摄像机基础知识

1. 摄像机基础知识 主讲:朱昊

2. 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）。

4. 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。

5. 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。

6. 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。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。

7. 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。

8. 首先要熟知镜头的成像原理，它主要包括焦距、视角、视场和像场。首先要熟知镜头的成像原理，它主要包括焦距、视角、视场和像场。 • 焦距是焦点距离的简称。例如，把放大镜的一面对着太阳，另一面对着纸片，上下移动到一定的距离时，纸片上就会聚成一个很亮的光点，而且一会儿就能把纸片烧焦成小孔，故称之为“焦点”。从透镜中心到纸片的距离，就是透镜的焦点距离。对摄像机来说，焦距相当于从镜头“中心”到摄像管或固体摄像器件成像面的距离。　　焦距是标志着光学镜头性能的重要数据之一，因为镜头拍摄影像的大小是受焦距控制的。在电视摄像的过程中，摄像者经常变换焦距来进行造型和构图，以形成多样化的视觉效果。例如，在对同一距离的同一目标拍摄时，镜头的焦距越长，镜头的水平视角越窄，拍摄到景物的范围也就越小；镜头的焦距越短，镜头的水平视角越宽，拍摄到的景物范围也就越大。

10. 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。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。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。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。

12. 3 CCD • CCD的全称是Charge Coupled Device,中文名字叫电荷耦合器件.它是一种半导体装置，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。

13. 1/1.6 1000万像素CCD

14. 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.

15. 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，就构成了一幅完整的画面。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，就构成了一幅完整的画面。

17. 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，因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。

18. 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。 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。

20. 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。

21. 3.2 CCD的技术指标 • 衡量ＣＣＤ好坏的指标很多，有像素数量，CCD尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及ＣＣＤ尺寸是重要的指标。 • CCD尺寸，亦即摄像机核心部件。原多为1/2英寸，现在1/3英寸的已普及化，1/4英寸和1/5英寸多为家用机。 2/3英寸为广播级尺寸。

22. 3.2.1ＣＣＤ的像素数 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，一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。

23. 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。 [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。]

24. 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。

25. 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。

26. 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。 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。

30. 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。 • 由于硬盘存储技术还不是很成熟，所以只在民用的小机器上使用。因为硬盘本身的硬伤就是高速转动的时候很怕震动，所以这种介质也只出现在家用机上。 • 存储卡的机器是未来发展的方向，现在很多专业级和广播级机也用存储卡作为介质。抗震性好，可以支持很高的码率的数据流量，采集也很方便，故障率很低。 • 光盘机的存储容量只能是半小时左右，由于记录时里面需要高速转动，抗震性不强。优点是光盘可以直接在DVD机上播放，电脑采集方便，缺点是专用刻录盘价格较贵，摄像时间短（一张DVD刻录盘标准质量能拍摄30分钟），刻录光头容易老化

32. 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。

33. 5.1 摄像机模拟格式 • VHS（Video Home System，即家用视频系统）格式是日本JVC公司推出的第一台家用摄像机采用的格式。VHS录像带的标准录放时间（Standard Play，缩写为 SP）一般为120分钟和180分钟两种，磁带宽度为12mm，VHS水平解析度为250线左右，清晰度较低。

34. VHS-C则是VHS的缩小带，标准录放时间（SP）通常有30分钟和40分钟两种，在延长录放模式（Extended Play，缩写为EP）下录放时间可分别达到90分钟和120分钟，并且可以通过转换匣将VHS-C变成VHS带使用。 • S-VHS即所谓的超级VHS制式，磁带宽度也为12mm，但其理论水平解析度提高到了400线左右，是VHS制式的改进和升级，随后推出的S-VHS-C则为同一格式的缩小带。

35. 5.2 摄像机的数字格式 • (1).Mini DV当前家用数码摄像机基本上都是采用Mini DV格式。Mini DV格式的水平解析度达到500线以上，标准的Mini DV磁带摄录时间一般为60分钟，使用长时间录放模式LP（Long Play）则可达90分钟。    还有一类采用Micro MV格式（MPEG2压缩方式）的数码摄像机，代表机型为索尼的IP系列，这类机器市场占有率较低，可选择机型较少，采用比Mini DV带（6.35mm）更小的3.8mm磁带，水平解析度达530 线。

36. (2).DVCAM格式：1996年推出了 DVCAM 格式的数字设备．采用5:1的压缩比，4:2:0 (PAL) 取样方式既（Y=4 V=2 U=0），8比特数字分量记录，保证了画面的高质量，并可兼容重放家用数字 DV 录像带，具有优越的性价比。

38. (3).DVCPRO格式：DVCPRO是1996年松下公司在DV格式基础上推出的一种新的数字格式。它采用 4:1:1取样，5:1压缩，18微米的磁迹宽度。1998年又在 DVCPRO的基础上推出了DVCPRO50，它采用4:2:2取样，3.3:1压缩。1999年开始推出更高级的产品DVCPRO100，又称DVCPRO HD，向数字电视的更高水准--高清晰度电视领域发展。DVCPRO 家族可满足现场 演播室以及更多广播级和专业级应用的需要。

40. (4). Digital-S格式：是日本JVC公司于1995年4月推出的一种新型的广播专业级数字分量录像机(也称D-9格式)。它是以S-VHS技术为基础开发的具有高效编码数字技术S格式的录像标准，它可以重放S-VHS的图像信号，录像带宽度为12.7毫米（1/2英寸），采用4:2:2取样，8BIT量化，采用帧内3:3:1压缩，视频数据率为50MBPS。可记录4路音频，每路48KHZ取样，16BIT量化。5．Betacam-SX格式：它采用了MPEG-2 MP@ML 的扩展4:2:2P@ML 标准。在保证高图像质量的同时有较高的压缩比（10:1）．6．Digital-Betacam格式：SONY公司于1993年推出 Betacam数字分量录像机。采用1/2英寸金属带。视频信号采用4：2：2取样，数字输入10BIT量化，模拟输入8BIT量化，帧内2：1数据压缩.

43. 5.3 摄像机的高清格式 (1).AVCHD是索尼(Sony)公司与松下电器(Panasonic)於2006年5月联合发表的高画质光碟压缩技术，AVCHD标准基於MPEG-4 AVC/H.264视讯编码，支援480i、720p、1080i、1080p等格式，同时支援杜比数位5.1声道AC-3或线性PCM 7.1声道音频压缩。AVCHD可以使用8厘米的mini-DVD光碟，单张可存储大约20分钟的高解析度视讯内容。现在也可以使用SD卡记录。 (2).HDV：随着高清晰电视时代的到来，索尼、佳能、夏普和JVC公司制订了新一代针对数码摄像机的高清晰视频格式HDV，它采用MPEG2压缩方式，16:9宽高比，1080i（隔行扫描）/720p（逐行扫描），与目前的高清晰电视HDTV（High Definition Television）相兼容。索尼也率先推出了采用HDV格式的摄像机HDR-FX1。

44. 3.DVCPROHD/P2HD：P2 系列产品的核心是松下公司最新推出的插卡式 PC 卡介质。这种固态存储卡称作 P2 （“ Professional Plug-in ”专业插卡式），视音频素材直接以 MXF 文件形式记录在 P2 卡上。它具有友好的 IT 接口及高达 640Mbps 的读写速度，用户可以使用非编设备即 刻读取 P2 卡上的素材数据进行非线性编辑和数据传送，而不需要数字化处理，从而大大提高了速度及效率；它既不是磁带，也不是光盘，不需要机械装置 , 也就不需要对机械装置进行维护所必需的人力物力的投入，最大程度地节约了电视台的运作成本。 P2 将 AV 和 IT 两个领域极好地融合在了一起，使新闻采集进入了一个新纪元。与传统的电子新闻采集系统相比，这是一种更灵活、更可靠和功能更强大的基于 IT 技术的新闻采集（ING）工作流程。

45. 随着视频编码技术的进步，结合 P2 介质的独特优点，松下公司在倍受好评的 DVCPRO HD 格式的基础之上，全新推出了 H.264 高清编码格式。 这一编码方式抛弃掉原来磁带记录所必须的一些纠错码等一些对于 P2 记录介质来说不必要的码流，以较低码流实现了极高的高清图像质量。在专业广播电视领域，松下仍然采用帧内压缩的 H.264 编码方式。而对于个人用户，松下公司可以用帧间压缩的 H.264 方式来进行对应。 今后， P2 高清设备将仍然采用 DVCPRO HD 作为标准的高清记录格式，同时可以对应 H.264 的压缩格式。所有使用这两种格式的 P2 高清产品将统一采用作为产品标识。

48. (4).XDCAM： Sony在2003年所推出的无影带式专业录影系统。2003年10月开始发售SD系统商品，2006年4月开始发售HD系统。XDCAM的首两代XDCAM及XDCAM HD，使用Professional Disc （蓝光）可储存23 GB（PFD23，单面）或50GB（PFD50，双面）数据。第三代XDCAM EX，使用固态SxS记忆卡。在2008年，JVC宣布和Sony结盟支援XDCAM EX格式。XDCAM产品范围包括了摄影机和录影机，作为突发取代传统录影机的格式，容许XDCAM光碟可以应用在传统影带式的工作流程。其录影机亦可作为随机存取磁盘机，以IEEE 1394及以太网等途径容易汇入录像到非线性编辑系统。所以与过去使用影带的录影机系统比起来，进行非线性编辑更容易。

49. (5)XDCAM-EX

50. XDCAM EX是SONY公司顺应目前高清制作的IT化、网络化以及普及化需求，推出的以S x S存储卡作为存储媒体的系列产品。Express Card的速度快、体积小的特点，SONY最终决定发展闪存技术，为无带式节目制作开发更广泛的应用领域。      • XDCAM EX摄录一体机及录像机可以在小规模制作系统中发挥很大的作用，因为用户可以方便地对闪存介质进行管理。XDCAM EX家族的产品继续采用MPEG-2压缩技术，图像采集系统使用三片½英寸成像器，可以多种帧率记录1920x1080,1280x720以及1440x1080格式的高清信号。