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。其内部结构如图所示。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，但可视范围广、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范围内连续变化，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范围。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求是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，+12dB，+18dB，+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）范围内，不同波长的光波在人眼内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：由此可以看出，光源色温低，光线偏红；光源色温高，光线偏蓝。要正确再现景物的色彩，就必须控制光源的色温。摄像机将其拍摄下来的信号再经荧光屏还原成图像显示出来时，应该仍能反映出原来的颜色，这就是色彩还原。自然界物体的颜色成千上万，摄像机如何处理如此众多的颜色呢?人们发现，颜色的种类虽然多，但都可分解成红、绿、蓝三种基本颜色，在摄像机中只要对这三种基本颜色分别进行放大处理即可合成各种色彩。白平衡电路实际上就是可对这三种颜色对应电信号分别调整放大的电路。因为白色刚好包含了全部三基色，如果白色调好了，其他色也就正确了。而且白色也是个敏感的颜色，最容易看出是否偏色。因此，摄像机调白平衡是以白色物体为基准，调整电路中对红、蓝两种颜色的放大量（绿色的放大量保持不变），以达到白色平衡，使其输出到电视机荧光屏上时，能够不偏色地显示出原白色图像，如图所示。只要白色图像正确还原了，其他颜色图像也就能够得到正确的显示。（3）信号数字化对图像信号进行数字化处理是当今的发展趋势。数字化后的信号在进行传输、处理和存储时有许多优点，如抗干扰能力强、稳定性好、损耗小，易于元件集成化，便于大量快速存储，便于与计算机联机处理等。数字化是摄像机提高使用性能，增加新功能（如数码变焦、油画、频闪、静帧效果等）的基本条件。3．控制电路摄像单元中，还有许多控制电路，用以控制摄像机的各种功能：有些功能是自动控制，如自动聚焦、自动光圈等。通常自动控制是通过检测电路检测出偏离状态，经过比较计算，产生一个误差电压，再送到控制电路将偏离状态纠正成正常状态。有些功能是手动控制，使用时应根据实际情况进行操作。三．录像单元录像单元就是一台录像机，其功能是把摄像单元送来的视频信号和话筒送来的音频信号转换成磁信号记录在磁带上，它也可以作为放像机来使用。录像单元由机械系统（磁头、带仓、走带机构）和电路系统（记录与重放电路、伺服电路、控制电路）两大部分组成。1．机械系统（1）带仓带仓是放入和取出磁带盒的精密机械系统，通过触按EJECT按扭，带仓可自动升起，便于取放磁带。（2）磁头磁头是录像机的重要器件。它的功能是把电信号变成磁信号。录像机的磁头包括音频磁头、视频磁头、消磁磁头和控制磁头几种。其中视频磁头是录像机中最容易损坏的部件，保持清洁的使用环境，使用高质量的磁带和养成良好的使用习惯对提高录放质量和延长机器使用寿命，都是非常重要的。（3）走带机构当磁带盒放入带仓后，走带机构会把磁带从带仓中拉出缠绕在磁鼓上（称为穿带）。录像开始后，走带机构中的主导轴与压带轮负责驱动磁带，使磁带以标准速度匀速运行。录像完成后，则可使磁带从磁鼓上退下并自动收带进盒中（称为退带）。2．电路系统（1）视频信号记录与重放电路记录电路对从摄像单元送来的视频信号进行亮度与色度信号的分离、亮度信号调频、色度信号降频、预加重等技术处理后再录制。放像时重放电路则把从磁带上获得的信号进行色度信号升频、亮度解调、去加重等处理而得到标准视频信号。（2）音频信号记录与重放电路从送人录像机的声音信号（话筒和线路）中选出一路，经放大处理后，送到声音录／放磁头录制。重放时，从声音录／放磁头拾取微弱信号，经放大处理后送出。（3）伺服电路伺服电路能精确控制磁鼓旋转的速度及磁带行走的速度，使两个速度保持同步，录制时能在磁带上录出标准的磁迹，重放时保证磁迹与磁头对准，使磁头在高速旋转时能准确地从视频磁迹上拾取信号，从而保证图像质量的稳定。（4）控制电路控制电路可通过控制按钮的操作确定录像机的工作状态，控制磁带的运行。还可通过自动控制电路进行带头带尾自动检测、长时间暂停后自动停机、潮湿自动停机等自动控制功能的实现。四．寻像器摄像机的寻像器实际上是一个微型监视器，作用是用来取景。只有在通电的情况下才能使用。寻像器的荧光屏一般多为黑白显像管，显现的是黑白图像。寻像器前面加有一个目镜，是一个凸透放大镜，目镜与荧屏的距离是可调节的，以适合不同人眼的屈光度，以便看清细节。寻像器的画面上还可以显示各种文字、数字、符号等说明字符，以及摄像机的工作状态指示、自动告警指示等。五．附件1．交流电源适配器交流电源适配器可以把220伏电压变成低电压直流输出，通过电缆线送到摄像机上，作为摄像机的电源动力。一般输出直流电压有6伏和12伏两种。交流电源适配器通常也具有充电器的功能，可以对充电式电池进行充电。2．电池在没有交流电的地方，摄像机用电池来供电。摄像机用电池是充电电池。此外，作为记忆时钟和日期的电源，通常是另外用1至2枚纽扣电池，这种电池不能充电，但由于耗电极少，所以能用很长时间，不必经常更换。3．录像带录像带用来记录、储存信息。录像带不像录音带，它没有A、B面之分，不能翻面使用。磁带盒的底边有一录制检测用方孔，孔上有防抹片遮挡时可以录制；把防抹片拨开露出检测孔时可禁止录像机进入录制状态，此时只能放像。六．输入与输出接口1．视音频输出接口这组接口可通过视音频电缆直接输出视音频信号作另一设备的输入信号。2．视音频输入接口这组接口用于接收另一设备的输出信号。3．耳机插孔用于接耳机监听拍摄或放像时的声音。4．话筒插孔接机外话筒。接通外接话筒时，机内话筒不工作。