第1章 彩色摄像机的工作原理

1、 影视节目采编制作(zhzu) 主讲(zhjing): 陈旭鑫 共九十六页教材和主要(zhyo)教学参考书 教材:当代电视摄影制作教程（黄匡宇著，复旦大学出版社，2005）主要教学参考书: 1、电视节目制作技术（李焕芹、郭峰主编(zhbin)，电子工业出版社，2008年9月第1版） 2、实用电视摄像（苏启崇 主编，中国广播电视出版社，2000年7月第1版） 3、开拍啦怎样制作电视节目（英哈里斯华兹 著，徐雄雄等译，中国广播电视出版社2006年9月第1版）共九十六页第1章 摄像机的构成(guchng)与工作原理共九十六页本章(bn zhn)内容提要一、摄像机的组成部件二、摄像机的工作(gngzu

2、)原理三、镜头及其成像原理四、镜头的景深原理五、变焦距镜头及其原理六、摄像机主体部分的主要构成与原理七、通讯系统八、摄像机支撑系统九、实践实验：摄像机的构成与使用共九十六页一、摄像机的组成(z chn)部件1光学镜头(jngtu)2导像器 /监视器3主机/机体（含白平衡等）4话筒（外置、内置）5. 滤色片共九十六页常见(chn jin)摄像机共九十六页常见(chn jin)摄像机DV级的数字式摄像机 外景新闻类数字摄像机 演播室专用摄像机 共九十六页常见(chn jin)摄像机索尼HXR-MC1500C 共九十六页常见(chn jin)摄像机共九十六页常见(chn jin)摄像机共九十六页常见

3、(chn jin)摄像机共九十六页常见(chn jin)摄像机共九十六页二、摄像机的工作(gngzu)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(zhunhun)系统（主要指摄像管或固体摄像器件）电路系统（主要指视频处理电路）。共九十六页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，其中凸透镜的中心比边缘厚，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(jnggu)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”。二、摄像机的工作(g

4、ngzu)原理共九十六页二、摄像机的工作(gngzu)原理光电转换系统(xtng)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。电路系统放大这些微弱的电信号，形成符合特定技术要求的信号，并从摄像机中输出。共九十六页光学系统相当于摄像机的眼睛，与操作技巧密切相关，在本章以后的小节里将详细叙述。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(xnzng)”。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。二、摄像机的工作(gngzu)原理共九十六页摄像系统：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

5、：把信号源送来的电信号通过(tnggu)电磁转换系统变成磁信号，并将其记录在录像带上。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。 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。二、摄像机的工作(gngzu)原理共九十六页三、镜头(jngtu)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(yzhu)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，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。电视画面的清晰程度和影像层次

6、是否丰富等表现能力，受光学镜头的内在质量所制约。共九十六页三、镜头(jngtu)及其成像原理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。加膜的作用：1）消减镜片与镜片之间所产生的色散现象。2）减少逆光拍摄时所产生的眩光，保护(boh)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。共九十六页镜头(jngtu)的光学特性： 焦距 平行的直射光线穿过透镜后在另一边的光轴上汇聚成一点，这个点称为焦点。从焦点至镜头中心的距离为该镜头的焦距(jioj)。单位：毫米（mm）按透镜焦距的长短，镜头有短焦距镜头、长焦距镜头以及介于两者之间的中焦距镜头之分。不

7、同焦距的镜头使用在不同的拍摄场合，并获得不同的画面效果。共九十六页镜头的光学(gungxu)特性； 视场角从镜头主平面中心(zhngxn)向视线方向的两边边缘所形成的角，就是视场角。 视场角是表现摄像机镜头视场大小的参数，它决定着成像的空间范围。摄像景别与视场角有关。共九十六页镜头的光学(gungxu)特性： 变焦距镜头 是一种可连续变换焦距的镜头，由多组透镜组片构成。（下文有述）。镜头的变焦距功能(gngnng)，可以使摄像机在不移动位置的情况下，就能取得预想的视野范围。共九十六页镜头的光学特性(txng)： 调焦 调焦 (也称为“聚焦” ) ：调整焦点。调焦的目的与结果：1）光线通过摄像机

8、后能准确地会聚在摄像器件的受光面上(min shn)，从而获得轮廓清晰的景物图像。2）除非特别要求，否则摄像镜头的焦距必须调节清楚。 共九十六页镜头(jngtu)的光学特性： 可变光阑（光圈）可变光阑（又称光圈）：用来控制光线透过镜头、进入机身内感光面的光量的装置，通常是在镜头内。对于已经制造好的镜头，我们不可能随意改变镜头的直径，但是我们可以通过在镜头内部加入多边形或者圆型，并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量，这个(zh ge)装置就叫做光圈。表达光圈大小我们是用f值。 共九十六页f =镜头的焦距/镜头的有效口径的直径。光圈 f 值越小，通光孔径越大，光圈越大，进光量越多；反之，则越

9、小。完整的光圈值系列(xli)如下： f1.0，f1.4，f2.0，f2.8，f4.0，f5.6，f8.0，f11，f16，f22，f32，f44，f64 镜头的光学(gungxu)特性： 可变光阑（光圈）共九十六页光圈越大，进入的相机的光线就多，成像就会很亮，反之就会很暗。光圈越大，景深就越小，背景也就越模糊，光圈越小，景深越大，背景也就越清楚。注：光圈和相机上的光圈数值(shz)标示相反，数值(shz)越大光圈越小，数值(shz)越小光圈越大。镜头的光学特性(txng)： 可变光阑（光圈）共九十六页镜头的光学特性(txng): 景深摄像机在拍摄时，能获得清晰景象的前后距离就是“景深”。景深

10、的范围可大可小，根据拍摄内容要求(yoqi)不同，对景深的要求(yoqi)也不同。善于控制景深大小，就可以拍摄出有特定含义的镜头内容。景深与镜头焦距的长短、光圈的大小以及物距的长短有关。共九十六页注意(zh y)清晰图像的范围：景深共九十六页清晰范围(fnwi)不同共九十六页共九十六页共九十六页共九十六页共九十六页共九十六页共九十六页共九十六页共九十六页共九十六页共九十六页景深的表现(bioxin)特点与使用共九十六页超焦距(jioj)示意图共九十六页超焦距(jioj)实例共九十六页镜头(jngtu)的光学特性: 焦深（Depth of Focus）焦点深度的简称。在使用显微镜时，当焦点对准某

11、一物体时，不仅位于该点平面上的各点都要可看清楚，而且在此平面上下一定厚度内也能看清楚。这个清楚部分的厚度，就是(jish)焦深。焦深：指在保持影像景深不变的前提下，焦点沿着镜头光轴所允许移动的距离。简单地说，就是镜头的像平面两边的成像清晰范围。共九十六页景深(jngshn)焦深示意图共九十六页焦深示意图弥散(msn)圈，指在镜头视角内但又不在镜头焦平面上的物体，在胶卷/CCD上的投影会形成一个圆形光斑，这个光斑就是弥散圈。 共九十六页前后景深(jngshn)的关系共九十六页焦深与景深(jngshn)的区别焦深，是针对影像的焦平面可允许移动的范围而言的；景深，则是针对被摄物体参被清晰(qngx)

12、记录的范围而言的。当摄距缩短时，景深缩小、焦深增大。（注：要产生1：1影像时，焦深=景深）共九十六页焦深与景深(jngshn)的区别示意图共九十六页焦深与其他镜头光学(gungxu)属性的关系光圈(gungqun)与焦深成反比摄距与焦深成反比焦距与焦深成正比共九十六页四、镜头的景深(jngshn)原理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(zo chn)的。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。共九十六页四、镜头的景深(jngshn)原理当

13、镜头(jngtu)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。共九十六页四、镜头(jngtu)的景深原理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。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，后面的清晰范围叫后景深。前景深和后景深加在一起，也就是(jish)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。一般所说的景深就是指全景深。共九十六页案例(n l)图共九十六页决定景深的三个主要(zhyo)因素（1）光圈(gungqun)

14、（2）焦距（3）物距共九十六页决定景深的主要(zhyo)因素: (1)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(fnwi)越大；光圈越大，景深的范围(fnwi)越小。即：光圈越大，景深越浅。光圈越小，景深越深。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。共九十六页案例(n l)共九十六页案例(n l)共九十六页决定景深的主要(zhyo)因素: (2)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；镜头焦距越长，景深

15、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(b tn)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。共九十六页决定(judng)景深的主要因素：(3)物距在镜头焦距和光圈系数都相等的情况下，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(jiodin)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。共九十六页相反，对靠近镜头的景物调焦，由于(yuy)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

16、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。决定景深的主要(zhyo)因素：(3)物距共九十六页五、变焦距镜头(jngtu)及其原理摄像机的镜头可划分为标准镜头、长焦距镜头和广角镜头。在使用(shyng)标准镜头拍摄时，被摄对象的空间和透视关系与摄像者在寻像器中所见到的相同。焦距50毫米以上称为长焦距镜头，16毫米以下的称为广角镜头。目前我国的电视摄像机大多只采用一个变焦距镜头。 共九十六页变焦距镜头(jngtu)的外部结构图共九十六页变焦距镜头(jngtu)的内部结构图共九十六页变焦镜头(bin jio jn tu)的操作变焦距镜头的操作有一定的难度(nd)，初学者会更为明显

17、地感到困难，这是因为影响聚焦清晰的因素如镜头焦距、光圈、景深以及主体离摄像机的距离等可能同时都在变化。为了有效地解决这一问题，初学者可以：先用变焦距镜头最长的焦距对准被摄对象聚焦，然后再恢复到拍摄时所需要的焦距上，这样就能保证被摄对象的清晰。共九十六页在实际拍摄时，当把变焦距镜头从广角端渐渐地变为长焦端时，其画面的视觉效果好像是摄像机离这一景物越来越近，这种效果便是所谓的摄像机镜头进行变焦距的变化.变焦的两种方法(fngf)：一是电动变焦，二是手动变焦。变焦镜头(bin jio jn tu)的操作共九十六页变焦镜头(bin jio jn tu)的操作（1）电动变焦：靠电动推拉杆(lgn)（T推

18、W拉）来控制，手在推拉杆上用力的大小可改变镜头运动的速度。电动变焦的特点是镜头在推拉的过程中变化均匀。（2）手动变焦：通过直接用手拨动变焦环实现。手动变焦一般是在镜头需要急速推拉时才能使用。共九十六页六、摄像机主体构成(guchng)与原理 机身(j shn)部分主要包括：内部光学系统摄像器件预放电路信号处理电子快门信号编码信号记录视频返送信号输出处理其他 共九十六页（1）摄像器件(qjin)电视摄像机能将景物光转变成电信号，依靠的是摄像器件，它也是决定图像质量的关键器件。摄像器件有电子管摄像器件和CCD器件（半导体摄像器件）之分目前广泛使用的摄像器件是CCD器件，即电荷偶合器件（Charge

19、 Coupled Device），这是一种利用半导体原理设计(shj)制成的复杂的光电转换器件。CCD的直接作用是“感光度”的大小；成像感光度范围越大，对色彩和小物件的质量表现就越好。共九十六页摄像机基本(jbn)配件共九十六页三片CCD摄像机的组成(z chn)构图共九十六页（2）预放电(fng din)路作用：将经摄像器件光电转换出来的图像电信号放大(fngd)成可以激励后级视频信号处理电路工作的信号。预放电路一般都是由特别低噪声的场效应管来担任，以保证放大后的信号噪声低、增益高和频带宽。 共九十六页（3）电子(dinz)快门电子快门是利用电子技术在时间上控制CCD芯片上电荷的产生与转移，

20、从而得到(d do)“快门”效果。电子快门的特点是无运转噪声、速度档次多、速度快，适合分析快速运动过程，但存在图像的不连续、间断跳跃感。电子快门速度的标值有1/50、1/100、1/200、1/500、1/1000秒等分级，不同机器设置不同。共九十六页（4）视频信号处理单元白色平衡(pnghng)（White Balance，简称WB）黑色平衡 ( Black Balance，简称BB ) 共九十六页白色(bis)平衡（White Balance，简称WB）白平衡是电视摄像领域一个非常重要的概念，通过它可以解决色彩还原和色调处理的一系列问题。许多人在使用数码摄像机时，常会遇到这样的问题： 在日

21、光灯的房间里拍摄的影像会显得发绿； 在室内钨丝灯光下拍摄出来的景物就会偏黄； 在日光阴影处拍摄到的照片则莫名其妙地偏蓝。 其原因就在于(ziy)“白平衡”的设置上。 共九十六页白色平衡(pnghng)（White Balance，简称WB）白平衡，是指能实现摄像机图像能精确反映被摄物的色彩状况。白平衡是随着电子影像再现色彩真实而产生的，在专业摄像领域(ln y)白平衡应用较早，如今在家用电子产品（家用摄像机、数码照相机）中也广泛使用。 分类：手动白平衡、自动白平衡 共九十六页白平衡与色温密切相关：对数码（摄）相机而言，色温就是(jish)白平衡的问题。 在摄影领域，光源总是根据它们的色温来定义

22、。色彩和色温的关系，起源于黑体辐射体(对黑色物体加热直到它发光)。色温：黑体辐射体在不同温度下呈现的色彩。单位：开尔文（K） 白色平衡(pnghng)（White Balance，简称WB）共九十六页当黑色物体受热后开始发光时将变成暗红色，如果继续加热就会变成黄色，然后是白色，最后就会变成蓝色。（注：可观看黑炭燃烧的过程(guchng)）万里无云的蓝天的色温约为10000K，阴天约为7000-9000K，晴天日光直射下的色温约为6000K，荧光灯的色温约为4500 K，钨丝灯的色温约为2600K，日出或日落时的色温约为2000K，烛光下的色温约为1000K。白色平衡(pnghng)（White

23、 Balance，简称WB）共九十六页大多数的摄像头都提供了“自动白平衡”的功能；但在不同的光源下，这个系统(xtng)不能完全符合人对视觉的要求。 较精密的摄像头，提供了使用者选择光源的范围如：日光（sunlight-色温6000K），阴天（cloudy-色温3500-3000K），荧光-室内日光（fluorescent-色温5500K-4000K），灼光-室内强光（incandescent-3500K-3000K）和闪光灯（Speedlight）等不同的选择 白色(bis)平衡（White Balance，简称WB）共九十六页白平衡的调整方法 ： 1） 选择(xunz)一个作为调整依据的白

24、色物体（尽可能采用规定的测试卡），该白色物体放在被摄主体的位置上，不能出现反光点。 2）将镜头对着标准白色物体，进行变焦与聚焦，使白色物体图像占据寻像器屏幕的80%以上。 3）接通自动白平衡开关，几秒钟后，白平衡就自动调好，这时白平衡的指示灯亮或寻像器上会出现“OK”的字样。 4）家用摄像机则只要将镜头对着白色，满屏拍摄几秒钟就可以了。白色(bis)平衡（White Balance，简称WB）共九十六页黑色平衡(pnghng) ( Black balance )黑平衡，也是摄像机的一个(y )重要参数。黑平衡，指摄像机在拍摄黑色景物或者盖上镜头盖时,输出的3个基色（红、绿、蓝 ）电平应相等,使

25、在监视器屏幕上重现出黑色。黑平衡对人眼视觉的影响，远不如白平衡对人眼视觉影响那样强烈。因此，电视监控用摄像机一般不设黑平衡调整电路。共九十六页一般有自动、手动等模式。调整过程要在无光情况下进行，所以自动调整时会自动关闭光圈(gungqun)，若光圈(gungqun)无法控制，需要用户手动盖上镜头，否则调整结果不准确。手动模式可以按R、G、B各个通道或整体调整黑基电平。黑色平衡(pnghng) ( Black balance )共九十六页单个摄像机在出厂(ch chng)前已经调整好了黑色平衡，使用者一般无须再作调整。 摄像机只有白平衡和黑平衡都调整正确，所拍摄的图像才可能不论亮暗均不偏色（黑平

26、衡调整的一般方法可参阅各机器的使用说明）。黑色平衡(pnghng) ( Black balance )共九十六页增益(zngy) ( Gain )在光照度低的情况下，光圈已开到最大，但图像仍然很暗，如果受条件所限不能用灯等照明器具进行补充，则可以利用(lyng)摄像机上的增益控制钮来增加电路系统的增益。增益调整，是指对摄像机图像输出信号电平的大小进行调整。增益可以通过增益控制开关来调节，通常有0dB 、9db、18dB等档位供选择。增加电路增益往往会造成图像质量的下降背景噪声被提升，所以不是万不得已时最好不使用这一方法。共九十六页七、通讯(tngxn)系统（Communication Syst

27、em）在摄像过程中，摄像人员需要与导演及其他摄制人员相互联系，同时也需要知道所拍画面是否合乎需要，这些都离不开摄像机通讯(tngxn)系统的支持。通信系统主要有： （1）内部通话系统 （2）演播指示系统（3）视频返送系统（4）录像启/停系统 共九十六页（1）内部通话(tng hu)系统 ( Headphone Intercom System)内部通话系统(xtng)，专供控制室导演与摄像人员之间的联络。摄像人员通过它可以和导演等进行通话。摄像机上通常都有一个三芯的对讲插座，可以插上既有话筒又有听筒的对讲耳机。共九十六页（2）演播(yn b)指示系统（Tally）演播指示系统，用于提醒(t xng)摄像人员正确操作或按导演意图拍摄镜头内容。当某个摄像人员摄制的画面正被采用时，则他所持摄像机寻像器里的演播指示灯将会亮。共九十六页（3）视频(shpn)返送系统 ( Video Return )摄像机不仅能输出视频信号，也