荧光粉发光来逼真地重现彩色图像。

摄像端和显像端的光-电和电-光变换工作，在色度学上互为逆变换。

这就要求摄像机的理想分光特性应与显像管荧光粉的混色特性相一致。

PAL制彩色电视采用D65的基准白，其荧光粉色坐标如下：x yRe 0.64 0.33Ge 0.29 0.60Be 0.15 0.06基准白（D65）0.313 0.323根据以上坐标可得到PAL制荧光粉的混色曲线，也就是摄像机的理想光谱响应如图1-1。

实际上，摄像机的光谱响应是由镜头的透过特性、分光系统的分光特性和摄像器件的光谱灵敏度综合决定的。

如图1-2示，实际曲线与理想特性图1-1差别较大，特别是理想特性中有负值，而实际的光谱响应中却没有，这就会使得摄像机输出U R、U G、U B的比例偏移应有值，引起彩色失真，所以必须进行补偿，亦即彩色校正（a 为镜头的透过率响应；b为分光特性；c为摄像器材的光谱响应；d 为输出电压的光谱响应）。

彩色校正的方法一般有修正和合成两种。

修正法是略去光谱响应的负区而只保留其正区，并将正区适当压缩以使重现彩色的失真程度限制在容许范围内。

但该法除了不够精确以外，还因减少CCD入射光的能量而使摄像机灵敏度有所下降。

合成法是把光电器件丢掉的光谱响应曲线负区设法用矩阵电路给予近似恢复。

当今的专业摄像机均采用了该种方式来补偿没有光谱响应负区所造 图1-2成的彩色失真。

另外，为了加强拍摄艺术效果，有时需要人为地改变某种颜色的饱和度或色调，也需要由矩阵来进行可变的彩色校正，这实际上是扩大了彩色校正的适用范围。

二、 线性矩阵的调整系数由混色曲线可以发现，R 、G 、B 每条曲线的负区和正次区都在相邻曲线的正区下面， 因此每个基色光谱响应的负瓣都可以用其他两基色信号倒相后以适当的比例来模拟，红基色的次正瓣也可以用蓝基色的某一比例来模拟。

校正后与校正前的信号关系可用线性矩阵表示。

这些比例系数都是常数，故可以用简单的电阻分压网络来实现。

图1-2 d 中的虚线是通过线性矩阵校正后的摄像机光谱响应，就十分接近理想的光谱响应曲线。

设R 0、G 0、B 0为校正后信号，R 、G 、B 为校正前信号，则彩色校正信号可表示为：线性彩色校正电路接入视频处理电路中不应该影响白平衡。

由于摄像机各路增益是按 白色平衡条件来调整的，即当摄取白色景物时，三路输出R 、G 、B 的幅度应相等，也就是说校正后的三基色应该保持R=G=B 。

因此上述矩阵的系数应该满足：a +b +c =1a = 1-b -cd +e +f =1 e = 1- d -fg + h + i =1 i = 1- g – h具此将彩色信号矩阵转换为如下形式：R 0 = R + b (G-R) + c (B-R)G 0 = G + d (R-G) + f (B-G)B 0 = B + g (R-B) + h (G-B)由此可得色差信号校正电路，这种电路只需要6个参数。

其优点是由各基色信号相减 组成的色差信号，很容易利用差分放大器得到。

并且由于色差信号的频带较窄，由它们作为校正信号将引入较少的杂波。

这6个参数均可由摄像机电路调节，不仅可以补偿光谱响应所引起的失真，而且有助于解决不同彩色摄像机的彩色匹配问题。

在SONY 的摄像机中均采用了这6色差系数调整方式，即在G 路中调节R-G 、B-G 的系数，在R 路中调节G-R 、B-R 的系数，在B 路中调节G-B 、R-B 的系数就可以进行彩色校正。

由于在图像信号进行相加和相减时，具有均匀功率谱的随机杂波总是功率相加，不能相减的。

所以若校正系数调节不当，杂波就会增加。

为使输出信号的信杂比不致明显下降，校正信号的矩阵系数值不可太大,表示各路信号本身的系数a 、e 、i 常在1~1.5的范围内，而其他用于进行校正的信号系数多为负数，且其绝对值小于1。

SONY 摄像机常采用-99~99的相对数值表示。

由于彩色校正的效果不应受到黑斑效应和伽玛校正等非线性电路的影响，为此线性彩色校正电路一般放在黑斑校正之后和伽玛校正之前，以便能准确进行补偿。

采用线性矩阵后，可使摄像机光谱响应曲线不论在正区或负区都能与显像三基色混色曲线相匹配。

但实际上在荧光屏上只有响应正值才起作用，所以只有位于显像基色三角形内的色彩才能正确重现。

对于三角形以外的色彩来讲，重现色度的坐标将移到三角形的边上。

三、 彩色校正技术的发展--多区线性矩阵在传统的模拟摄像机中，为了能在各种光照下都拍摄出彩色逼真的图像，一般都设置 a b c d e f g h i R G B R 0 = G 0 = B 0 =了2至3种不同系数的线性矩阵电路，用户可以很方便地用开关进行选择。

如Sony 的专业摄像机DXC-637P 、DXC-D30P 等均在侧面板设有适合荧光灯下拍摄的FL 模式、可以提高饱和度的H.SAT 模式等。

而现在的数字摄像机或摄录一体机将彩色校正功能大大加强，实现了多区彩色校正功 能：色度信号根据彩色相位被分为16个区域，可分别在这16个区间内进行色调和饱和度的控制。

见图3-1。

通过对选择的颜色进行增减或替换，能够进行独特而创新的再处理，类似于后期制作中的二级色彩特技处理。

十分便于多摄像机之间的色彩匹配调整和创造独特色彩效果。

图3-1-A 四、 线性矩阵的应用及效果彩色校正通过线性矩阵电路变换，可以改变画面的色调，营造出与现实场景不同的夸张的色彩氛围。

见图4-1。

图4-1-A 图4-1-B它不同于滤色镜的使用，既可以营造不同的场景气氛，又不必担心象使用滤色镜那样 会引起透光率下降、色彩还原和饱和度下降问题，具有其独特的技术优势。

图4-2-A 图4-2-B 图4-2-C1 2 3 4 5 6 7 81111119 1RG B图3-1-B彩色校正打开后的效果及矢量波形示例见图4-2（图4-2-A为MA TRIX OFF的矢量图；图4-2-B为标准MATRIX 打开的矢量图；图4-2-C为红色加重的MATRIX打开的矢量图）。

五、线性矩阵的调整方法如果在实际拍摄过程中能够有意识地使用线性矩阵（MATRIX）来校正彩色，往往能获得出人意料的效果。

但是面对一层又一层的菜单设置，以及不同定义的线性矩阵，用户经常常感到无所适从，不知从何处下手，又担心调乱了恢复不回来，陷入一种“明知东西好，就是不会用”的尴尬局面。

例如在SONY的几款高档摄像机/摄录一体机中（如高清多格式HDW-F900、高清HDW-750、IMX摄录一体MSW-900P、最新演播室摄像机BVP-E10P等），线性矩阵的种类就有USER MATRIX、MULTI MATRIX、PRESET MATRIX及OHB MATRIX等，各不相同；所调整的MATRIX数据是在REFERENCE FILE里，还是在OHB FILE或SCENCE FILE里，效果也不一样；工厂设置、开机状态及菜单复位的数据也不尽相同。

功能十分强大，但调整也相当复杂。

要知道线性矩阵调什么、怎么调，得心应手，并不是一件容易的事。

下面就以彩色校正最为全面的高清多格式摄录一体机HDW-F900为例进行分析（实际上HDW-750、MSW-900P、BVP-E10P的菜单与之几乎一样）。

首先可见线性矩阵的菜单界面如下(图5-1)：图5-1-A 图5-1-B 图5-1-C 其中：USER MATRIX（用户矩阵）-- 在PAINT菜单里，可像传统摄像机一样调整线性矩阵（R-G、R-B）、（G-R、G-B）、（B-R、B-G）六组系数的大小；MULTI MATRIX（多区彩色矩阵）-- 在PAINT菜单里，将整个色调区间分为（0-22）、（23-44）、（45-67）、（68-890、（90-112）、（113-134）、（135-157）、（180-202）、（203-224）、（225-247）、（248-269）、（270-292）、（293-314）、（315-337）、（338-360）十六个区间。

可在每个区间内单独调整其色调和饱和度。

OHB MATRIX（OHB矩阵）-- 在MAINTENANCE菜单里，象多区彩色矩阵一样，将整个色度区间分为十六个区间，可在每个区间内单独调整其色调和饱和度，主要用于调整多台摄像机或摄录一体机之间的彩色匹配。

PRESET MATRIX（预置矩阵）-- 将线性矩阵的（R-G、R-B）、（G-R、G-B）、（B-R、B-G）六组系数复位到工厂设置，根据不同制式（SMPTE-240M、ITU-709、SMPTR-WIDE、NTSC、EBU、ITU-609等）匹配不同的标准线性矩阵系数。

上述四种矩阵之间的结构安排可由图5-2表示：图5-2如果不涉及多台摄像机或摄录一体机之间的彩色匹配，OHB MATRIX在单机使用时可以不加考虑（其开关工厂设置为OFF状态，PHASE、HUE和SAT的初始值均为0），因此将其安排在维修菜单（MAINTENANCE MENU）里，使用时由视频工程师进行调整，由用户控制的矩阵校正开关（上图MATRIX SW）打开与否对其没有影响。

而PRESET MATRIX 就是针对不同的混色曲线（制式不同，采用的标准光源基准不同，荧光粉的色坐标不同）由工厂所精确计算和实验所作出的补偿。

HDW-F900为多格式摄录一体机，故其PRESET MATRIX就有ITU（国际电讯联盟）、SMPTE（美国电影电视工程师协会）、EBU（欧广联）之分。

这是最基础的彩色校正（用来补偿光谱响应曲线所失去的负区部分），而USER MATRIX、MULTI MATRIX的校正数据都是叠加在PRESET MATRIX之上的。

为了便于理解和实际操作，可以简单的认为USER MATRIX是粗调，而MULTI MATRIX 是细调。

其数据结构见图5-3示。

图5-3REFERENCE FILE里储存的是视频工程师所调整的用户PAINT数据。

调整可用SETUP MENU 或MSU进行，数据储存在摄像机内或记忆棒（MEMORY STICK）里。