廣播鏡頭的構造

廣播鏡頭主要包括如下幾種：用于在廣播電視臺演播室進行拍攝的演播室變焦鏡頭；用于進行體育活動轉播的現場變焦鏡頭；在報道、外景拍攝等進行節(jié)目制作的各種場合使用的ENG/EFP鏡頭等。

為了滿足專業(yè)影像制作現場提出的嚴格的光學性能要求，廣播鏡頭采用非球面透鏡、螢石等光學元件，采用可將數十枚之多的透鏡進行合理配置的先進的光學設計技術，提供高精細的沒有幾何扭曲、滲色的4K/HD圖像。此外，廣播鏡頭搭載了高精度的位置檢測元件（編碼器）以及控制IC，實現了優(yōu)秀的操作性。

此次“訪談”的研發(fā)人員

4K（3840×2160像素）能以４倍于HD（1920×1080像素）的分辨率顯示高精細的影像。在視頻服務方面，已有4K視頻的推送。家用4K電視價格下降，4K電視正迅速普及。還有，在2018年秋，終于要真正開始4K播出了。在這種背景下，日本國內外的廣播行業(yè)正迅速將拍攝、制作器材升級為4K器材。面對這一世界潮流，廣播鏡頭研發(fā)團隊是如何進行產品企劃的？

——日本國內將于2018年秋開始4K、8K的衛(wèi)星廣播，請問廣播行業(yè)面向4K化有多火爆？

分辨率比較

中村建城
日本從2003年左右開始進入地面數字廣播。在那個時候引入HD器材的廣播電視臺和制作公司，需要在今年2017年左右開始進行器材的更新換代。要對器材進行更新換代的話，會換成更高性能的器材，因此會需要以鏡頭為首的支持4K的產品。目前，日本國內對4K器材的需求很旺盛，而對HD器材的需求則日漸萎縮。

在美國，要說地面廣播的話，在4K推廣方面不太積極，但Netflix等網絡方面的視頻推送服務確實在4K化。在歐洲，以足球等體育頻道為中心，4K器材的引進如火如荼地進行著。

另外，在發(fā)展中國家，數字化廣播剛剛開始，但這些國家并不想先使用HD，而是與發(fā)達國家一樣，想直接使用先進的4K器材。

——4K市場在世界范圍內都很火啊。

「UHD-DIGISUPER 27」與「DIGISUPER 27」比較

中村
但是，如果在器材大小、重量以及使用性上比HD差，那么人家還是不會買的。價格方面也是這樣。這次用于4K廣播的27倍演播室箱式鏡頭UHD-DIGISUPER 27，其研發(fā)目標是在使用性和價格上等同于HD版的DIGISUPER 7。

——關于UHD-DIGISUPER 27，是如何進行產品企劃的？

鈴井正毅
這次的產品企劃是從“演播室變焦鏡頭中的4K到底是什么？”的疑問中開始的，在問題討論過程中，“使用以往的評價裝置和組裝工序是否行得通？”這一課題逐漸浮出水面。

我們較大程度地發(fā)揮了廣播鏡頭相關研發(fā)、評價、制造各部門全都集中在宇都宮地區(qū)的優(yōu)勢，從初始階段開始就展開了各部門極為密切的合作，逐漸定下了器材的規(guī)格。

活躍在足球4K廣播中的現場箱式鏡頭「UHD-DIGISUPER 86」

堀雅雄
佳能從10年前的2007年開始銷售現行HD用的27倍演播室箱式鏡頭DIGISUPER 27，它因“分辨率高”“易于合焦”而受到用戶的高度好評。因此，用戶對它的4K版鏡頭寄予了很高的期望。正因為如此，我們特別在意成像性能，如4K獨有的分辨率以及色彩還原等。另外，一般情況下，在足球、棒球和高爾夫球等室外體育轉播方面，大多使用高倍率的UHD-DIGISUPER 86等。但聽說歐洲的足球、日本的高爾夫的果嶺周邊等體育轉播中，使用演播室箱式鏡頭的情況也很多，因此在UHD-DIGISUPER 27的研發(fā)中，對這方面也有所考慮。

從技術方面來說的話，就是首先找出問題，如用現行的技術能在多大程度上實現所要求的4K性能？缺少哪些技術？要想讓用戶從HD環(huán)境順利地過渡到4K環(huán)境需要什么東西？然后，在找出問題的基礎上，確定目標。

例如，現有的變焦鏡頭上有一個在后焦（Flange Back）※1合焦時使用的調整機構。如果變成4K的話，對于使用該調整機構進行調整導致的圖像變化，必須盡量地進行抑制。就這樣，我們把課題一個一個地找了出來。

※1 后焦（Flange Back）：鏡頭安裝面到成像面的距離。

對于新研發(fā)的4K演播室箱式鏡頭，其研發(fā)目標是：既具備與4K相符的成像性能，又實現與HD版同等的大小和使用性。光學設計組對透鏡單元的構造和材料從頭開始重新審視，一邊在小組內暢所欲言、交換意見，一邊反復進行嘗試。

——在光學設計上，HD與4K是不是有很大的區(qū)別？

堀
與HD相比，4K圖像傳感器的像素間距約減半，所要求的像差水平也隨之變嚴。舉例來說，我們曾修改了幾個設計目標，其中之一就是把導致畫面周邊滲色的倍率色差減半。為了在等同于HD版的器材尺寸下實現這些目標和用戶的要求，與HD版相比，必須對透鏡的構成進行大幅度的更改。另外，在設計模擬、透鏡玻璃材料的光學特性、攝像機功能等方面，較近這10年也出現了很大的進步，我們把這些變化積極地吸收到光學設計中來，逐漸確立起符合4K產品的光學設計環(huán)境。

——設計、研發(fā)是按怎樣的流程進行的？

桑野領
首先，光學人員用CAD等工具對透鏡的形狀、配置進行大致的設計。然后，將大致的設計結果分享給機械設計、電氣設計和制造的相關人員，并與他們一起討論：如何移動透鏡，在哪個部分進行調整等。我們反復進行溝通交流，比如“這個地方因客觀條件制約而難以實現，光學設計能不能想想辦法？”等。

鈴井
如果將鏡頭4K化、高精細化，那么透鏡移動組※2肯定是會變重。如此一來，當攝像機朝向上方或下方時，就會出現問題，比如透鏡移動組不能如愿地移動，不能停在目標位置等。另外，能否在高溫或低溫環(huán)境下順利工作這一點也很重要。光學人員進行設計，機械人員進行透鏡移動組的模擬，然后電氣人員驗證能否在相應條件下運行，并將驗證結果反饋給光學和機械人員。

※2 透鏡移動組：在全體透鏡中根據合焦或變焦操作來移動的透鏡。

——制造人員也是從很早階段開始就參與進來了是吧。

川口岳
是呀。制造人員可以從零部件的確保和組裝的角度提出意見，比如“希望在這個地方設一個調整機構”，再如“關于這個部分的要求精度，能不能稍微緩和一點”等。

堀
在制造人員和測試人員也都來參加的討論會上，我們就這樣互相交換意見，如果設計被否決了，那就由設計人員進行修改。得到各方面人員“可實現質量目標”的預估后，就會落實到設計圖中，然后實際制作試制品。這只是萬里長征走完了第一步。制作出試制品后，就進入評價測試階段，確認其性能和可靠性是否達到設計值。如果沒有問題，就進入批量生產階段。

鈴井
我想您聽過之后就會明白，在這種廣播器材的研發(fā)方面沒有什么捷徑可走。妄想有一個明確的流程，只要一步一步地回答“是”或“否”就能完成研發(fā)，這是不可能的。

當然，我們會使用模擬軟件等，但實際經歷過之后就會明白：如果沒有光學、機械、電氣、測試、制造等各個領域的工作人員一邊交換意見一邊推進工作，那么較終是無法完成任務的。即使在工廠組裝階段，設計人員也會參與進來、提供支持。

——鏡頭的試制好像很費成本啊。

堀
廣播鏡頭用的透鏡中，大點兒的每1枚直徑大約有20cm，成本非常高。正因為如此，才會從研發(fā)初期的設計階段開始就讓測試、制造人員也參與進來，以便從各種角度發(fā)現要解決的課題。

為了較大限度地發(fā)揮4K的光學性能，要求驅動鏡頭的機械需實現遠高于以往的高精度。單是螺絲的擰法就能給性能帶來巨大的影響。設計和制造人員，通過不斷地研究討論，不斷地摸索較合適的解決方案。

——關于機械，哪些地方是關鍵？

桑野
在發(fā)明制造方面，總是會在制造階段出現偏差。在考慮這些偏差的基礎上，思考如何才能實現光學設計人員設計的光學性能，這是相當燒腦的。

例如，在一片片透鏡的支承方法上，像支承方向、支承位置等，必須要考慮的要素有很多很多。另外，當透鏡移動組發(fā)生了超過容許值的晃動時，如何才能實現滿意的精度？是通過部件精度來控制？還是通過機械構造來抑制？抑或是在組裝時進行調整？這些問題費了我們很多的力氣才定下來。我們還會聽取組裝人員的意見，如果無法在組裝階段解決，那么我們就進行設計修改等。

——這些研究是在模擬軟件上進行的嗎？

桑野
單靠模擬的話，有些地方是無論如何也整不明白的，所以在這種時候，我們也會單獨就特定的機構進行簡易的試制。

川口
透鏡過度緊固會發(fā)生扭曲，從而對拍攝出的影像產生影響。如果是厚點兒的透鏡，那么一定程度的強力緊固也是沒有問題的。但是4K的話，扭曲對圖像的影響比HD要大得多，因此對于緊固時的力度需要進行詳細的規(guī)定。

鈴井
設計大致分為光學、機械、電氣這幾部分，但實際上機械設計人員是較苦的（笑）。因為光學那邊會說“請做好支承，以便切實發(fā)揮設計性能”，電氣那邊會說“請整得輕點兒，以使透鏡無論在什么條件下都能準確移動”。除此之外，機械設計人員還得考慮實際制造方面的問題。

桑野
與其它的鏡頭產品相比，在廣播用變焦鏡頭的研發(fā)上，研發(fā)部門與工廠的聯系更加緊密。即使是在批量生產開始之后，也會出現設計人員與工廠組裝部門一起研究討論的情況。

——這是由于精度要求水平很高的緣故嗎？

桑野
是的。僅靠單個部件或透鏡方面的精度的話，是無法實現所要求的性能的，組裝作業(yè)人員的調整作業(yè)是不可或缺的。如果對組裝或調整作業(yè)有改進需求，那么設計人員也會來到組裝現場，認真汲取現場提出的意見并一起考慮解決方法。如果不這樣的話，同樣的問題會延續(xù)到下一個產品上。

——這次在制造方面大費周折的是哪些地方？

川口
在焦點移動方面費了很多周折。如果是靜態(tài)相機的話，只要進行變焦并在該位置上合焦就沒有問題了。但是，如果是視頻拍攝，那么即便是在變焦過程中，也必須正確合焦。變?yōu)?K后，對精度的要求更嚴格了。鏡頭有調整機構，它通過使用名為墊片（Washer）的部件來調整透鏡之間的間隔，這個調整本身是非常精密的。精度要求更高了，因此必須實施更為精細的調整。

當我們遇到在制造方面變難，無法進行調整的情況時，我們會向研發(fā)部門反饋，請求進行構造方面的變更。

——4K鏡頭在性能測試方面也比HD困難的多吧？

堀
為了將鏡頭表面的面精度※3控制在HD的一半的水平，我們新引入了高分辨率的測量儀器，并嚴格進行管理。此外，在變焦鏡頭的分辨率和色彩再現性方面，也要求比HD的性能翻倍，因此我們采用了符合4K產品的高判斷基準進行測試和管理。廣播用變焦鏡頭并非只要能拍攝細微的東西就可以了，這種鏡頭不但要重視圖像對比度，而且還需要采取措施以減少鬼影和眩光※4。

※3 面精度：加工后的面與理想面之間的形狀誤差。

※4 鬼影、眩光：鏡頭內部反射導致的重影或將后方的光拍攝進去的現象。

無鬼影和眩光的示例

有鬼影和眩光的示例

廣播用專業(yè)產品正在走向高精細化，正在向4K、甚至8K進化。廣播現場到底需要什么樣的器材？廣播鏡頭的團隊從研發(fā)到制造同心協力，共同探尋用戶需求，以期實現易用性較優(yōu)。

——關于UHD-DIGISUPER 27，其賣點之一是與HD鏡頭具有同等的使用性，在這一點上，佳能在哪些地方下了功夫？

“UHD-DIGISUPER 27”與“DIGISUPER 27” 溝槽位置比較

桑野
先于UHD-DIGISUPER 27上市的UHD-DIGISUPER 86為了提高光學性能，將重心往前挪了，挪到了比HD鏡頭還要靠前的位置。因此，在設計上，與以往相比，把搬運時手抓的溝槽也進一步往前延伸了，以便拿穩(wěn)。為此，對內部構造也進行了修改。UHD-DIGISUPER 27也沿襲了這一設計思路，與HD鏡頭DIGISUPER 27相比，更加方便搬運。再加上在重量上實現了輕量化，便于搬運和輕量化兩者相得益彰，有望實現很高的機動靈活性。

除此之外，在電氣系統方面進行了通用化設計，用戶持有的周邊配件可以原封不動的拿來用，因此在使用方面不遜于HD。

鈴井
類似的努力還多著呢。廣播現場的工作人員強烈要求機身變短點兒，說想使用廣角端拍攝。一開始我百思不得其解，明明那么大一個電視臺，怎么就這么在乎設備的大小呢？實際到現場一看才明白，即便是大的電視臺，其錄制節(jié)目的演播室也大多狹小而局促。類似這種沒有商量余地的現場狀況，我們也在產品設計中考慮了。

我們通過電視臺或節(jié)目組收到了各種各樣的需求，比如“希望這個按鈕是傾斜的”，“希望能靠直覺來操作”等。我們收到這些需求之后，就會下功夫努力實現。雖然這樣的研發(fā)工作非常不容易，但是當我們通過所收看的電視臺節(jié)目看到這些需求背后的原因時，切實感到自己通過技術與攝影師進行了溝通交流。

——請各位談談，今后在廣播鏡頭方面，會有哪些性能需求？

堀
目前，在廣播市場，在追求4K、8K高精細化的同時，HDR※5和BT.2020※6的色域擴展等技術開始普及，要求變焦鏡頭的分辨率和色彩再現性提高到極限。隨著圖像傳感器細微化的發(fā)展，在追求成像性能時必須考慮到衍射※7的影響等各種因素。另外，伴隨著攝像機機身的小型化，要求變焦鏡頭更加小型輕量化。將符合這種市場動向的、成像性能高、使用性好的產品及時地提供到市場上，我認為這就是今后對廣播鏡頭的要求。

此外，較近從HD向4K過渡的過程中，用戶較在意的是焦點。如果焦點稍有偏移，那么在大屏幕上馬上就會模糊不清，非常扎眼，因此今后可能會需要改善控制器的操作性，或者需要像自動對焦那樣的功能。

※5 HDR：是High Dynamic Range的簡稱，該技術用于擴大影像具有的亮度范圍（動態(tài)范圍）。

※6 BT.2020：2012年8月發(fā)行的UHDTV的色域標準。可對自然界存在的顏色中約99.9%的顏色進行再現。

※7 衍射：光波或聲波等在前進的過程中，遇到障礙物時繞到障礙物背后的現象。在照片拍攝中，繞到光圈背后的光無法到達圖像感應器，因此會呈現分辨率低、對比度底的畫質。

邊看取景器邊用控制器進行合焦

鈴井
雖然廣播用攝像機上附帶的取景器不是我們的范疇，但是今后包括取景器和控制器在內，對于用戶確認焦點的方法我們也必須納入考慮范圍內。成為4K或8K后，靠通常廣播用攝像機上附帶的7英寸左右的取景器，是無法判斷有沒有正確合焦的。例如，在戶外拍攝后，在大型顯示器上確認時發(fā)現模糊不清，那可就完蛋了。如何用我們的技術解決這種問題？這將會是今后的一個課題。

——廣播鏡頭是用戶要求水平非常高的一個領域，這種發(fā)明創(chuàng)造對工程師提出了哪些方面的要求？

桑野

在研發(fā)現場，使用3D CAD和模擬工具等成了家常便飯。但是，基本不會出現單憑這些虛擬工具就能解決問題的情況。我的體會是：看到實物！觸摸實物！如果平時不養(yǎng)成這種好習慣，那么到后面就會吃很多苦頭。幸運的是，宇都宮事業(yè)所內有工廠，我們能立馬看到實物。另外，腿腳勤快、迅速反應，這對工程師來說也是非常重要的。

川口

我在大學學的是機械設計，但是如果光懂機械而不懂光學等，那就無法面對意料之外的事態(tài)。我認為，那些興趣廣泛的、對各種領域感興趣的人比較適合做制造工程師。

堀
面向今后越來越高的要求，我要用自己研發(fā)的產品來擔負和改變今后的影像表現！抱著這種決心，用挑戰(zhàn)精神來進行光學設計，這是很有必要的。UHD-DIGISUPER 27這款產品在規(guī)格和性能兩者兼得方面下了不少苦功，在該產品中奉行的用戶第一的研發(fā)原則受到了高度評價，而且我本人常看電視、電影，因此對于能夠繼承前人累積下來的光學技術并使之進化為4K，能夠與大家一起攜手使這款產品面世，我感到非常驕傲。

鈴井
在BtoB業(yè)務現場，研發(fā)人員與客戶直接建立起信任關系，能與客戶產生同感，我覺得這是很重要的。

以前，電視臺有位攝影師曾經跟我說過，“請把變焦速度加速時的感覺整得就像踩外國車踏板時的感覺”（笑）。于是我就去租車的地方租了一輛車，體驗了一把踩外國車踏板的感覺，后來我把這事兒告訴了那個攝影師，攝影師笑著說我，“從沒見過像你這樣的”。這個時候，我感覺到，攝影師對我抱有的“任何要求都努力去理解”的態(tài)度給與了認可。對于這種極度抽象的、定性的需求，反復理解并定量化是非常困難的，但與攝影師建立起信任關系后，就會從攝影師那里得到非常具體的建議，從而較終體現到產品中。

定量化的技術是可以模仿的，但在長時間或各種故事中培養(yǎng)起來的信任關系卻是難以輕易模仿的。在日常工作中，我感覺這就有BtoB業(yè)務的本質，這正是我們這種研發(fā)人員應該具備的素質。

中村

較近，虛擬工具和智能手機日益盛行，僅憑單槍匹馬就想搞定一切的人好像越來越多。但我認為，僅靠單槍匹馬就能能完成的工作幾乎不存在，跟別人溝通交流并建立起連接是很重要的。

不要認為網上學來的知識就成了自己的知識，要來到現場，聽聽現場的人怎么說。做一個善于溝通交流的人，與很多人建立起關聯，不斷地汲取自己感興趣的事情。然后，試著經歷一次挫折。希望能帶著這種活力從事發(fā)明創(chuàng)造。

有極高精度要求的產品，其誕生的過程其實是非常樸實無華的。

看到美麗的影像，我們會自然而然的說“美麗”。那么，到底什么是“美麗”？從SD到HD，再到4K，然后再到8K，影像更加高精細，更加接近“真實”。然而，對“是否美麗”、“是否真實”做出鑒定的，說到底還是我們的大腦。

要將抽象的、難以捉摸的感性需求體現到產品中，惟有與用戶反復溝通交流，并由研發(fā)同仁們共同探究、一起努力，一步一步地向前推進。

要想制造出能在世界頂尖水平上爭鋒的產品，除了需要高度發(fā)達的技術水平外，團隊合作也是非常重要的。這應該是日企在全球競爭中的一大優(yōu)勢。

采訪與撰稿

山路 達也（Yamaji Tatsuya）
1970年出生。曾擔任雜志社編輯工作，后獨立成為自由撰稿人/編輯人。目前活躍在IT、科學、環(huán)境領域，從事采訪和寫作活動。
著書有《Apple、Google成為神的日子》（與他人合著）、《新超傳導入門》、《Google的72小時》（與他人合著）、《彈言》（與他人合著）等。