1.1 模拟与数字视频的区别
在介绍摄像机的基本功能与组成之前我们需清楚几个基本问题：一是基本图像的形成、隔行扫描、逐行扫描以及数字电视扫描系统；二是视频的三基色——红、绿、蓝；三是数字化是什么、模拟信号与数字信号的优劣、什么是取样；四是要数字化的原因、人工合成、画面质量、压缩与信号传输、图像效果以及图像处理。
1.1.1 基本图像的形成
你有时可能会对电视机或计算机后面那个巨大的黑壳百思不解，尤其是当你试图把它放到一个狭窄的角落里的时候。但是这个巨大的黑壳却是产生视频图像不可缺少的东西。无论是黑白电视、彩色电视、标准模拟电视（你的家里就有），还是数字高清晰电视，它们的显像原理都是相同的。为了解释这个基本原理，先让我们来看看黑白电视机的显像管（见图1.1）。
图1.1 黑白电视机的显像管
1.电子枪（Electronic Gun）
电子枪位于单色（黑白）显像管背后的尾部，它发射出非常细小但强烈的电子束。这个电子束通过显像管后的长颈在显像管的表面进行扫描，而显像管的表面则覆盖着数以千计被称为像素（Pixel）的磷质圆点。打在显像管上的电子束越强，磷质圆点就越亮。如果电子束弱得无法使磷质圆点发亮，屏幕就会显示成黑色；如果电子束以最强的强度打在磷质圆点上，屏幕就会显示成白色。
彩色电视机的显像管背后有三支电子枪，发射出三种不同的电子束。彩色显像管的表面由红、绿、蓝三种小圆点或小正方形组成，它们靠这三种电子束来激活，其中一种电子束始终打在红点上，第二种打在绿点上，第三种打在蓝点上，这三种电子束强弱的不同组合形成了我们在屏幕上见到的所有颜色。我们将在后面讨论三基色以及它们如何组合在一起形成其他颜色。
2.扫描处理
由电子枪发射出来的扫描电子束用所谓的扫描来“读”电视机屏幕，这更像我们读书的方式：从左到右和从上到下。然而，电子束扫描电视机屏幕与扫描电脑监视器有一点不同：电视机是隔行扫描，电脑监视器是逐行扫描。
①隔行扫描。我们在家中用的标准电视机常被叫做PAL制式TV。为了更好地与世界接轨，我们首先以美国NTSC（国家电视系统委员会，National Television System Committee的缩写）为例，看隔行扫描的运行方式（有关电视制式在本章后面讨论）。
NTSC系统采用隔行扫描（Interlaced Scanning），这就意味着它并不完全像人阅读的方式，电子束第一遍扫描时只扫描奇数行（见图1.2），之后电子束返回屏幕的顶点开始扫描所有的偶数行（见图1.3），电子束用1/60秒扫描所有奇数行，并产生一个场（Field），随后又同样扫描所有的偶数行，也用1/60秒的时间产生另一个场。这两个场组成一个完整的电视画面（即一帧），共花费1/30秒（见图1.4）。因此每秒钟有60个场，即30帧。
需要说明的是：两场构成一帧的目的是实现刷新率不低于1/60秒，同时隔行扫描又能降低数据量的处理。
NTSC系统：一个标准电视帧由两个扫描场组成，每秒有30帧。在标准的电视系统NTSC中，一个完整的电视帧由525个扫描行组成。
②逐行扫描。在逐行扫描（Progressire Scanning）系统中，电子枪像我们阅读一样按顺序扫描每一行。和隔行扫描一样，电子束从屏幕的左上角开始扫描第一行，之后重新跳回第二行的左边开始扫描，之后是第三行，依此类推。在最后一行扫描完成后，电子束回到左上角最初的出发点，开始第二遍扫描。每一行都要依次扫描（见图1.5）。与每一个扫描周期产生半个帧（一个场）的隔行扫描相反，逐行扫描的每一个扫描周期产生一个完整的帧。为了避免画面闪烁，要求逐行扫描的刷新率（Refresh Rate）（即完整扫描周期数）每秒至少达到60帧。
在逐行扫描中，电子枪从左至右、从上至下扫描。每一个扫描周期产生一个完整的帧，要求至少每秒60帧的刷新率。
图1.2 奇数行扫描
图1.3 偶数行扫描
图1.4 帧画面
图1.5 逐行扫描
3.数字电视扫描系统
①高清晰数字电视（Hig-resolution Digital Television Systems，缩写HDTV）采用逐行扫描和隔行扫描两种方式。之所以采用逐行扫描，是因为该种方式可以得到更清晰的画面并轻松地进行压缩处理（我们将在后面的部分讨论压缩）。但比起隔行扫描，逐行扫描的缺点是它要求的带宽更宽。而采用隔行扫描，则是因为隔行扫描可以在不占用太多带宽的情况下扫描更多行。
在美国电视制作和家庭收视中用得最多的三种数字电视：逐行扫描的480p、720p和隔行扫描的1080i系统。这三种系统产生的画质都优于标准电视。数字电视组成了高清晰电视系统。比起普通电视（NTSC）系统，HDTV系统的画面更加精致。720p和1080i都属于HDTV系统。
480p系统：480p系统的电视画面由逐行扫描的480个行组成（只比我们在PAL系统中见到的525行略少），每秒产生60个完整的帧（不是场）。尽管其画面看起来非常明晰，却不属于HDTV系统。
720p系统：720p系统的电视画面由逐行扫描的720个行组成，其扫描周期为60帧/秒。由于产生的行数和帧数很多（是NTSC系统的两倍），产生的画面极其清晰，因此将它归入HDTV系统。
1080i系统：1080i系统采用隔行扫描技术，每秒只产生30帧（60个场）。但由于其扫描的行数多，能产生优质的画面，因此也属于HDTV系统。
②DTV数字电视扫描标准：480p、720p和1080i（美国）。
③各国制式的区别。
NTSC、PAL（逐行倒相，Phase Alternating Line的缩写）、SECAM（又叫塞康制，Sequentiel Couleur A Memoire的缩写）三种制式中，NTSC制为美、日所使用，PAL制为欧洲各国、中国所使用，塞康制为法、俄所使用。NTSC电视标准为每秒29.97帧（简化为30帧），电视扫描线为525线，电视标准分辨率为720×486，24比特的色彩位深，画面的宽高比为4：3（还有16：9）。PAL有时亦被用来指625 线，每秒25格，隔行扫描，PAL色彩编码的电视制式。PAL 发明的原意是要在兼容原有黑白电视广播格式的情况下加入彩色信号。PAL 的原理与 NTSC 接近。“逐行倒相”的意思是每行扫描线的彩色信号，会跟上一行倒相。作用是自动改正在传播中可能出现的错相。早期的 PAL 电视机没有特别的组件改正错相，有时严重的错相仍然会被肉眼明显看到。近年的电视会把上行的彩色信号跟下一行的平均起来显示。这样 PAL 的垂直色彩分辨率会低于NTSC。但由于人眼对色彩的灵敏度不及对光暗的灵敏度，因此这并不是明显问题。SECAM制的主要特点是逐行顺序传送色差信号R-Y和B-Y。由于在同一时间内传输通道中只传送一个色差信号，因而从根本上避免了两个色差信号的相互串扰。亮度信号Y仍是每行都必须传送的，所以SECAM制是一种顺序同时制。
由于美国的电源供应是110V/60Hz的，为了避免电源带来不必要的干扰，美国的NTSC制采用和电源相同的频率：60Hz。在欧洲和我国制定标准的时候，都选用了和电源相同的频率：220V/50Hz。在现在的技术下，早已可以把电源的同频干扰消除得干干净净，所以50Hz和60Hz的电源供应造成的影响完全不必考虑了。
PAL制和NTSC制比较：PAL制视频带宽6MHz，水平扫描线625条，实际图像区域576条，场频50Hz。视频带宽，水平清晰度好，垂直清晰度高。系统复杂，成本稍高，大面积白色时的闪烁明显（由于刷新率不够造成）。
NTSC制视频带宽＜4.5MHz，水平扫描线525条，实际图像区域480条，场频60Hz。场频高，在出现大面积白色图像时，更多的人看不到闪烁。电视解码系统简单，成本低。清晰度低，行间闪烁明显。
事物总是螺旋式发展前进的，进入高清PAL制的国家出现了困难。虽然原来采用NTSC制的国家忍受了几十年的NTSC制的毛病，但是，在进入HDTV时代后，已不再有“清晰度低和行间闪烁明显”的问题。而如果PAL制国家采用60Hz则可以有效避免“大面积闪烁”的问题。
1.1.2 视频的三基色
当技术人员谈论RGB时，他们指的是红、绿和蓝电视三基色或它们相应的信号。红、绿和蓝被称为“基本色”，这是因为它们可以以不同比例组合形成其他所有的颜色。镜头中产生的所有画面的颜色都可以被分光镜分解成这三种基本的颜色（见下一章）。不要将电视三基色（光的三基色）与绘画（颜料）的三原色（红、黄、蓝）混淆。我们将在后面讨论为什么叫它们三基色，以及它们如何混合形成其他颜色。
1.1.3 什么是数字化
所有采用“开/关”或“是/否”值进行操作的数字视频和计算机都基于二进制编码来表示。“开”的值用1表示，“关”的值用0表示。这些二进制数字（Binary Digits），简称比特（Bits），采用的是灯泡的原理进行操作：遇到1，灯泡就亮；遇到0，灯泡就灭。在数字（Digital）世界里，相应的数字表示相应的状态，开/关脉冲的取值只能在0和1之间选择，就像灯泡不可能处于半开半关状态一样。所有数字系统都基于二进制开/关、是/否的原理。开的状态用1表示，关的状态用0 表示。
1.1.4 模拟与数字的区别
由于模拟信号与数字信号之间的技术差别相当复杂，在模拟信号（Analog Signal）的形象化过程中，信号随原波形一同波动。其过程就像一个引导你到达一定高度的缓缓上升的斜坡，无论你是小步前行还是大步迈进，最终都将到达楼梯的顶部（见图1.6）。
数字信号则更像一个楼梯，有着许多跨度相同的台阶，引导你到固定的高度。这一点非常像数字世界的是/否，你要么在台阶上，要么在台阶下，不可能在两个台阶之间（见图1.7）。
图1.6 模拟信号
图1.7 数字信号
从技术角度来讲，这个上升被分解成一系列的台阶，每个台阶都可以用一个数字来表示。虽然将模拟信号转换为数字信号的过程包含若干个步骤，但其中最重要的两个步骤是取样和量化。
1.取样
在取样（Sampling）过程中，将斜坡（模拟信号）上一定数量的点定为修建台阶（数值）的点。如果取样率较低，沿着斜坡得到的点就越少，那么得到的台阶跨度也就越大。很显然，只靠这几个跨度大的台阶并不能很好地代表斜坡（即原始的模拟信号）（见图1.8）。
相反，如果取样率较高，得到的台阶就小而多，体现出的斜坡就比较接近原始的形态（见图1.9）。
图1.8 取样率低
图1.9 取样率高
2.量化
在量化（Quantizing）的过程中，我们实际是在修建台阶，检查各个台阶的高低——量化级数。对每个台阶的高度进行测量，一个8比特的量化级数最大可以表示256（28）个台阶。
因为每个台阶都分配了一个二进制数，全部由0或1表示，因此计算机现在可以识别每一个信号台阶。
在将一个模拟信号数字化时，取样率最好高一些。当取样率高了，就能更加真实地再现模拟信号；但是取样率高了同样也有一个弊病，那就是运算的数据量多了。
1.1.5 为什么要数字化
既然模拟信号效果不错，为什么我们还要进行数字化变革？主要原因正是在这看似粗糙的开/关原理中：这种转变能最大限度地减少所有不必要的中间值，也叫人为值。你只能处于两种状态：要么站在这级台阶上，要么站在这级台阶下；如果是灯，则只能是亮或灭，数字系统（二进制）会忽略半明半暗的状态。在技术语言中，数字系统是一个有力的、健全的系统。在视频领域运用数字系统的优势主要体现在以下几个方面：画质、压缩与信号传输，以及特技效果与图像处理。
1.画质
除了高度清晰的画面之外，比起模拟视频系统，数字电视的颜色及黑白对比度也更好。这一优点在视频录制及剪辑时特别明显。数字化录制的节目质量即使在多次磁带复制下也不会有损伤，一个复制盘是原始母带的众多拷贝中的一个。比如，第一个拷贝盘是直接从母带复制的，而第二代拷贝则是从第一个拷贝盘复制的。
但如果采用模拟设备，每一个后代拷贝都会将前一个拷贝丢失的微弱信号放大，其情形与随着影印的次数逐渐增多，文字越来越模糊一样。即使用最好的模拟设备进行复制，在复制几代之后也会出现画面丢失的现象。而如果采用数字视频录像设备，后面几代复制的画质效果与原始画质的差别微乎其微，这种特性叫明晰度。有些数字录制系统产生的图像即便在复制30次后仍很少有损失。这种优点对后期制作运用复杂特技十分有利。
2.压缩与信号传输
如果只有一个公文包却有太多的材料要装，你会怎么办？数字系统时刻都要面对这样的问题。即使是高容量的数字系统，往往也没有足够的空间和带宽去传输大量的视频和音频信息，而这些优质信息是那些动人的优质画面和声音所必需的。在数字领域中，对付这个难题的办法是压缩（Compression）。在储存巨量文件时，可以将它们压缩进Macintosh系统或Windows系统，然后在需要重新打开的时候再解压缩。
①无损压缩。这表示你在将资料放进公文包时不想落下任何东西。因此，为了装下所有的材料，你必须重新收拾包裹，希望能将所有的东西都装进去。采用无损压缩，你不会丢失任何信息，只是出于方便储存和传输的目的而对文件重新进行整理。难题在于，系统仍然要处理超大的文件。
②有损压缩。现在，你不得不决定到底将哪些文件放进公文包。你真的需要3双鞋吗？只要1双行不行？只要1件而不是4件绒衣怎么样？有没有可能1件都不要呢？有损压缩不得不作出类似的选择。它们将一些不是绝对需要的数字信息删掉或丢掉。例如，计算机推测你正在行走的那片草地在下一帧时不会由绿色变为红色，于是，系统就不在每一帧中都传输绿色，而是只保留一帧中的绿色信息。有损压缩的最大优点是你出门时不必带一只巨大的公文包，也就是说，用较小的数字存储空间来储存较大的数字信息。目前两个比较流行的压缩标准JPEG和MPEG-2都属于有损压缩。前者读作“jay-peg”，为设置该标准的影像专家联合组（Joint Photographic Experts Group）的缩写形式；后者读作“em-peg”，为运动画面专家小组（Moving Picture Experts Group）的缩写。
③为提高储存能力和加速信号传送，压缩删除了冗余信息。一般压缩分为帧间压缩和帧内压缩，而帧间压缩是压缩比比较高的压缩形式。
3.特技效果与图像处理
比起模拟视频特技，数字视频特技（DVE）的灵活性更大。例如，在模拟系统中，想在较小的帧中压缩一个大的画面而不丢失任何画面内容是不可能的；而用数字设备，你却可以创造大量的复杂特技并将它们储存起来以备不时之需。在数字设备或非线性编辑当中，你可以在计算机屏幕上同时显示大量的帧，同时通过鼠标移动轻松地改变它们的次序。有了扫描仪这类数字设备，你便可以将任何实拍的图像数字化并随意调整：可以改变它的形状、大小、亮度、颜色和对比度，可以让它在画框中做弹跳运动。此外，数字系统还给你创建视频与音频的合成图像提供了条件。有了计算机，你可以不再依靠真正的光线和声音，而完全可以创建自己的数字世界。我们将在后面探讨主要的模拟及数字特技。有了数字视频的知识，下面我们就可以认识数字摄像机的基本功能与组成了。