第二章 彩色摄像机

图示2－1：CCD 摄像机的构成 第二章 彩色摄像机

摄像机种类繁多，世界上有很多生产厂家，用途也越来越广泛。我们可以从多个侧面来对其进行分类。一般可以按摄像机的用途、摄像机器件、摄像机器件的数量、摄像机器件的尺寸等方式分类。我们重点介绍按用途来分类，可划分为广播级、业务级和家用级三类。

广播级主要用于电视台等广播电视领域，图像质量最好。业务级摄像机主要用于电化教育、闭路电视、工业、医疗等领域，图像质量低于广播级设备，价格相对便宜。家用级摄像机主要用于家庭娱乐，如旅游、生日、婚礼、聚会等场合，图像质量一般,最常用的是“掌中宝”系列。

无论你使用的是非常精密的广播级演播室用摄像机，还是在家电市场购买的“掌中宝”，它们的主要构件和工作原理大致都是一样的。

第一节 摄像单元

一、 CCD 摄像机的构成

摄像机是进行光电转换的设备，它利用三基色原理，通过光学系统，把彩色景物的光像分解为红、绿、蓝三种基色光像，由摄像器件完成光信号到电信号的转换，然后进行信号处理，编码形成彩色全电视信号（图示2－1）。

二、 光学镜头

光学镜头（透镜）的主要功能是将被摄物体反射过来的光像聚集在成像元件（又称成像靶面）电荷耦合元件（CCD ）上。大多数电视摄像机和摄录一体机都使用变焦镜头（伸缩镜头），可以捕捉特写,全景及景别处于这两者之间的任何镜头。它由调焦组、变焦组、补偿组和移像组等多组光学透镜组成，每组透镜又由多片不同曲率，不同材料的透镜组成，以便校正镜头系统中的像差和色差（图示2-2）。

焦距是从镜头的光学中心到摄像机内影像聚焦处之间的距离。焦距越长，影像放大率越高。变焦镜头的变焦范围可以从10毫米到120毫米。变焦镜头常会标明最长焦距和最短焦距的倍数比。例如，有的镜头是16：1，有的镜头是18：1等。比率越高，变焦的范围就越大，价格自然也就越昂贵。

无论是在一个镜头当中还是两个景别之间变化，拍摄者都可以利用变焦镜头调整焦距。这时只需要转动焦距调节环带动镜头内部的组件即可。焦距调节环可以用手动方式控制，不过一般是用电控马达遥控的。马达上有电动变焦开关，可以加快或减缓变焦的速度。使用电控马达变焦，要比直接用手操作来得平稳。所有镜头，不论是变焦的还是定焦距的，都有各自的焦距（focal length ）。

从摄像机镜头的外部看，有许多操作部件。如图示2-3、图示2-4所示。摄像机镜头操作部件有：聚焦环、手动变焦控制、光圈环、RET （返回）旋钮、VTR （录像机）按钮、Ff （法兰焦距，俗称后焦）调节环、MACRO （近摄）钮、MACRO （近摄）环、变焦镜头遥控接头（8脚）、聚焦遥控接头（3脚）、ZOOM （变焦）选择器（选择变焦镜头的操作模式：S “伺服系统”－电动变焦；M “手动系统”－手动变焦）、电动变焦开关（W 侧：广角变焦；T 侧：手动变焦）、光圈选择器（A ：自动光圈；M ：手动光圈）、暂时自动光圈按钮、镜头接头。

图示2-2：光学镜头的内部构造 摄像机镜头是一个可以变换焦距的镜头，由调焦组、变焦组、补偿组和移像

组等多组光学透镜组成.

图示2-3：镜头底部外形与操作部件位置 图示2-4：镜头上部外形与操作部件位置

三、 光圈

摄像机镜头的光圈是一个由许多相互重叠的金属片组成的开度可以调节的圆形光阑，能在一个很大的范围内变化镜头的有效孔径，控制镜头的透光能力。摄像机光圈调节有三种方法：自动光圈调节，摄像机可以根据被摄物体的亮度自动调节光圈，这是常使用的模式；手动光圈调节可使摄像师根据自己拍摄习惯，自己定义光圈的大小；暂时自动光圈调节可使摄影师在使用手动调节时，利用暂时自动调节功能提供可供参考的曝光量。

图示2－5所示为不同的光圈系数及其光圈的开合情况。光圈环上有一系列的数字（1.4，2，2.8，4，

5.6，8，11，16，22），这一连串看似毫不相干的数字是有它的数学依据的，即后一个数字是前一个数字与2的平方根（接近1.4）的乘积。比如：2.8＝2×1.4。这样一来，每个光圈系数都代表其左右相邻光圈系数的光量的一半或两倍。光圈系数越大，光圈的孔径越小。换言之，光圈系数和光圈孔径成反比（inverse relationship ）。比如：光圈系数为8时的进光量是光圈系数为5.6时的一半，是光圈系数为11时的两倍。光圈变化在图像上能改变图像的亮度、改变景深，光圈大时景深小。对于亮度高的图像要减小光圈，对于亮度低的图像要加大光圈，使图像层次丰富，体现细节。

四、 成像元件CCD

人眼是通过视网膜看见物体的，摄像机的“视网膜”是什么呢？早期摄像机的“视网膜”是氧化铝或硒、砷、碲化合物制成的摄像管，现在基本上都是电荷耦合器（charge-coupled device ，CCD ）。

CCD 片（图示2-6）是一个固态元件（晶片），包含大量的图像感光元素（称为象素，pixels ）。当从镜头聚焦而成的物体光像投射到CCD 片上时，每一个像素便会充满电荷，负载着色度和亮度信号，经过转换产生视频信号。根据视频信号的转换方式不同，分为行间转移式（IT ）、帧间转移式（FT ）和帧－行间转移式（FIT ）三种CCD 。一个CCD 片上包含的像素越多，影像的清晰度就越高。正因为像素数量和影像质量有直接关系，生产厂商在提高像素数量方面展开的竞争已趋于白热化。

图示2－5：镜头光阑薄金属片的开合决定了光圈系数f 。光

阑开得越小，f 系数越大，进入摄像机的光量就越少。镜头

感光快慢取决于光圈最大时镜头的进光量，因此最大光圈为

f/1.2的镜头就比最大光圈为f/22的镜头感光快。

图2－6：CCD 摄像器件

五、 彩色图像的成像原理

3CCD 摄像机将通过镜头的光线分成三原色（红、绿、蓝）色光，每个CCD 各负责一种色光。光线通过三棱镜或特制分色镜，按照场景中各种颜色分布的比例，分解成三原色。最终这些色彩信号被重新处理。摄像机三棱镜将通过镜头进入的光线分解为红、绿、蓝三种信号，这三种信号被送到分别处理红、绿、蓝三种色光的CCD ，最后由编码器将其合成，输出为色彩完整的图像。（图示2－7）

摄像机采用的是加色原理，它可以还原所有的色彩，这是通过按不同的比例混合三原色（红、绿、蓝）得以实现的。三原色两两重叠后分别产生了三种混合色：青、品、黄。也就是说，红＋蓝＝品，红＋绿＝黄，兰＋绿＝青。三原色等量混合即可产生白色。

彩色图像的基本特性包括色调（特定的色彩）、色彩的纯度（饱和度）和明亮度（亮度）。事实上，彩色摄像机所产生的视频信号，等于黑白摄像机所产生的亮度信号叠加上色度信号。色彩有两个基本要素：色调和饱和度。色调（hue ），即色彩本身的调子，如黄色、橙色、绿色、蓝色、紫色、棕色等。饱和度（saturation ），图示2－7：入射光经由镜头成像，通过三棱镜将图像分解为红、绿、蓝三种光像，这三种光像由负责红、绿、蓝三种色光的CCD 变为图像信号。经由编码器合成后，输出为色彩完整的视频信号，最后记录在VCR 的磁带上。