电视摄像技术基础

第二章电视摄像技术基础

本章要求

●了解和掌握电视摄像机的工作原理。

●掌握电视摄像机的基本操作方式和技巧。

2．1 电视摄像机的基本结构和工作原理

摄像机一般由镜头、主机（包括摄像单元和录像单元）、寻像器、话筒、附件几部分组成。其部结构如图所示。

所有的摄像机，都以同样的基本原理工作：把光学图像转化成电子信号。具体过程是：景物通过透镜组聚焦在摄像器件的“靶面”上，透镜组可进行聚焦、变焦及光圈调整。“靶面”是一种光电导材料，它能按照像的亮暗程度将光学像变成电信号，并经过电路处理后，送至录像单元，记录在磁带（或磁盘）上。话筒拾取声音信号并将其变成电信号，与图像信号同时记录在磁带（或磁盘）上。

一．镜头

与照相机的镜头形式相似，摄像机的镜头也是由若干组透镜组成的，被摄景物通过镜头成像在摄像器件上。镜头可分为固定镜头和变焦镜头。固定聚焦镜头又可分为标准镜头、长焦镜头和短焦镜头。而变焦镜头则是把这三类镜头组合在一起，并可以在相互之间连续变化。现在广泛使用的是变焦镜头。变焦镜头的最长焦距与最短焦距之比为变焦倍数。

1．镜头的焦距

从技术上讲，焦距是指从镜头的光学中心到镜头中的影像聚焦的那一点的距离（如图）。

从操作上讲焦距是镜头的一个基本特性，它可以决定影像的放大倍数和镜头所摄的水平视角的大小。焦距愈短，水平视角就愈开阔，影像也就愈小。标准镜头拍出的景物的大小、比例、距离感与人眼直接看到的景物最接近。短焦距镜头（广角镜头）拍出的景物比标准镜头小而远，但可视围广、视角大。长焦距镜头（望远镜头）可以把远处的景物变近、放大，但视角小。三种不同镜头的成像效果如图所示。

因此，焦距决定一个特定的摄像机视域的宽广，对变焦镜头而言，镜头可在其最宽的水平视角到其最窄的水平视角的整个围连续变化，水平视角在变焦过程中随着焦距的增加而变窄，被摄物体随之变大，摄像师可从任一焦距开始以任意速度推、拉变焦镜头，以改变被摄体的大小和水平视角的围。

2．镜头的聚焦

当穿过镜头后部的光线准确地汇聚在摄像管的屏面上时，该摄像机图像便处于焦点调好之中了。由于这个距离随着镜头的焦距以及摄像机至被摄体距离的变化而变化，因此必须不断地调节镜头和摄像管之间的距离，以便保持准确的聚焦。镜头最前面的一组镜片就是聚焦用的，旋转其外环即可进行调整。聚焦调整有手动和自动两种，可以通过机上的控制键进行选择。对变焦镜头最基本的要变焦时图像的亮度和清晰度不变。被摄体离摄像机镜头愈近，镜头与摄像管之间的距离就要愈大，才能获得清晰的图像。所有镜头（变焦和固定焦距的镜头）均有一个最小的被摄体聚焦距离，亦即被摄体和镜头之间可以允许的最短距离，在此距离上仍能获得对焦清晰的图像。一般地说，焦距较短的镜头比焦距较长的镜头可以拍摄距离镜头更近的被摄体，因为短焦距使得镜头与摄像管之间的距离无须很大也能进行清晰地对焦。然而，随着焦距的增加，镜头与摄像管之间的距离也要随之加大。

3．镜头的光圈

光圈的作用是控制进入镜头光线的强弱。当外面光线强时，应缩小光圈，当光线弱时，应增大光圈，使得通过镜头的光线强度保持稳定，从而使得到的图像不致过亮或过暗。光圈的大小用光圈指数F表示。F的标称值通常为这样一组数字：22，16，11，8，5．6，4，2．8，2，1．4，1．2……数字越小，表示光圈越大，如图所示。镜头上往往都标出其最大光圈数如“F1．2”。

二．摄像单元

摄像单元的作用是把经过镜头送入的光信号变为电信号，再经过各种电路处理，最后得到被称为视频信号的电信号。

1．摄像器件

摄像机使用的摄像器件可以是摄像管或CCD半导体片。外界景物通过镜头所成的像恰

好落在摄像器件的感光面上。感光面上排列着许多感光小单元，称为像素。每个像素都可把感受到的光线变成电信号。在同一面积的感光面上，像素越多，分辨图像能力越强，获得图像的清晰度也就越高。我们把分辨图像的能力称为解析力（分解力），用在整个画面的水平方向上能分辨多少条黑白相间的线条来表示。如水平分解力为600线（TV线）表示在荧光屏上有600条黑白相间的垂直线条能看清楚。

摄像器件的各个像素将产生各自对应图像的电信号，其中包含了图像的亮度、对比度、色度等各种信息。图像的亮度是指整个图像的明暗程度；对比度是指图像中亮暗部分的对比程度（或黑白反差度）；色度包括色调和色饱和度，色调表示图像的颜色，色饱和度表示颜色的浓淡深浅。所有这些电信号送到后面的电路中进行加工处理。

2．信号处理电路

图像信号处理有许多环节、方式与步骤，这里主要介绍几部分。

（1）增益

增益即电路对信号的放大。从摄像器件送出的电信号非常微弱，必须通过电路把信号放大到一个标准值，以便送到录像机及监视器的荧光屏上。信号的大小随被摄物的明暗程度变化而变化。在光线较暗的场合拍摄，光圈又开至最大仍不能得到正常的图像，这时就需加大增益。增益的单位是分贝“dB”。信号每放大一倍，相当于增益增加6分贝。正常的增益是0dB，增益—般分为+6dB，+9dB，+12 dB，+18 dB，+24dB等若干档，应根据不同的环境场合选择使用。

增益越大，摄像机在暗处拍摄能力越强，其灵敏度便越高。摄像机灵敏度指标可表示为当一台摄像机处于最大增益时，拍出亮度合适图像的最低环境照度，单位用勒克司（LX或LUX）表示。但是，增益越大时，电路中的噪声也同时被放大，在图像上表现为杂波增加，颗粒变粗，信杂比（有用信号与杂波之比）下降，画面质量受损。

（2）白平衡

白平衡电路是图像信号处理电路中的一个重要环节，它直接关系到图像色彩还原的准确程度。

白平衡是摄像中的常用名词之一，要理解白平衡的概念，还得先从光和色说起。

光是一种电磁波，可见光的波长在380-780nm（纳米）围，不同波长的光波在人眼不仅引起光亮的感觉（亮度），而且引起不同的颜色感觉（色调）：波长由长到短变化时，人眼感觉的颜色依次为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，合称为光谱。白色光则是由各种波长的单色光混合起来作用于人眼产生的。

在日常生活中，我们所看到的景物的颜色不仅与其本身的物理特性有关，而且还与照射它的光源密切相关。物体被光照射时，能够吸收某些波长的光，反射或透射另一些波长的光，这部分反射或透射的光作用到我们眼中引起的颜色感觉就是物体的颜色。例如在日光照射下，红花能反射红光，吸收其他颜色的光，因而呈现红色；白色物体能反射各种波长的光，因而呈现白色。如果用红色光照射白色物体，则会呈现红色。这表明，光源的色调会影响人眼对物体的颜色感觉，因此要正确再现物体的颜色，就必须选择合适的光源。

光源的色调通常用色温表示。将一种“绝对黑体辐射体”（如一个绝对不反射入射光的封闭的碳块）燃烧，在不同的温度，它发射出的光的颜色不同，当某一类光源与绝对黑体在某—特定温度下辐射的光具有相同的特性时，这个特定温度就被定义为该光源的色温，用热力学绝对温标开尔文来表示，单位为K。开氏温标的0K为摄氏温标的—273℃。任何光源，都可用色温来表示。以下列出几种典型光源的色温：