第三讲：摄像机、解码器的工作

1、第三讲：摄像机、解码器的工作原理娄底职院2010v一：摄像机工作原理一：摄像机工作原理v摄像机是一种把景物光像转变为电信号的装置。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。v摄像机所以能摄影成像，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。v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：光学系统光学系统（主要指镜头）、光电转换系统光电转换系统（主要指摄像管或固体摄像器件）以及电路系统电路系统（主要指视频处理电路）。v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

2、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。v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。 v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。 v从能量

3、的转变来看，摄像机的工作原理是一个光电磁电光光电磁电光的转换过程。v二、镜头及其成像原理二、镜头及其成像原理 v镜头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。v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

4、利通过镜头，提高镜头透光的能力，使所摄的画面更清晰。 焦距v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。 视角v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

5、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。 v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。v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。v当镜头聚集于被摄影物的某一点时，这一点上的物体就能在电视画面上清晰地结像。在这一点前后一定范围内的景物也能记录得较

6、为清晰。这就是说，镜头拍摄景物的清晰范围是有一定限度的。这种在摄像管聚焦成像面前后能记录得“较为清晰”的被摄影物纵深的范围便为景深景深。当镜头对准被摄景物时，被摄景物前面的清晰范围叫前景深前景深，后面的清晰范围叫后景深后景深。 v前景深和后景深加在一起，也就是整个电视画面从最近清晰点到最远清晰点的深度，叫全景深全景深。一般所说的景深就是指全景深。v有的画面上被摄体是前面清晰而后面模糊，有的画面上被摄体是后面清晰而前面模糊，还有的画面上是只有被摄体清晰而前后者模糊，这些现象都是由镜头的景深特性造成的。可以说，景深原理在摄像上有着极其重要的作用。正确地理解和运用景深，将有助于拍出满意的画面。决定景

7、深的主要因素有如下三个方面：v光圈光圈 在镜头焦距相同，拍摄距离相同时，光圈越小，景深的范围越大；光圈越大，景深的范围越小。这是因为光圈越小，进入镜头的光束越细，近轴效应越明显，光线会聚的角度就越小。这样在成像面前后会聚的光线将在成像面上留下更小的光斑，使得原来离镜头较近和较远的不清晰景物具备了可以接受的清晰度。v焦距焦距 在光圈系数和拍摄距离都相同的情况下，镜头焦距越短，景深范围越大；镜头焦越长，景深范围越小。这是因为焦距短的镜头比起焦距长的镜头，对来自前后不同距离上的景物的光线所形成的聚焦带（焦深）要狭窄得很多，因此会有更多光斑进入可接受的清晰度区域。v物距在镜头焦距和光圈系数都相等的情况

8、下，物距越远，景深范围越大；物距越近，景深范围越小。这是因为远离镜头的景物只需做很少的调节就能获得清晰调焦，而且前后景物结焦点被聚集得很紧密。这样会使更多的光斑进入可接受的清晰度区域，因此景深就增大。相反，对靠近镜头的景物调焦，由于扩大了前后结焦点的间隔，即焦深范围扩大了，因而使进入可接受的清晰度区域的光斑减少，景深变小。由于这样的原因，镜头的前景深总是小于后景深。 三：三：CCD的作用的作用vCCD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素（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

9、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。vCCD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

10、信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 v衡量好坏的指标很多，有像素数量，CCD尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及尺寸是重要的指标。像素数是指上感光元件的数量。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，理论上的像素数量应该越多越好。但像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行电视标准下，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。v单摄像机是指摄像机里只有一片并用其进行亮度信号以及彩色

11、信号的光电转换，其中色度信号是用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。为了解决这个问题，便出现了摄像机。，顾名思义，就是一台摄像机使用了片。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，就构成了一个系统。v数码相机规格表中的CCD一栏经常写着“1/2.7英寸CCD”等。这里的“1/

12、2.7英寸”就是CCD的尺寸，实际上就是CCD对角线的长度。v现有的数码相机一般采用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。v按CCD靶面大小划分 vCCD芯片已经开发出多种尺寸： v目前采用的芯片大多数为1/3”和1/4”。在购买摄像头时，特别是对摄像角度有比较严格要求的时候，CCD靶面的大小，CCD与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。v1英寸靶面尺寸为宽12.7m

13、m*高9.6mm，对角线16mm。 v2/3英寸靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。 v1/2英寸靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。 v1/3英寸靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。 v1/4英寸靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。 v红外摄像机的工作原理v 人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.620.76m；紫光的波长范围为0.380.46m。比紫光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线，人的肉眼是看不到红外线的。 红外夜视，就是在夜视状态下，红外摄像

14、机会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，红外线经物体反射后进入镜头进行成像。摄像机是通过CCD感应红外线的，而CDD是能够感应所有光线 (可见光、红外线和紫外线等) 的,因此在没有可见光的情况下，红外摄像机是可以拍摄到肉眼看不到的影像的。v四：摄像机的选型四：摄像机的选型v1根据安装地点选取。普通枪式摄像机，配置镜头、支架等，可壁装又可以吸顶安装，室外加防雨罩，室内加防尘罩。半球形的摄像机吸顶安装，内置镜头，防护罩和支架，安装方便，价格经济。v2根据光线选取v光线不理想的情况选取底照度的彩色|黑白摄像机。v清晰度要求较高时，选取黑白摄像机v3根据监控模式选择v定点监视模式选用普通枪式摄像机或半球摄像机固定安装，全方位监控采用一体化摄像机。v4根据图像清晰度要求选择v对视频图像分辩率要求较高的场合，选用水平分辩率指标高、像数大的摄像机。v5根据其它要求选择。v如银行柜台选用彩色摄像机，医学血管图像要求干扰少，选用信