60p的4K有多難?聊聊相機的視頻功能技術設計

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再聊今天的主題,Photokina可以說勁爆的消息一條接一條,全畫幅甚至中畫幅市場未來都會相當熱鬧,連一貫高冷的蔡司都跟進來插了一腳。不過很多東西都還在始發階段,不太好瞎聊,但松下的S1系列有一個不知道大家有沒有注意的特點:全球首發全畫幅60p 4K視頻功能。這就有點兒意思了,可以延伸來簡單說說。

60p的4K有多難?聊聊相機的視頻功能技術設計

松下擅長視頻應該是共識了,但S1系列畢竟是全畫幅,如果支持60p 4K意味著什麼呢?如果單看技術層面,簡單來說就是傳感器輸出速度非常快。但這個說法太簡單,太缺乏前提了,就視頻帶寬佔比來說:編碼方式、採樣深度、採樣幅度都是大頭。

先從幅度說起,假設4700萬像素(3:2比例8394×5596)的S1R是全寬16:9超採,也就是利用3960萬像素左右(8394×4721)的幅度實現60p 4K輸出,也就意味著它的全像素輸出可以做到50.5fps,這顯然是不現實的事情,因此它一定是大幅縮小超採幅度,如果縮小到6000×3375的2025萬像素呢(索尼堆棧式旗艦A9的4K採樣幅度規格),這時候需要傳感器全速輸出可以25.8fps,似乎也有點過分了(但松下沒有公佈規格,如果是最新制程暴力層積DRAM的話,做到這個程度是有希望的,考慮到兩家複雜的關係,這塊傳感器也很有可能來自索尼,A9之所以沒有這種規格是因為不能越界敲打自家電影器材,換句話說是商業策略原因,而非技術問題)。

60p的4K有多難?聊聊相機的視頻功能技術設計

2400萬像素的S1也是如此,如果按照6000×3375超採做60p 4K,全像素的輸出也需要50.6fps左右,情況與S1R老大哥類似,換言之就是在這種考量下,它們都需要比較明顯地縮小採樣幅度,也就是減少傳感器利用面積來實現60p 4K。不過顯然,這種算法同樣比較單純,技術上可以通過採用抽行(我覺得不太可能),或合併像素(比如GH5S的IMX294CJK所採用的Quad Bayer技術,四個像素共用一個色彩濾鏡)等方式來實現降低採樣像素總數而不減少傳感器採樣面積,但這個技術是為HDR而生的,目前來看主要應用於低有效像素傳感器上,像2400甚至4700萬這種我覺得目前可能還有難度,這應該也是Photokina上只有模型機的可能原因之一。

採樣深度方面的變數就更大了,即便是松下自家的GH5S,內錄60p 4K時也只能4:2:0 8bit,想要4:2:2 10bit就只能降低到30p,外錄的情況下才能實現4:2:2 10bit 60p。這些規格大家都應該多多少少看過,但表達的技術含義可能並不一定清楚,4:2:2這種數字比名稱為Y’CbCr,是色彩空間表達式,Y’表示亮度信息,Cb與Cr則表示綠色分量和紅色分量。因為人眼對亮度信息變化非常敏感,但對色彩信息,尤其是色彩分辨率敏感度較低,所以通過降低色彩分辨率的形式來降低數據流。完整的全採樣是4:4:4,第一個值代表水平採樣參考值,通常為4,它代表了後兩個數值的最大值。第二個值代表CbCr色度採樣像素值,可以只有1、2、4個像素參與採樣。而第三個數值代表了子採樣次數,同樣可以取值1、2、4,但這一層級的採樣是可以忽略的,可以記為0。在模擬信號領域類似的記法是YUV:

60p的4K有多難?聊聊相機的視頻功能技術設計

各種採樣的實拍對比如下圖:

60p的4K有多難?聊聊相機的視頻功能技術設計

第一行是彩色截圖,第二行則是色彩分辨率的灰度表現形式,可以看到在明度信息不變的情況下,即便第二行的差距一眼便知,但結合到圖像中我們就很難區別它們之間的差別,所以這是利用人眼特性的一種合理處理方法。畢竟4:2:2只需要4:4:4三分之二的帶寬,視覺效果卻非常接近,幾乎是各類高性能電影器材的標配了。

不同取值的Y’CbCr定義了不同的色彩採樣空間,把它想象成一條香腸的話(請不要想歪了去),色彩空間越大香腸越長,而10bit、8bit等位深信息代表的是能把這條香腸切成多少份,8bit就是256份(單個原色,下同),10bit就是1024份,12bit則是5120份……很明顯,香腸越長、切得越細,能反饋的顏色範圍更廣、準度更高,但相應的數據量就越大。

而在編碼方式上,專業電影機會支持14/12bit CinemaDNG或12bit ProRes RAW、10bit ProRes 4444XQ等原始格式,當然後端還有壓縮方式和音頻格式上的影響,比如10bit 4:2:2的IPB壓縮就可以只有150Mbps,AII-I壓縮就是400Mbps,8bit 4:2:0結合IPB壓縮就可以再進一步降低到100Mbps。GH5S能做到內錄10bit 4:2:2的確很犀利,但也有超採幅度小的減法做在前面,所以並不足為奇,但S1系列應該很難做到這個水平。

隨著電影機8K時代的臨近,對更大畫幅的需求也是呼之欲出,如果要主打視頻功能,從現在就開始起步當然是一件好事,畢竟有了機身才會有各種配件附件開始出現,不負責任地猜想松下就是這麼琢磨的,未來可期。

國慶期間有時間的話就不定期更新,有問題歡迎移步評論區~


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