第三講：攝像機、解碼器的工作

1、第三講：攝像機、解碼器的工作原理婁底職院2010v一：攝像機工作原理一：攝像機工作原理v攝像機是一種把景物光像轉變?yōu)殡娦盘柕难b置。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。v攝像機所以能攝影成像，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。v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)光學系統(tǒng)（主要指鏡頭）、光電轉換系統(tǒng)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)電路系統(tǒng)（主要指視頻處理電路）。v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

2、經(jīng)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。v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(jīng)過電路系統(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。 v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(jīng)過放大處理后送到電視機的屏幕上成像。 v從能量

3、的轉變來看，攝像機的工作原理是一個光電磁電光光電磁電光的轉換過程。v二、鏡頭及其成像原理二、鏡頭及其成像原理 v鏡頭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(wǎng)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(nèi)在質(zhì)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。v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(chǎn)生的色散現(xiàn)象，還能減少逆光拍攝時所產(chǎn)生的眩光，保護光線順

4、利通過鏡頭，提高鏡頭透光的能力，使所攝的畫面更清晰。 焦距v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(jīng)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，鏡頭的水平視角越窄，拍攝到景物的范圍也就越?。荤R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。 視角v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

5、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。 v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面的最佳尺寸一致。v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。v當鏡頭聚集于被攝影物的某一點時，這一點上的物體就能在電視畫面上清晰地結像。在這一點前后一定范圍內(nèi)的景物也能記錄得較

6、為清晰。這就是說，鏡頭拍攝景物的清晰范圍是有一定限度的。這種在攝像管聚焦成像面前后能記錄得“較為清晰”的被攝影物縱深的范圍便為景深景深。當鏡頭對準被攝景物時，被攝景物前面的清晰范圍叫前景深前景深，后面的清晰范圍叫后景深后景深。 v前景深和后景深加在一起，也就是整個電視畫面從最近清晰點到最遠清晰點的深度，叫全景深全景深。一般所說的景深就是指全景深。v有的畫面上被攝體是前面清晰而后面模糊，有的畫面上被攝體是后面清晰而前面模糊，還有的畫面上是只有被攝體清晰而前后者模糊，這些現(xiàn)象都是由鏡頭的景深特性造成的?？梢哉f，景深原理在攝像上有著極其重要的作用。正確地理解和運用景深，將有助于拍出滿意的畫面。決定景

7、深的主要因素有如下三個方面：v光圈光圈 在鏡頭焦距相同，拍攝距離相同時，光圈越小，景深的范圍越大；光圈越大，景深的范圍越小。這是因為光圈越小，進入鏡頭的光束越細，近軸效應越明顯，光線會聚的角度就越小。這樣在成像面前后會聚的光線將在成像面上留下更小的光斑，使得原來離鏡頭較近和較遠的不清晰景物具備了可以接受的清晰度。v焦距焦距 在光圈系數(shù)和拍攝距離都相同的情況下，鏡頭焦距越短，景深范圍越大；鏡頭焦越長，景深范圍越小。這是因為焦距短的鏡頭比起焦距長的鏡頭，對來自前后不同距離上的景物的光線所形成的聚焦帶（焦深）要狹窄得很多，因此會有更多光斑進入可接受的清晰度區(qū)域。v物距在鏡頭焦距和光圈系數(shù)都相等的情況

8、下，物距越遠，景深范圍越大；物距越近，景深范圍越小。這是因為遠離鏡頭的景物只需做很少的調(diào)節(jié)就能獲得清晰調(diào)焦，而且前后景物結焦點被聚集得很緊密。這樣會使更多的光斑進入可接受的清晰度區(qū)域，因此景深就增大。相反，對靠近鏡頭的景物調(diào)焦，由于擴大了前后結焦點的間隔，即焦深范圍擴大了，因而使進入可接受的清晰度區(qū)域的光斑減少，景深變小。由于這樣的原因，鏡頭的前景深總是小于后景深。 三：三：CCD的作用的作用vCCD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(zhì)稱作像素（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

9、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。vCCD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(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)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(chǎn)生的

10、信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。 v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。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)的增加會使制造成本以及成品率下降，而且在現(xiàn)行電視標準下，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(jīng)足夠了。v單攝像機是指攝像機里只有一片并用其進行亮度信號以及彩色

11、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。為了解決這個問題，便出現(xiàn)了攝像機。，顧名思義，就是一臺攝像機使用了片。我們知道，光線如果通過一種特殊的棱鏡后，會被分為紅，綠，藍三種顏色，而這三種顏色就是我們電視使用的三基色，通過這三基色，就可以產(chǎn)生包括亮度信號在內(nèi)的所有電視信號。如果分別用一片接受每一種顏色并轉換為電信號，然后經(jīng)過電路處理后產(chǎn)生圖像信號，這樣，就構成了一個系統(tǒng)。v數(shù)碼相機規(guī)格表中的CCD一欄經(jīng)常寫著“1/2.7英寸CCD”等。這里的“1/

12、2.7英寸”就是CCD的尺寸，實際上就是CCD對角線的長度。v現(xiàn)有的數(shù)碼相機一般采用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(zhì)。v按CCD靶面大小劃分 vCCD芯片已經(jīng)開發(fā)出多種尺寸： v目前采用的芯片大多數(shù)為1/3”和1/4”。在購買攝像頭時，特別是對攝像角度有比較嚴格要求的時候，CCD靶面的大小，CCD與鏡頭的配合情況將直接影響視場角的大小和圖像的清晰度。v1英寸靶面尺寸為寬12.7m

13、m*高9.6mm，對角線16mm。 v2/3英寸靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm，對角線11mm。 v1/2英寸靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm，對角線8mm。 v1/3英寸靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm，對角線6mm。 v1/4英寸靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm，對角線4mm。 v紅外攝像機的工作原理v 人的眼睛能看到的可見光按波長從長到短排列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。其中紅光的波長范圍為0.620.76m；紫光的波長范圍為0.380.46m。比紫光波長更短的光叫紫外線，比紅光波長更長的光叫紅外線，人的肉眼是看不到紅外線的。 紅外夜視，就是在夜視狀態(tài)下，紅外攝像

14、機會發(fā)出人們?nèi)庋劭床坏降募t外光線去照亮被拍攝的物體，紅外線經(jīng)物體反射后進入鏡頭進行成像。攝像機是通過CCD感應紅外線的，而CDD是能夠感應所有光線 (可見光、紅外線和紫外線等) 的,因此在沒有可見光的情況下，紅外攝像機是可以拍攝到肉眼看不到的影像的。v四：攝像機的選型四：攝像機的選型v1根據(jù)安裝地點選取。普通槍式攝像機，配置鏡頭、支架等，可壁裝又可以吸頂安裝，室外加防雨罩，室內(nèi)加防塵罩。半球形的攝像機吸頂安裝，內(nèi)置鏡頭，防護罩和支架，安裝方便，價格經(jīng)濟。v2根據(jù)光線選取v光線不理想的情況選取底照度的彩色|黑白攝像機。v清晰度要求較高時，選取黑白攝像機v3根據(jù)監(jiān)控模式選擇v定點監(jiān)視模式選用普通槍式攝像機或半球攝像機固定安裝，全方位監(jiān)控采用一體化攝像機。v4根據(jù)圖像清晰度要求選擇v對視頻圖像分辯率要求較高的場合，選用水平分辯率指標高、像數(shù)大的攝像機。v5根據(jù)其它要求選擇。v如銀行柜臺選用彩色攝像機，醫(yī)學血管圖像要求干擾少，選用信