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教育电视系统彩色电视摄像机彩色电视摄像机本章内容彩色电视摄像机的分类彩色电视摄像机的结构电视摄像机的成像原理彩色电视摄像机的分类同步信号视频信号电视摄像机能够把景物的光学视觉信息转变为电信号，即视频信号图像信号反映景物内容便于传播显示彩色电视摄像机的分类分类方式按成像器件:CCD器件（感光耦合器）(ChargeCoupledDevice)行间转移(

IT)帧间转移(

FT)帧行间转移(

FIT)CMOS器件（互补性氧化金属半导体）(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor)Bayer片阵CCD器件（ColorFilterArray）多层感色CMOS器件

(FoveonX3

)彩色电视摄像机的分类分类方式按使用用途:采用为高清拍摄设计的FIT3CCD器件，能获取高质量画面高清摄像机HDTV系统用于广播电子化的电影创作、医学领域研究和广告的制作

彩色电视摄像机的分类分类方式按使用用途:广播用途摄像机EFP系统(ElectronicFieldproduction)在不丧失机动性的前提，多机联机工作获取高质量画面采用３CCD器件，BetacamSP摄像机+摄像机适配器彩色电视摄像机的分类分类方式按使用用途:专业用途摄像机ENG系统(ElectronicNewsGathering)要求摄像机具有较高的动态分解力（特别是在照度不高的条件下）、灵敏度和消除高亮度惰性的能力，能适应室外的照明强度、色温以及工作温度的大范围变化

彩色电视摄像机的分类分类方式按使用用途:业余用途摄像机要求摄像机的体积小和自动化程度高，操控性、稳定性和便携性显著突出，具有电子/光学图像稳定功能，存储输出操作简单、拍摄使用方便，能适应室内外的工作环境的变化

彩色电视摄像机的结构摄像机的组成摄像机由光学系统、信号处理系统和图像显示系统三部分组成光学系统包括镜头、滤镜、分色系统镜头作用:进光、成像

焦距－－焦点至镜头中心的距离，镜头焦距的长短，关系成像画面的大小根据焦距的大小分为：标准镜头、广角镜头、长焦镜头标准镜头－－焦距与成像平面对角线接近或相等的镜头长焦距镜头－－焦距大于成像平面对角线的镜头广角镜头－－焦距小于成像平面对角线的镜头

彩色电视摄像机的结构变焦镜头对于由若干片透镜形成的组合透镜，等效焦距由透镜1的焦距f1、透镜2的焦距f2

和透镜间的距离d共同决定

f=1/(1/f1+1/f2–d/f1*f2）改变距离d即可达到改变组合透镜焦距f的目的，形成了变焦镜头调焦组——改变景物的物距变焦组——用来改变镜头的焦距补偿组——随变焦镜片移动，以保持成像平面基本不变物镜组——将成像面调整到一个合适距离

彩色电视摄像机的结构变焦镜头的特性

视场角－－摄像机靶面有效成像平面（视场）边缘与镜头后焦点所形成的夹角，造型上反映的是摄像机记录景物范围的开阔程度视场角与靶面成像平面的尺寸、镜头焦距相关，变焦镜头进行焦距调整，将改变镜头成像的视场角镜头焦距越短，视场角越大－－被摄主体成象越小、视野开阔

镜头焦距越长，视场角越小－－被摄主体成象越大、视野狭窄彩色电视摄像机的结构像平面照度与透镜孔径（光圈）

透镜相对孔径（D/f）的倒数称光圈指数F，标记光圈大小，F值越小（光圈越大），镜头透光能力越强常见的光圈系数有：1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22

像平面照度E与光圈指数F

成反比

变焦镜头进行焦距调整，将改变镜头透光能力的大小摄像机通常采用根据镜头视野范围内像平面照度E的值在技术上确定镜头的T光圈，使用它做为计算曝光值的依据变焦镜头的特性彩色电视摄像机的结构滤镜作用:校色、校光保证入射光光谱与CCD器件的光谱敏感特性接近保证CCD器件的光电转换处于线性区校色滤镜

利用其光谱透过特性来改变因光源色温不同而引起的拍摄对象色彩呈现的变化彩色电视摄像机的结构作用:校色、校光保证入射光光谱与CCD器件的光谱敏感特性接近保证CCD器件的光电转换处于线性区校色滤镜

利用其光谱透过特性来改变因光源色温不同而引起的拍摄对象色彩呈现的变化滤镜彩色电视摄像机的结构校色滤镜摄像机CCD器件的光敏特性都是按照3200K照明光源色温调整的当高色温光源照射（5600K）时，其图像中蓝色光谱成分偏高，插入光谱特性如橙色曲线的色温滤色片，摄像机CCD器件入射的光谱得到校正，图像的色彩就会得到修正λ彩色电视摄像机的结构校光滤镜

ND镜，可以均匀减少镜头进光量而不改变景物原本颜色和反差应用摄像机在强光下实现大光圈、浅景深图像效果的拍摄分为1/8ND、1/64ND

1/8ND指透过1/8的光量，相当于加大光圈3挡

1/64ND指透过1/64的光量，相当于光圈加大6挡彩色电视摄像机的结构分色滤镜电视摄像机对彩色景物进行光电转换只能感受光的亮度，不能感受光的色彩，需要应用基色分光技术表现颜色棱镜分色－－利用复合波长的光线在不同厚度的干涉膜中折射率与反射率不同实现单色光输出，分解为单色光像，输送到对应的光敏器件进行单色光像转换

780nm380nm彩色电视摄像机的结构分色滤镜滤色片阵分色－－利用光电感应阵列上部安装的镶嵌式颜色过滤装置，让感应器能够区分可见光范围红、绿、蓝三种基色光，每个单色图像中遗失的象素按照一定的运算法则，根据旁边像素和其他颜色通道的数值进行插补处理，把所有单色图像结合起来形成颜色准确的图像

彩色电视摄像机的结构CCD光敏单元像素线阵CCD移位寄存器像素列与势垒沟阻交错排列作用：完成光电转换、电荷存储、图像信号转移输出像素列面阵CCD摄像器件当景物的光照射到氧化物表面时，就在氧化物层与P型硅之间产生电荷，其电荷量与照射该点的光强度成正比CCD单元的光电转换CCD单元的电荷存储在接受光照的P型硅表面电极上加电压，则该电压形成的电场将穿过氧化层，在氧化层与硅片的界面上形成一个可以存储光照电荷的区域，称为势阱对存储光照电荷的势阱，有规律地改变各个电极的电压，则对应势阱内的电荷就可以按人为确定的方向转移彩色电视摄像机的结构摄像器件彩色电视摄像机的结构摄像器件CCD阵列类型与信号输出通过CCD面阵栅极电压变化对应的电荷包位置移动，将感光单元接受的景物影像反射光变成相应的图像电信号输出行转移（IT）CCD结构行转移方式的特点

感光矩阵和存储矩阵交叉排列，每个像素包含两个并列的CCD细胞，一个用来感光，另一个被遮挡的则用来组成垂直移位寄存器缺点：

1、由于感光部分与存储部分相间排列，感光面积小，光利用率低

2、仍然有部分强光照射到存储条下的电荷，造成类似垂直拖尾现象彩色电视摄像机的结构帧转移（FT）CCD结构帧转移方式的特点结构尺寸是感光区域的两倍，上面的矩阵用于接收光学影像，是大量电荷集中的地方，这个矩阵中的像素被设计成为垂直转移方式，在垂直消隐期，所有的影像电荷被快速的转移到下面的矩阵中去，清除了感光矩阵中的所有电荷下面的矩阵被遮光物质遮盖，在下一个垂直扫描过程的水平消隐期间，下面的矩阵将水平线上的电荷向下依次转移到最下端的读出寄存器

缺点：1、存储区与成像区占同样大小的芯片面积，因此CCD芯片尺寸较大

2、电荷转移时受到光照干扰，产生垂直拖尾摄像器件CCD阵列类型与信号输出彩色电视摄像机的结构帧行间转移方式的特点是目前CCD结构的最佳方式，被普遍应用于高质量的电视摄像机，电荷转移速度要比行间转移方式快60~100倍，事实上已经消除了垂直拖尾现象帧行转移（FT）CCD结构摄像器件CCD阵列类型与信号输出彩色电视摄像机的结构CCD阵列器件的发展

CCD器件的特性创新是提高摄像机性能的关键第一代FTIT

600有效像素/行500有效像素/行第二代FTIT

784有效像素/行786/行（空穴积累二极管）第三代FTIT

片上透镜技术（传感器上为凸透镜，垂直转移寄存器上为凹透镜）

第四代FIT

980/行（HyperHAD

）

1080/行（PowerHAD）拖尾电平为－145dB摄像器件彩色电视摄像机的结构视频处理视频处理电路能够对摄像器件的工作状态进行优化控制，并对输出的图像信号进行放大、补偿、校正、编码，包括模拟处理部分和数字处理部分综合系统控制

R基色信号

G基色信号

B基色信号模拟信号处理数字信号数字信号处理数模变换编码根据视频处理系统中数字技术是用于视频信号处理和自动调整，还是输出高质量的数字视频信号，分为数字技术处理摄像机和数字摄像机

彩色电视摄像机的结构模拟信号处理预放器：应用低噪声、宽频带处理方式对摄像器件光电转换输出的微弱图像电信号进行放大，并通过电子快门控制CCD芯片上电荷曝光的时间，达到表现不同速度的运动物体成像清晰的效果综合系统控制预放器电子快门白平衡增益控制AGC黑斑校正白平衡/增益控制：针对景物由于照明光源色温不同形成的不平衡比例光，通过对红、绿、蓝放大电路有针对性的调整使分色光比例恢复均衡，色彩表现正常同时提高每个通道的放大量（增益）可以在拍摄时光线照度不够的情况下提升视频信号电平，增加增益使信号、噪声同时增加，将造成图像质量下降

AGC/黑斑校正：增益自动控制和背景光影响形成暗斑的调整彩色电视摄像机的结构数字信号处理采用数字设定、微处理器控制和高比特数字处理电路，使需要调整的摄像机参数简洁精确灵活，其稳定性和可靠性大大提高数字处理的优势：

1、信噪比与动态范围增加输出信号的信噪比和动态范围与在转换成数字信号时使用的量化级数成正比，量化等级增加一比特，信噪比和动态范围增加6dB2、整体功能增加

彩色电视摄像机的结构

3、彩色校正摄像机的光谱特性由镜头的透过特性、滤镜的分光特性和CCD器件的光谱灵敏度综合决定

彩色校正是应用多区域线性矩阵合成系统丢失的光谱曲线负区特性，能获得出人意料的色彩效果数字信号处理彩色电视摄像机的结构

4、优良的数字γ校正因为系统显示对亮度的呈现是非线性，所以要求摄像机在拍摄时对亮度的感受也是非线性并与显示亮度特性相反

5、孔阑校正非无限小的CCD感光单元面积会产生孔阑效应，对信号波形的形成缓慢过渡、轮廓模糊的影响孔阑校是对图像信号中亮度突变的图像边缘相对应部分进行幅度提升，与原信号混合来补偿孔阑效应造成的锐度下降，提高图像的清晰度数字信号处理彩色电视摄像机的结构视频编码处理编码器：将三基色信号合成亮度信号Y将色差信号(B-Y)、(R-Y)、(G-Y)通过矩阵变换得到互为关联的红色差信号CR-Y、蓝色差信号CB-Y，并可以与亮度信号Y和同步信号混合形成彩色全电视信号视频信号输出方式：

1、串行数据SDI（HD-SDI）

2、分量信号（模拟Y、R-Y、B-Y）

3、模拟复合信号彩色电视摄像机的结构高频混合原理

根据大面积着色原理，表征图像细节部分的亮度信息用全部视频

带宽

0～6MHz传送，图像色彩信息只需要对根据图像的大面积部分

对应的低频信号以0～1.3MHz的频带传送，高频部分用同一亮度信

号的高频部分来补充

图像细节和景物轮廓部分，对应于图像信号的快速变化，即信号的高频成分；大面积图像亮度与色彩表现对应图像信号的慢速变化，对应于信号的低频成分电视图像的水平清晰度是和信号频带宽度成正比的水平清晰度每增加80线，相当于视频带宽增加1MHzCR-YMHzC

B-YMHz６YMHz亮度信号带宽fY:0~6MHz色度信号带宽fC:0~1.3MHz1.3视频编码处理彩色电视摄像机的结构串行数据SDI以270Mb/s的传输速率传送无压缩的数字视频信号不同格式的数字录像机规定了直接传输压缩数字信号的接口格式

SDDI索尼公司的Betacam-SX

QSDI索尼公司的DVCAM系统

CSDI松下公司的DVCPRO和Digital-S系统

视频编码处理彩色电视摄像机的结构视频编码处理串行数据HD-SDI符合GY／T155－2000协议标准以1485Mbps的传输速率，按每一行奇数样点Cb、Y、Cr的次序，偶数样点只有Y一个字，以顺序为Cb1、Y1、Cr1、Y2、Cb3、Y3、Cr3、Y4……传送亮度和色差数据

HD-SDI支持1080／24P图像视频数据格式

彩色电视摄像机的结构视频处理分量信号（模拟/数字）并行线性矩阵滤波采样滤波采样滤波采样fs=13.5Mfs=6.75Mfs=6.75MRGBYCR-YCB-Y数字分量输出宽带放大窄带放大窄带放大YCR-YCB-Y模拟分量输出应用：模拟分量摄录一体机串行输出Cb3Cr1Y1

Cb1Y2

彩色电视摄像机的结构视频处理CR-Y视频输出:模拟复合形式----彩色全电视信号YY=0.30R+0.59G+0.11BCB–Y

CR–Y

CB-Y并行线性矩阵RGBYCR-YCB-Y色差信号的频谱放置在亮度信号的频谱空隙之中６ＶMHz图像信号的频谱中空隙达４６％６ＶMHz频谱交错彩色电视摄像机的结构视频编码处理模拟复合信号６ＶMHz将色差信号(R-Y)、(B-Y)对副载波fsc进行调制

fsc

的设置位置要保证色度频带对亮度频带的影响最低ＶMHz６fsc正交平衡调幅（NTSC制）cosωsct频率为ωsc的载波信号表达式调幅:

信号控制载波幅度f(t)

随时间变化的调制信号

Usc

载波振幅f(t)cosωsct+Usccosωsct彩色电视摄像机的结构视频编码处理６ＶMHzＶMHz６fsc正交平衡调幅若调制信号

=(R–Y)cosΩtcosωSCt则f(t)cosωsct

f(t)

=(R–Y)cos

Ωt经函数变换

=1/2(R–Y)cos

(ωsc+Ω)t+1/2(R–Y)cos(ωSC-Ω)t调制信号与频率为ωsc的载波信号cosωsct

无关只与调制波振幅变化所在频率

(ωsc+Ω)、(ωSC-Ω)有关

ωscfωsc-Ωωsc+Ω彩色电视摄像机的结构视频编码处理需要传送的色差信号有

(R-Y)、

(B–Y)

=1/2(R–Y)cos

(ωsc+Ω)t+1/2(R–Y)cos(ωSC-Ω)t将红色差信号

(R–Y)对相位为９０°的副载波进行调制

f(t)cosωsct将蓝色差信号

(Ｂ–Y)对相位为０°的副载波进行调制

f(t)sinωsct=1/2(B–Y)sin(ωsc+Ω)t+1/2(B–Y)sin(ωSC-Ω)t因此红色差信号(R–Y)的载波cosωsc与蓝色差信号

(Ｂ–Y)的载波sinωsc相位相差９０°

R–Y平衡调幅B–Y平衡调幅cosωsct(R–Y)(B–Y)90°移相(R–Y)cosωsctF(B–Y)sin