第二节　摄像机的组成、工作原理与新功能技术的应用

一、摄像机的基本组成

摄像机的基本组成如图1-7所示。

图1-7　摄像机的基本组成

彩色电视摄像机是进行光电转换的设备，它的功能是将景物影像的光像经过镜头将光学信号转变成电视信号。

一架摄像机的主要构成由光学机构、摄像器件、电路处理、寻像器、机械系统等部分组成，每个单元既相对独立又互相影响，构成了一个复杂的光、电、机系统。

人们发现红色、绿色、蓝色三种互相独立的色光用不同比例的方法相加，可以获得眼中所看到的各种物体所具有的色彩，彩色摄像利用这三种标准化光谱光源的组合，来获得与景物原光谱等效的色彩，所以红、绿、蓝被称为三基色光。

二、摄像机的基本工作原理

摄像机的基本工作原理由光学系统和电子电路系统组成。

(一)光学系统

摄像机光学系统机构的主要功能是景物成像、基色分光和色温校正。

1.景物成像

景物成像由变焦镜头来完成。通过镜头的聚焦，使拍摄的景物在感光元器件CCD上被清晰聚焦。利用变焦镜头焦距段的变化，使放大倍率或视场角改变。一般变焦镜头的变焦倍率在10～20倍之间。变焦镜头内部如图1-8所示。

图1-8　变焦镜头内部图

变焦镜头由调焦组、变焦组、补偿组和后固定组(物镜组)组成，如图1-9所示。

图1-9　变焦镜头内部四组图

调焦组的作用是微调焦距，使拍摄的景物能够在感光元器件CCD上清晰成像。

变焦组的作用是通过改变镜头焦距的方法，从而改变成像大小。

补偿组的作用是当镜头变焦时，与变焦组镜片按照一定的规律同时移动固定成像的前后位置，保证变焦时始终成像在感光元器件CCD的靶面上，使图像的清晰度不变。

后固定组(物镜组)可将镜头的成像面后移一段距离，安装不同倍率的扩展镜，以增大图像的放大倍率。

2.基色分光

棱镜体由棱镜和滤光片组成，由于每块棱镜前后都蒸涂不同厚度介质的干涉膜，可将通过镜头进入的白光分解成三种色光，分别是R、G、B色光，并分别将R、G、B色光送到三片CCD上，如图1-10所示。

图1-10　基色分光3CCD

对于单CCD芯片的家用级摄像机，要在一个感光元器件上获得三个独立的信号，常常在摄像机的光电转换器件前面安装条形滤色器，通过它对色光的调制，使红、绿、蓝信号具有不同的特征。

由于光的边界干涉效应，条纹滤色器分解的光信号要比棱镜系统分解的光信号质量差。

3.色温校正

所谓色温，在物理概念上是指热辐射光源可见光连续光谱特性曲线与绝对黑体在某一绝对温度下辐射光等功率特性曲线的对应关系。

摄像机的色温校正是通过对摄像机滤色片的选择和电子色温校正方法来完成的。

自然界各种景物呈现的色彩不仅与景物本身的特性有关，而且与照明光源的色温(即光谱特性)有关。彩色摄像机在不同光源下拍摄同一个景物时，屏幕上重现的景物图像在色彩上的效果会不同，称之为彩色失真。

色温校正是为了使彩色摄像机在不同光源下拍摄的同一景物的色彩还原效果相同。色温的单位是Kelin，常用K表示。

自然光的色温会受到季节、气候、时间、地点等因素的影响，人工光的色温会受到线路电压、照明距离、使用时间的变化而变化，所以色温校正在摄像拍摄中显得尤为重要。

日出日落时光线的色温大约是2000～3000 K，中午可达到6000～8500 K，阴天的色温可以达到10000 K以上。对于人工光线，常用的光源色温有家用日光灯4500 K，三基色日光灯5200～5600 K，新闻灯3200 K，镝灯5600～6000 K。由于镝灯的色温很接近日光，目前被广泛使用。

色温图标如图1-11所示。

图1-11　色温图标(www.daowen.com)

想一想:

三基色分光系统对成像系统的影响。

(二)电子电路系统

电视摄像机是集光、电、机等一体的高科技产品，摄像机内部的电子电路很复杂。随着科技的发展，各种辅助功能的增加，外部的调节变得越来越简单，但是内部的电子电路变得越来越复杂。

摄像机内部的电子电路主要有视频和音频两大部分组成。

1.视频电子电路系统

数字摄像机电子电路系统，如图1-12所示。

图1-12　数字摄像机电子电路系统

摄像机的型号和系列繁多，不同等级不同机型的线路各有不同，但是主要的电子电路处理系统包括:与固体摄像器件配套的扫描电路、CCD取样和保存电路、增益调整电路、钳位电路、γ校正和轮廓校正电路、电缆校正电路、黑斑校正电路、彩色校正电路、黑电平控制电路、杂散光补偿及消隐混合电路、同步信号发生器和脉冲信号发生器等。

随着摄像机自动控制水平的不断提高，摄像机的辅助功能进一步增加，摄像机的辅助电路主要有白平衡控制电路、自动光圈和自动白平衡电路、淡入淡出电路、时钟和日期电路、自动对焦电路、数字变焦电路、常用数字特技电路，数字视频静态图像拍摄电路等。各种辅助电路的操作按钮常常是在摄像机外部，便于摄像师快速操作调整。家用级摄像机的辅助电路操作按钮因为成本的原因，常常设计成菜单形式，以降低制造成本。

2.音频信号处理系统

摄像机的音频电路主要由音频记录电路、音频重放电路、偏磁和消磁振荡电路等组成。

声音系统包括摄像机内部指向性话筒、外接话筒拾取的信号进行放大，还包括摄像机对讲机系统的声音放大。摄像机内置话筒，它的位置一般位于摄像机镜头的下方或上方，也有的位于机身的上端。不同的级别，内置话筒的技术指标都稍有不同，灵敏度也不相同，但是都能进行拍摄的同步录音，常规拍摄都能获得比较满意的现场录音效果。在菜单中还能对内置话筒的录音效果进行选择，以满足不同拍摄场合的录音效果需要。

较好的机种有几路音频通道，能够根据拍摄录音的需要，外接灵敏度性能更好的话筒，包括全指向、双指向，单指向、强单指向等话筒，由选择开关用来控制和调节。

三、新功能和新技术的应用

随着科技的发展，许多新功能和新技术在摄像机上的应用日新月异。新功能和新科技为摄像机的便捷操作和自动化性能的提高作出了极大的贡献，推动了摄像机进一步普及。

(一)摄像机新功能

1.高精度CCD芯片制造技术

随着CCD芯片制造技术的发展，CCD芯片的像素和感光度越来越高，同等像素数量下的体积越来越小，使CCD芯片的能耗大大降低，成像能力却大大增强，尤其是在动态范围上，记录效果大大提升。

2.动态对比度控制技术

当摄像机图像中有高亮度信号，电子电路对高亮度部分一般采取信号截取的处理方法，这样画面的高亮度部分的层次就消失了。使用该技术后，可根据信号幅度，对超出峰值点的信号自动压缩在峰值点下，线路会自动调整拐点斜率，保持了高亮度图像的层次。

3.数字式轮廓补偿技术

新型摄像机广泛采用的一种轮廓补偿技术，特别是其中的肤色轮廓校正技术、自适应细节控制技术使摄像机在细节校正上的技术有很大提高。

4.超级增益技术

一般摄像机的增益有三挡。在极暗的室外光线下拍摄时，当传统的增益已经处于第三挡仍然不能满足拍摄需要时，使用超级增益功能，使摄像机在0.25 lx照度下仍能正常拍摄，极大满足了某些特殊状况下的拍摄需求。

5.可编程增益技术

一般摄像机的增益基本能满足拍摄，但是这三挡的数据由厂家设定，用户不能变动。可编程增益技术，除了厂商默认的三挡增益外，另外提供的多挡增益数据，使用户可对需要的增益进行编程。

6.自动跟踪白平衡技术

自动跟踪白平衡技术使摄像机能够自动检测到不同的光源色温，并实时自动调整，大大减轻了在复杂光源条件下，摄像师频繁调整白平衡的麻烦。

7.菜单化技术

通过基本菜单和高级菜单，能够精细调整各种参数，并作出个性化设定，为电视摄像的艺术创作提供了很大的便利。

8.多功能技术、低功耗技术

延长同等效能电池的使用时间，有效降低摄像机电子电路工作发热所产生的噪声。

(二)应用新技术的摄像机

1.光盘摄像机

电视摄像机从摄像管摄像机到目前的CCD耦合器摄像机，电视影像记录的载体主要是磁带。随着高科技的发展，信息技术与电视技术的互相渗透逐渐深入，人们发现在信息技术时代，磁带作为对电视影像记录载体已经不是唯一的选择，多家公司开发了大容量的光盘存储记录格式，具有记录容量大，多次重复擦写功能，信息记录安全。

2.硬盘摄像机

硬盘摄录像机采用硬盘作为存储介质，专门用于录放图像和伴音信号。目前，使用的硬盘摄像机主要是嵌入式硬盘摄录像机，它由专用的图像处理芯片、专用的硬件系统结构和特殊的嵌入式操作软件组成。嵌入式硬盘机的压缩算法可以选用MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、M-JPEG、H263等。嵌入式硬盘摄像机的软件固化在专门的存储芯片内，用户无法更改，因此不会受到计算机病毒的破坏。

讨论:

随着科技的快速发展，摄像机电子处理系统在不同等级摄像机功能的发展趋势。