摄像机基础知识

1.摄像机的工作原理
• 摄像机是一种把景物光像转变为电信号的装置。其结构大 致可分为三部分：光学系统（主要指镜头）、光电转换系 统（主要指摄像管或固体摄像器件）以及电路系统（主要 指视频处理电路）。
1.1 光学系统
• 光学系统的主要部件是光学镜头，它由透镜系统组合而成。 这个透镜系统包含着许多片凸凹不同的透镜，其中凸透镜 的中比边缘厚，因而经透镜边缘部分的光线比中央部分的 光线会发生更多的折射。当被摄对象经过光学系统透镜的 折射，在光电转换系统的摄像管或固体摄像器件的成像面 上形成“焦点”。光电转换系统中的光敏原件会把“焦点” 外的光学图像转变成携带电荷的电信号。这些电信号的作 用是微弱的，必须经过电路系统进一步放大，形成符合特 定技术要求的信号，并从摄像机中输出。 光学系统相当于摄像机的眼睛，与操作技巧密切相关。
百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。
• 3.2.2灵敏度
也称为最小照度。是CCD对环境光线的敏感程度，或者说 是CCD正常成像时所需要的最暗光线。照度的单位是勒克 斯（LUX），数值越小，表示需要的光线越少，摄像机也 越灵敏。月光级和星光级等高增感度摄像机可工作在很暗 条件，2~3lux属一般照度。
5 摄像机的记录格式
• 每一次摄像机记录格式的变更都意味着技术的进步，也意 味着清晰度的进一步提高，从美国安培公司的第一台磁带 摄像机算起，磁带摄像机已经有50多年的历史了，从信息 记录格式上来讲，摄像机可以简单地分为模拟视频格式和 数字视频格式两大类。 1.模拟格式包括：VHS、V8、Hi8等。 2.数字格式包括：Digital Betacam（即DB）、Digital-S、 Betacam-SX、DVCAM、DVC PRO、Digital 8（即D8）、 Micro MV和占家用摄像机市场绝对优势的Mini DV格式， 以及HDV（High Definition Video，即高清晰视频）等格 式。
3.3 CCD的数量
单ＣＣＤ，指摄像机里只有一片ＣＣＤ并用其进行亮度信 号以及彩色信号的光电转换，其中色度信号是用ＣＣＤ上 的一些特定的彩色遮罩装置并结合后面的电路完成的。由 于一片ＣＣＤ同时完成亮度信号和色度信号的转换，因此 难免两全，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业 水平的要求。
三ＣＣＤ，就是一台摄像机使用了３片ＣＣＤ。我们知道， 光线如果通过一种特殊的棱镜后，会被分为红，绿，蓝三 种颜色，而这三种颜色就是我们电视使用的三基色，通过 这三基色，就可以产生包括亮度信号在内的所有电视信号。 如果分别用一片ＣＣＤ接受每一种颜色并转换为电信号， 然后经过电路处理后产生图像信号，这样，就构成了一个 ３ＣＣＤ系统。
• CCD它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把 光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数 字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪 速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举 地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理 手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感 光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面 受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在 组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，
就是CCD对角线的长度。
•
现有的摄像机一般采用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)的集合体，
接收透过镜头的光并将其转换为电信号。在像素数一样的 情况下，CCD尺寸越大单位像素就越大。这样，单位像素
可以收集更多的光线，因此，理论上可以说有利于提高画 质。
就构成了一幅完整的画面。
CCD在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转 换成电信号的作用，类似于人的眼睛，此其性能的好坏 将直接影响到摄像机的性能。
CCD由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层组成,将分 别叙述如下:
• 3.1.1 微型镜头
微型镜头为CCD的第一层，我们知道，数码相机成像 的关键是在于其感光层，为了扩展CCD的采光率，必须扩 展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使 画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上 一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决 定，而改由微型镜片的表面积来决定。
从能量的转变来看，摄像机的工作原理是一个光－－电－－ 磁－－电－－光的转换过程。
2 镜头及其成像原理
• 镜头是摄像机最主要的组成部分，并被喻为人的眼睛。人 眼之所以能看到宇宙万物，是由于凭眼球水晶体能在视网 膜上结成影像的缘故；摄像机所以能摄影成像，也主要是 靠镜头将被摄体结成影像投在摄像管或固体摄像器件的成 像面上。因此说，镜头就是摄像机的眼睛。电视画面的清 晰程度和影像层次是否丰富等表现能力，受光学镜头的内 在质量所制约。当今市场上常见的各种摄像机的镜头都是 加膜镜头。加膜就是在镜头表面涂上一层带色彩的薄膜， 用以消减镜片与镜片之间所产生的色散现象，还能减少逆 光拍摄时所产生的眩光，保护光线顺利通过镜头，提高镜 头透光的能力，使所摄的画面更清晰。
• 3.1.2.分色滤色片
分色滤色片为CCD的第二层，目前有两种分色方式， 一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法这两种 方法各有优缺点。首先，我们先了解一下两种分色法的概 念，RGB即三原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的 颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而RGB三个字母分 别就是Red, Green和Blue，这说明RGB分色法是通过这三 个通道的颜色调节而成。再说CMYK，这是由四个通道的颜 色配合而成，他们分别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、黑 (K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色 不及RGB的多。
• 1/1.6 1000万像素CCD
3.1 CCD的组成
• CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工 艺，现在市场上所说的CCD和CMOS其实都是CCD，只不过是 加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，二后者是微安级 的耗电量。随着科学技术的不段发展,现在CMOS的成像问 题得到了不端的改善,SONY等厂家也开始使用CMOS作为高 端摄像机器的光电转换设备.
是指ＣＣＤ上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面 可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。 显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果ＣＣＤ没有足 够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响， 因此，理论上ＣＣＤ的像素数量应该越多越好。但ＣＣＤ 像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行 （标清）电视标准下，像素数增加到某一数量后，再增加 对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一
• 目前专业级的芯片大多数为1/3”和1/2” • 1英寸——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm。 • 2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。 • 1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。 • 1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。 • 1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。
[勒克司（lux,法定符号lx）照度单位，为距离一个光强 为lcd的光源，在1米处接受的照明强度，习称：烛光.米。 亦即距离该光源1米处，1平方米面积接受1lm光通量时的 照度。]
• 3.2.3 CCD 的尺寸
• 摄像机和相机规格表中的CCD一栏经常写着“1/2.7英寸 CCD”等。这里的“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸，实际上
1.2 光电转换系统
• 光电转换系统是摄像机的核心，摄像管或固体摄像器件便 是摄像机的“心脏”，有关这一部分的内容，将在第三章 里介绍。由于家用摄像机大多是将摄像部分和录像部分合 为一体，下面再概述一下录像部分的工作原理。
• 当摄像机中的摄像系统把被摄对象的光学图像转变成相应 的电信号后，便形成了被记录的信号源。录像系统把信号 源送来的电信号通过电磁转换系统变成磁信号，并将其记 录在录像带上。如果需要摄像机的放像系统将所记录的信 号重放出来，可操纵有关按键，把录像带上的磁信号变成 电信号，再经过放大处理后送到电视机的屏幕上成像。
由于３ＣＣＤ分别用３个ＣＣＤ转换红，绿，蓝信号，拍 摄出来的图像从彩色还原上要比单ＣＣＤ来的自然，亮度 以及清晰度也比单ＣＣＤ好。但由于使用了三片ＣＣＤ， ３ＣＣＤ摄像机的价格要比单ＣＣＤ贵很多。
4 摄像机的存储方式
• 随着科学技术的不段发展，现在摄像机器的存储方式已经 不在局限于磁带这种载体，各大厂商陆续推出了光盘、硬 盘、闪存卡、蓝光存储介质。
• 一个摄像机镜头能涵盖多大范围的景物，通常以角度来表 示，这个角度就叫镜头的视角。被摄对象透过镜头在焦点 平面上结成可见影像所包括的面积，是镜头的视场。但是， 视场上所呈现的影像，中心和边缘的清晰度和亮度不一样。 中心部分及比较接近中心部分的影像清晰度较高，也较明 亮；边缘部分的影像清晰度差，也暗得多。这边缘部分的 影像，对摄像来说是不能用的。所以，在设计摄像机的镜 头时，只采用视场。需要重点指出，摄像机最终拍摄画面 的尺寸并不完全取决于镜头的像场尺寸。也就是说，镜头 成像尺寸必须与摄像管或固体摄像器件成像面的最佳尺寸 一致。
原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则 是噪点问题。
• 3.1.3. 感光层
感光层为CCD的第三层，这层主要是负责将穿过滤色 层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片， 将影像还原。
CCD芯片就像人的视网膜，是摄像机的核心。目前我 国尚无能力制造，市场上大部分摄像机采用的是日本SONY、 SHARP、松下、富士、CANON等公司生产的芯片，各厂家获 得途径不同等原因，造成CCD采集效果也大不相同。在购 买时，可以采取如下方法检测：接通电源，连接视频电缆 到监视器，关闭镜头光圈，看图像全黑时是否有亮点，屏 幕上雪花大不大，这些是检测CCD芯片最简单直接的方法， 而且不需要其它专用仪器。
当摄像机镜头的成像尺寸被确定之后，对一个固定焦距的 镜头来说则相对具有一个固定的视野，常用视场来表示视 野的大小。它的规律是，焦距越短，视角和视场就越大。 所以短焦距镜头又被称为广角镜头。