攝像機基礎知識

1、攝像機基礎知識1.攝像機的工作原理 攝像機是一種把景物光像轉變?yōu)殡娦盘柕难b置。其結構大致可分為三部分：光學系統(tǒng)（主要指鏡頭）、光電轉換系統(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 光學系統(tǒng) 光學系統(tǒng)的主要部件是光學鏡頭，它由透鏡系統(tǒng)組合而成。這個透鏡系統(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，因而經透鏡邊緣部分的光線比中央部分的光線會發(fā)生更多的折射。當被攝對象經過光學系統(tǒng)透鏡的折射，在光電轉換系統(tǒng)的攝像管或固體攝像器件的成像面上形成“焦點”。光電轉換系統(tǒng)中的光敏原件會把“焦點”外的光學圖像轉變成攜帶電荷的電信號。這些電信號的作用是微弱的，必須經過電

2、路系統(tǒng)進一步放大，形成符合特定技術要求的信號，并從攝像機中輸出。光學系統(tǒng)相當于攝像機的眼睛，與操作技巧密切相關。 1.2 光電轉換系統(tǒng)光電轉換系統(tǒng)是攝像機的核心，攝像管或固體攝像器件便是攝像機的“心臟”，有關這一部分的內容，將在第三章里介紹。由于家用攝像機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。當攝像機中的攝像系統(tǒng)把被攝對象的光學圖像轉變成相應的電信號后，便形成了被記錄的信號源。錄像系統(tǒng)把信號源送來的電信號通過電磁轉換系統(tǒng)變成磁信號，并將其記錄在錄像帶上。如果需要攝像機的放像系統(tǒng)將所記錄的信號重放出來，可操縱有關按鍵，把錄像帶上的磁信號變成電信號，再經過放大處理后

3、送到電視機的屏幕上成像。從能量的轉變來看，攝像機的工作原理是一個光電磁電光的轉換過程。2 鏡頭及其成像原理鏡頭是攝像機最主要的組成部分，并被喻為人的眼睛。人眼之所以能看到宇宙萬物，是由于憑眼球水晶體能在視網膜上結成影像的緣故；攝像機所以能攝影成像，也主要是靠鏡頭將被攝體結成影像投在攝像管或固體攝像器件的成像面上。因此說，鏡頭就是攝像機的眼睛。電視畫面的清晰程度和影像層次是否豐富等表現(xiàn)能力，受光學鏡頭的內在質量所制約。當今市場上常見的各種攝像機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生的色散現(xiàn)象，還能減少逆光拍攝時所產生的眩光，保護光線順利通過鏡頭，

4、提高鏡頭透光的能力，使所攝的畫面更清晰。首先要熟知鏡頭的成像原理，它主要包括焦距、視角、視場和像場。焦距是焦點距離的簡稱。例如，把放大鏡的一面對著太陽，另一面對著紙片，上下移動到一定的距離時，紙片上就會聚成一個很亮的光點，而且一會兒就能把紙片燒焦成小孔，故稱之為“焦點”。從透鏡中心到紙片的距離，就是透鏡的焦點距離。對攝像機來說，焦距相當于從鏡頭“中心”到攝像管或固體攝像器件成像面的距離。焦距是標志著光學鏡頭性能的重要數(shù)據(jù)之一，因為鏡頭拍攝影像的大小是受焦距控制的。在電視攝像的過程中，攝像者經常變換焦距來進行造型和構圖，以形成多樣化的視覺效果。例如，在對同一距離的同一目標拍攝時，鏡頭的焦距越長，

5、鏡頭的水平視角越窄，拍攝到景物的范圍也就越??；鏡頭的焦距越短，鏡頭的水平視角越寬，拍攝到的景物范圍也就越大。一個攝像機鏡頭能涵蓋多大范圍的景物，通常以角度來表示，這個角度就叫鏡頭的視角。被攝對象透過鏡頭在焦點平面上結成可見影像所包括的面積，是鏡頭的視場。但是，視場上所呈現(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，對攝像來說是不能用的。所以，在設計攝像機的鏡頭時，只采用視場。需要重點指出，攝像機最終拍攝畫面的尺寸并不完全取決于鏡頭的像場尺寸。也就是說，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。當攝像機鏡頭的成像尺寸被確定之后，對一個固定焦距的鏡頭來說則相對具有一個固定的視野，常用視場來表示視野的大小。它的規(guī)律是，焦距越短，視角和視場就越大。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.它是一種半導體裝置，能夠把光學影像轉化為數(shù)字信號。 CCD上植入的微小光敏物質稱作像（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數(shù)字信號。CCD在攝像機、數(shù)碼相機和掃描儀中應用廣泛，只不過攝像機中使用的是點陣CCD，即包括x、y兩

7、個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一個方向，y方向掃描由掃描儀的機械裝置來完成。1/1.6 1000萬像素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)在市場上所說的CCD和CMOS其實都是CCD，只不過是加工工藝不同，前者是毫安級的耗電量，二后者是微安級的耗電量。隨著科學技術的不段發(fā)展,現(xiàn)在CMOS的成像問題得到了不端的改善,SONY等廠家也開始使用CMOS作為高端攝像機器的光電轉換設備.CCD它使用一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷，通過模數(shù)轉換器芯片轉換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存

8、儲器或內置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。 CCD在攝像機里是一個極其重要的部件，它起到將光線轉換成電信號的作用，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)碼相機成像的關鍵是在于其感光層，為了擴展CCD的采光率，必須

9、擴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質下降。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為傳感器的開口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。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，另一個則是CMYK補色分色法這兩種方法各有優(yōu)缺點。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別的顏色，都可以通過紅、綠和藍來組成，而RGB三個字母分別就是Red, Green和Blue，這說明RGB分色法是通過這三個通道的顏色調節(jié)而成。再說CMYK，這是由四個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，但其調節(jié)出來的顏色不及RGB的多。 原色CCD的優(yōu)勢在于畫質銳利，色彩真實，但缺點則是噪點問題。3.1.3. 感光層 感光層為CCD的第三層，這層主要是負責將穿過濾色層的光源轉換成電子信號，并將信號傳送到影像處理芯片，將影像還原。 CCD芯片就像人的視網膜，是攝像機的核心。目前我國尚無能力制造，市場上大部分攝像機采用的是日本SONY、SHARP、松下、富士、CANON等公司生產的芯片，各廠家獲得途徑不同等原因，造成CCD采集效果也大不相同。在購買時，可以采取如下方法檢測：接通電源，連接視頻電纜到監(jiān)視器，關閉鏡頭光

11、圈，看圖像全黑時是否有亮點，屏幕上雪花大不大，這些是檢測CCD芯片最簡單直接的方法，而且不需要其它專用儀器。衡量好壞的指標很多，有像素數(shù)量，CCD尺寸，靈敏度，信噪比等，其中像素數(shù)以及尺寸是重要的指標。CCD尺寸，亦即攝像機核心部件。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。 2/3英寸為廣播級尺寸。3.2 CCD的技術指標的像素數(shù) 是指上感光元件的數(shù)量。攝像機拍攝的畫面可以理解為由很多個小的點組成，每個點就是一個像素。顯然，像素數(shù)越多，畫面就會越清晰，如果沒有足夠的像素的話，拍攝出來的畫面的清晰度就會大受影響，因此，理論上的像素數(shù)量應該越多越好。但像素數(shù)的

12、增加會使制造成本以及成品率下降，而且在現(xiàn)行（標清）電視標準下，像素數(shù)增加到某一數(shù)量后，再增加對拍攝畫面清晰度的提高效果變得不明顯，因此，一般一百萬左右的像素數(shù)對一般的使用已經足夠了。 靈敏度 也稱為最小照度。是CCD對環(huán)境光線的敏感程度，或者說是CCD正常成像時所需要的最暗光線。照度的單位是勒克斯（LUX），數(shù)值越小，表示需要的光線越少，攝像機也越靈敏。月光級和星光級等高增感度攝像機可工作在很暗條件，23lux屬一般照度。 勒克司（lux,法定符號lx）照度單位，為距離一個光強為lcd的光源，在1米處接受的照明強度，習稱：燭光.米。亦即距離該光源1米處，1平方米面積接受1lm光通量時的照度。3

13、.2.3 CCD 的尺寸攝像機和相機規(guī)格表中的CCD一欄經常寫著“1/2.7英寸CCD”等。這里的“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸，實際上就是CCD對角線的長度?，F(xiàn)有的攝像機一般采用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，接收透過鏡頭的光并將其轉換為電信號。在像素數(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，理論上可以說有利于提高畫質。目前專業(yè)級的芯片大多數(shù)為1/3”和1/2”1英寸靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm，對角線16mm。 2/3英寸靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm，對角線11mm。 1/2英寸靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm，對角線8mm。 1/3英寸靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm，對角線6mm。 1/4英寸靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm，對角線4mm。 單，指攝像機里只有一片并用其進行亮度信號以及彩色信號的光電轉換，其中色度信號是用上的一些特定的彩色遮罩裝置并結合后面的電路完成的。由于一片同時完成亮度信號和色度信號的轉換，因此難免兩全，使得拍攝出來的圖像在彩色還原上達不到專業(yè)水平的要求。 三，就是一臺攝像機使用了片。我們知道，光線如果通過一