攝像機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

1、攝像機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.攝像機(jī)的工作原理 攝像機(jī)是一種把景物光像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置。其結(jié)構(gòu)大致可分為三部分：光學(xué)系統(tǒng)（主要指鏡頭）、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（主要指攝像管或固體攝像器件）以及電路系統(tǒng)（主要指視頻處理電路）。 1.1 光學(xué)系統(tǒng) 光學(xué)系統(tǒng)的主要部件是光學(xué)鏡頭，它由透鏡系統(tǒng)組合而成。這個(gè)透鏡系統(tǒng)包含著許多片凸凹不同的透鏡，其中凸透鏡的中比邊緣厚，因而經(jīng)透鏡邊緣部分的光線比中央部分的光線會(huì)發(fā)生更多的折射。當(dāng)被攝對(duì)象經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)透鏡的折射，在光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的攝像管或固體攝像器件的成像面上形成“焦點(diǎn)”。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的光敏原件會(huì)把“焦點(diǎn)”外的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成攜帶電荷的電信號(hào)。這些電信號(hào)的作用是微弱的，必須經(jīng)過(guò)電

2、路系統(tǒng)進(jìn)一步放大，形成符合特定技術(shù)要求的信號(hào)，并從攝像機(jī)中輸出。光學(xué)系統(tǒng)相當(dāng)于攝像機(jī)的眼睛，與操作技巧密切相關(guān)。 1.2 光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是攝像機(jī)的核心，攝像管或固體攝像器件便是攝像機(jī)的“心臟”，有關(guān)這一部分的內(nèi)容，將在第三章里介紹。由于家用攝像機(jī)大多是將攝像部分和錄像部分合為一體，下面再概述一下錄像部分的工作原理。當(dāng)攝像機(jī)中的攝像系統(tǒng)把被攝對(duì)象的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)后，便形成了被記錄的信號(hào)源。錄像系統(tǒng)把信號(hào)源送來(lái)的電信號(hào)通過(guò)電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變成磁信號(hào)，并將其記錄在錄像帶上。如果需要攝像機(jī)的放像系統(tǒng)將所記錄的信號(hào)重放出來(lái)，可操縱有關(guān)按鍵，把錄像帶上的磁信號(hào)變成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大處理后

3、送到電視機(jī)的屏幕上成像。從能量的轉(zhuǎn)變來(lái)看，攝像機(jī)的工作原理是一個(gè)光電磁電光的轉(zhuǎn)換過(guò)程。2 鏡頭及其成像原理鏡頭是攝像機(jī)最主要的組成部分，并被喻為人的眼睛。人眼之所以能看到宇宙萬(wàn)物，是由于憑眼球水晶體能在視網(wǎng)膜上結(jié)成影像的緣故；攝像機(jī)所以能攝影成像，也主要是靠鏡頭將被攝體結(jié)成影像投在攝像管或固體攝像器件的成像面上。因此說(shuō)，鏡頭就是攝像機(jī)的眼睛。電視畫(huà)面的清晰程度和影像層次是否豐富等表現(xiàn)能力，受光學(xué)鏡頭的內(nèi)在質(zhì)量所制約。當(dāng)今市場(chǎng)上常見(jiàn)的各種攝像機(jī)的鏡頭都是加膜鏡頭。加膜就是在鏡頭表面涂上一層帶色彩的薄膜，用以消減鏡片與鏡片之間所產(chǎn)生的色散現(xiàn)象，還能減少逆光拍攝時(shí)所產(chǎn)生的眩光，保護(hù)光線順利通過(guò)鏡頭，

4、提高鏡頭透光的能力，使所攝的畫(huà)面更清晰。首先要熟知鏡頭的成像原理，它主要包括焦距、視角、視場(chǎng)和像場(chǎng)。焦距是焦點(diǎn)距離的簡(jiǎn)稱。例如，把放大鏡的一面對(duì)著太陽(yáng)，另一面對(duì)著紙片，上下移動(dòng)到一定的距離時(shí)，紙片上就會(huì)聚成一個(gè)很亮的光點(diǎn)，而且一會(huì)兒就能把紙片燒焦成小孔，故稱之為“焦點(diǎn)”。從透鏡中心到紙片的距離，就是透鏡的焦點(diǎn)距離。對(duì)攝像機(jī)來(lái)說(shuō)，焦距相當(dāng)于從鏡頭“中心”到攝像管或固體攝像器件成像面的距離。焦距是標(biāo)志著光學(xué)鏡頭性能的重要數(shù)據(jù)之一，因?yàn)殓R頭拍攝影像的大小是受焦距控制的。在電視攝像的過(guò)程中，攝像者經(jīng)常變換焦距來(lái)進(jìn)行造型和構(gòu)圖，以形成多樣化的視覺(jué)效果。例如，在對(duì)同一距離的同一目標(biāo)拍攝時(shí)，鏡頭的焦距越長(zhǎng)，

5、鏡頭的水平視角越窄，拍攝到景物的范圍也就越?。荤R頭的焦距越短，鏡頭的水平視角越寬，拍攝到的景物范圍也就越大。一個(gè)攝像機(jī)鏡頭能涵蓋多大范圍的景物，通常以角度來(lái)表示，這個(gè)角度就叫鏡頭的視角。被攝對(duì)象透過(guò)鏡頭在焦點(diǎn)平面上結(jié)成可見(jiàn)影像所包括的面積，是鏡頭的視場(chǎng)。但是，視場(chǎng)上所呈現(xiàn)的影像，中心和邊緣的清晰度和亮度不一樣。中心部分及比較接近中心部分的影像清晰度較高，也較明亮；邊緣部分的影像清晰度差，也暗得多。這邊緣部分的影像，對(duì)攝像來(lái)說(shuō)是不能用的。所以，在設(shè)計(jì)攝像機(jī)的鏡頭時(shí)，只采用視場(chǎng)。需要重點(diǎn)指出，攝像機(jī)最終拍攝畫(huà)面的尺寸并不完全取決于鏡頭的像場(chǎng)尺寸。也就是說(shuō)，鏡頭成像尺寸必須與攝像管或固體攝像器件成像

6、面的最佳尺寸一致。當(dāng)攝像機(jī)鏡頭的成像尺寸被確定之后，對(duì)一個(gè)固定焦距的鏡頭來(lái)說(shuō)則相對(duì)具有一個(gè)固定的視野，常用視場(chǎng)來(lái)表示視野的大小。它的規(guī)律是，焦距越短，視角和視場(chǎng)就越大。所以短焦距鏡頭又被稱為廣角鏡頭。3 CCDCCD的全稱是Charge Coupled Device,中文名字叫電荷耦合器件.它是一種半導(dǎo)體裝置，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像（Pixel）。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫(huà)面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD在攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和掃描儀中應(yīng)用廣泛，只不過(guò)攝像機(jī)中使用的是點(diǎn)陣CCD，即包括x、y兩

7、個(gè)方向用于攝取平面圖像，而掃描儀中使用的是線性CCD，它只有x一個(gè)方向，y方向掃描由掃描儀的機(jī)械裝置來(lái)完成。1/1.6 1000萬(wàn)像素CCD3.1 CCD的組成CCD的加工工藝有兩種，一種是TTL工藝，一種是CMOS工藝，現(xiàn)在市場(chǎng)上所說(shuō)的CCD和CMOS其實(shí)都是CCD，只不過(guò)是加工工藝不同，前者是毫安級(jí)的耗電量，二后者是微安級(jí)的耗電量。隨著科學(xué)技術(shù)的不段發(fā)展,現(xiàn)在CMOS的成像問(wèn)題得到了不端的改善,SONY等廠家也開(kāi)始使用CMOS作為高端攝像機(jī)器的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備.CCD它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存

8、儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤(pán)卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫(huà)面。 CCD在攝像機(jī)里是一個(gè)極其重要的部件，它起到將光線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的作用，類似于人的眼睛，因此其性能的好壞將直接影響到攝像機(jī)的性能。 CCD由微型鏡頭、分色濾色片、感光層等三層組成,將分別敘述如下: 3.1.1 微型鏡頭 微型鏡頭為CCD的第一層，我們知道，數(shù)碼相機(jī)成像的關(guān)鍵是在于其感光層，為了擴(kuò)展CCD的采光率，必須

9、擴(kuò)展單一像素的受光面積。但是提高采光率的辦法也容易使畫(huà)質(zhì)下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再因?yàn)閭鞲衅鞯拈_(kāi)口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來(lái)決定。3.1.2.分色濾色片 分色濾色片為CCD的第二層，目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個(gè)則是CMYK補(bǔ)色分色法這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。首先，我們先了解一下兩種分色法的概念，RGB即三原色分色法，幾乎所有人類眼鏡可以識(shí)別的顏色，都可以通過(guò)紅、綠和藍(lán)來(lái)組成，而RGB三個(gè)字母分別就是Red, Green和Blue，這說(shuō)明RGB分色法是通過(guò)這三個(gè)通道的顏色調(diào)節(jié)而成。再說(shuō)CMYK，這是由四個(gè)通道的顏色配合而成，

10、他們分別是青（C）、洋紅(M)、黃(Y)、黑(K)。在印刷業(yè)中，CMYK更為適用，但其調(diào)節(jié)出來(lái)的顏色不及RGB的多。 原色CCD的優(yōu)勢(shì)在于畫(huà)質(zhì)銳利，色彩真實(shí)，但缺點(diǎn)則是噪點(diǎn)問(wèn)題。3.1.3. 感光層 感光層為CCD的第三層，這層主要是負(fù)責(zé)將穿過(guò)濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，并將信號(hào)傳送到影像處理芯片，將影像還原。 CCD芯片就像人的視網(wǎng)膜，是攝像機(jī)的核心。目前我國(guó)尚無(wú)能力制造，市場(chǎng)上大部分?jǐn)z像機(jī)采用的是日本SONY、SHARP、松下、富士、CANON等公司生產(chǎn)的芯片，各廠家獲得途徑不同等原因，造成CCD采集效果也大不相同。在購(gòu)買時(shí)，可以采取如下方法檢測(cè)：接通電源，連接視頻電纜到監(jiān)視器，關(guān)閉鏡頭光

11、圈，看圖像全黑時(shí)是否有亮點(diǎn)，屏幕上雪花大不大，這些是檢測(cè)CCD芯片最簡(jiǎn)單直接的方法，而且不需要其它專用儀器。衡量好壞的指標(biāo)很多，有像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，靈敏度，信噪比等，其中像素?cái)?shù)以及尺寸是重要的指標(biāo)。CCD尺寸，亦即攝像機(jī)核心部件。原多為1/2英寸，現(xiàn)在1/3英寸的已普及化，1/4英寸和1/5英寸多為家用機(jī)。 2/3英寸為廣播級(jí)尺寸。3.2 CCD的技術(shù)指標(biāo)的像素?cái)?shù) 是指上感光元件的數(shù)量。攝像機(jī)拍攝的畫(huà)面可以理解為由很多個(gè)小的點(diǎn)組成，每個(gè)點(diǎn)就是一個(gè)像素。顯然，像素?cái)?shù)越多，畫(huà)面就會(huì)越清晰，如果沒(méi)有足夠的像素的話，拍攝出來(lái)的畫(huà)面的清晰度就會(huì)大受影響，因此，理論上的像素?cái)?shù)量應(yīng)該越多越好。但像素?cái)?shù)的

12、增加會(huì)使制造成本以及成品率下降，而且在現(xiàn)行（標(biāo)清）電視標(biāo)準(zhǔn)下，像素?cái)?shù)增加到某一數(shù)量后，再增加對(duì)拍攝畫(huà)面清晰度的提高效果變得不明顯，因此，一般一百萬(wàn)左右的像素?cái)?shù)對(duì)一般的使用已經(jīng)足夠了。 靈敏度 也稱為最小照度。是CCD對(duì)環(huán)境光線的敏感程度，或者說(shuō)是CCD正常成像時(shí)所需要的最暗光線。照度的單位是勒克斯（LUX），數(shù)值越小，表示需要的光線越少，攝像機(jī)也越靈敏。月光級(jí)和星光級(jí)等高增感度攝像機(jī)可工作在很暗條件，23lux屬一般照度。 勒克司（lux,法定符號(hào)lx）照度單位，為距離一個(gè)光強(qiáng)為lcd的光源，在1米處接受的照明強(qiáng)度，習(xí)稱：燭光.米。亦即距離該光源1米處，1平方米面積接受1lm光通量時(shí)的照度。3

13、.2.3 CCD 的尺寸攝像機(jī)和相機(jī)規(guī)格表中的CCD一欄經(jīng)常寫(xiě)著“1/2.7英寸CCD”等。這里的“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸，實(shí)際上就是CCD對(duì)角線的長(zhǎng)度?，F(xiàn)有的攝像機(jī)一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸等尺寸的CCD。CCD是受光元件(像素)的集合體，接收透過(guò)鏡頭的光并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在像素?cái)?shù)一樣的情況下，CCD尺寸越大單位像素就越大。這樣，單位像素可以收集更多的光線，因此，理論上可以說(shuō)有利于提高畫(huà)質(zhì)。目前專業(yè)級(jí)的芯片大多數(shù)為1/3”和1/2”1英寸靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm，對(duì)角線16mm。 2/3英寸靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm，對(duì)角線11mm。 1/2英寸靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm，對(duì)角線8mm。 1/3英寸靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm，對(duì)角線6mm。 1/4英寸靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm，對(duì)角線4mm。 單，指攝像機(jī)里只有一片并用其進(jìn)行亮度信號(hào)以及彩色信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換，其中色度信號(hào)是用上的一些特定的彩色遮罩裝置并結(jié)合后面的電路完成的。由于一片同時(shí)完成亮度信號(hào)和色度信號(hào)的轉(zhuǎn)換，因此難免兩全，使得拍攝出來(lái)的圖像在彩色還原上達(dá)不到專業(yè)水平的要求。 三，就是一臺(tái)攝像機(jī)使用了片。我們知道，光線如果通過(guò)一