本科毕业论文摄像机的原理发展与使用 秋季《电视制作技术》课程论文Word文档格式.docx
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1.2CCD摄像器件
1.3摄像机的电路处理系统
1.3.1预放器
1.3.2视频信号处理电路
1.3.3编码器
1.3.4辅助电路系统
2、摄像机的发展及使用
2.1摄像简史
2.2按质量分类
2.2.1广播级
2.2.2业务级(专业级)
2.2.3家用级
2.3按制作方式分
2.3.1ESP用摄像机
2.3.2EFP用摄像机
2.3.3ENG用摄像机
2.4按摄像机成像器件分类
2.4.1摄像管摄像机
2.4.2CCD摄像机
2.5按产生的信号性质分类
2.5.1模拟摄像机
2.5.2数字摄像机
2.6按摄像机录像机的结构分类
2.7按扫描线数分类
2.8按记录媒体分类
小结
参考文献
摄像机的原理、发展与使用
【摘要】自从第一台用磁带记录图像的摄像机、录像机在20世纪50年代中期诞生后,短短50余年时间,摄像机、录像机已经走过了信号性质从模拟信号到数字信号,图像清晰度由标清、高清再到超高清的发展过程,并在今天人们的工作生活中发挥着不可替代的作用。
笔者欲从摄像机的原理、发展、使用等方面对摄像机的基本知识进行大致梳理,掌握摄像机入门的基本知识。
【关键字】工作原理发展使用
一、摄像机的工作原理——以彩色电视摄像机为例
彩色电视摄像机位于电视系统的最前段,是电视系统的主要信号源,是彩色电视系统最关键的设备之一。
彩色电视摄像机既是光的分解设备,又是光电的转化设备。
它利用三基色原理把彩色景物的光像分解成红、绿、蓝三种基本光像,由摄像管或CCD电子耦合器件完成光信号到电信号的转变,然后通过各种电路对信号进行放大、加工、处理,最后编码形成符合一定规范的全电视信号(或视频信号)。
就电视摄像机而言,主要由光学系统、机身、寻像器、声音采集和传输系统等组成。
摄像机的光学系统有三个主要工功能:
景物成像、基本分光和色温校正。
这三种主要功能分别由变焦距镜头、分色装置和色温变换滤色镜来完成。
1.1.1变焦镜头
镜头决定着摄像机能看到什么。
变焦距镜头由于它的范围是连续可调的,但其成像面的位置是保持不变的,因此,在拍摄位置不变的情况下,摄像机能够连续改变摄取场面的大小,也就是景别的变化。
变焦镜头的最长焦距与最短焦距之比称为变焦倍数。
变焦倍数越大,说明摄像机可拍摄的场面变化范围越大。
一般变焦镜头的变焦倍数为12-22倍;
ESP方式用的摄像机镜头的变焦倍数为15-20倍,而EFP方式用的摄像机变焦镜头的变焦倍数更大一些。
那些为报道大型体育比赛架在观看台上的摄像机镜头的变焦倍数可达到40-101倍,家用摄相机镜头的变焦倍数一般能达到12倍。
ENG和EFP专业级及广播级摄像机,它们的变焦倍数在13-22倍之间。
通常我们会看到镜头上标有“A18×
7.6DERMDERD”等字样,其中“18”表示镜头的变焦倍数,“7.6”表示镜头的最短焦距。
A18×
7.6变焦镜头
而方镜头主要用于EFP、ESP系统的大座机。
它们的变焦倍数比普通镜头大得多,一般在20-101倍之间。
镜头上标有“Ah20×
8BESM”“XA101×
8.9BESM”等字样,“20”、“101”表示变焦倍数,“8”、“8.9”表示镜头的最短焦距。
Digisuper100XS变焦镜头
在彩色摄像机中,变焦镜头和CCD摄像器件之间必须安装分色装置,这就要求变焦镜头有较长的后焦距,使镜头的成像向后延伸,从而保证镜头成像落到成像面上,而且满足分色装置对后焦距的要求。
1.1.2分色装置
分色装置是把变焦镜头传来的镜头成像的光束分解为红、绿、蓝三个基本光束,并分别投向各自的光电转换器的靶面上。
常用的分色装置有分色镜和分色棱镜两种。
(1)分色镜:
把光学膜镀在透明的光学平板玻璃上,使未被透过的光发生反射。
景物通过镜头后经第一个半透膜先将蓝光分离出来,使其投向蓝色光电转换器件;
再经过第二个半透膜将红光分离出来,使其投向红色光电转换器件。
R管
G管
景物光
B管
镜头
分色镜原理示意图
分色镜的优点是结构简单,分色效率高;
缺点是玻璃的厚度会引起分色镜内部不必要的反射,而形成二次影像,以及光的相关性会形成色渐变效应。
采用分色棱镜可以客服这些缺点,因此现代彩色摄像机多采用分色棱镜作为分色装置。
(2)分色棱镜:
由三块棱镜粘合而成。
分色棱镜能够将从光源发出的光分离成红、绿、蓝三色,并在各自的LCD上绘制相应的RGB图像,从而将其重新合成,反射红色、蓝色,透过绿光,合成颜色及图像。
1.1.3色温变换滤色镜
自然界中各种景物呈现的色彩不仅与景物本身的特性有关。
而且与照明光源的光谱成分(即光源的色温)有关。
用一个简单的例子解释:
当我们观察白炽灯光和日光灯时,会发现白炽灯泡发出的光要红一些,而日光灯发出的光要白一些,这就是因为这两种光源的色温不同。
色温是表征光源特征的一个标准。
光源的色温不包括温度的概念。
常见光源的色温如下:
光源名称
色温值
聚光灯、新闻碘钨灯
3200K
日落、日出前后日光的色温
3200K左右
标准日光(上午9点至下午4点之间)
5600K
白炽灯泡
2800K
人眼对光的适应习惯是很强的。
无论在日光灯下还是白炽灯泡下,无论日出日落还是艳阳高照,人眼都会正确分辨出大千世界的各种颜色。
但是,摄像机就没有人眼那么好的适应性,在过去以及现在摄像机的手动模式下,摄像机光电转换器对光源色温的记录是绝对客观的,光源色温的变化在摄像机上变得十分明显。
虽然现在的许多摄像机都具有自动白平衡跟踪功能,但真正能准确重现画面色彩的,还是手动白平衡调整。
彩色摄像机为了适应在不同的照明条件下,拍摄同一物体时,屏幕上重现图像的色彩能正确再现景物的色彩,必须对光源的色温进行校正。
具体办法是在变焦镜头和分色装置之间加入色温滤色片,利用它的光谱响应特征补偿因光源色温不同引起的重现彩色失真。
通常摄像机的分色装置是以3200K演播室卤钨灯光源为基准进行设计的,该色温滤光片是无色透明的,一般摄像机上都将其编为1号滤色镜,在这个位置,镜头与光电转换之间什么也不加,光线直接进入光电转化器件。
当光源色温偏高时,光谱中蓝色成分增多,需插入浅橘色的合适色温滤色片来降低蓝光的透光率,使光源的色温降到3200K。
同理,当光源色温偏低时,光谱中红色成分增多,需插入浅蓝色的色温滤色片来降低红光的透光率,使光源的色温升到3200K。
但在实际应用中,没有这样的滤色片,对于低于3200K的,摄像机都以3200K处理,即用3200K状态调整白平衡。
通常摄像机把3200K、5600K、5600K+1/4ND等几种不同的色温滤色片安装在一个圆盘上选择使用。
其中ND是指中性滤色片(弱光片),一般用于光源照度比较高的场合,1/4是指透光率,也就是只让1/4的光线到达光线转换器件。
由于高色温与强照度往往同时出现,因此很多摄像机中的中性滤色片与高色温滤色片合做成一片。
例如,索尼的BVP-300P/330P摄像机,有四档色温变换滤色镜可供选择,0档:
镜头盖(关闭);
1档:
3200K;
2档:
5600K+1/4ND;
3档:
5600K。
其中第二档就是5600K色温滤色片与1/4透光率的中性滤色片合在一起做成的。
JVC公司的GY-DV500摄像机中有三档色温变换滤色镜可供选择,1档:
5600K;
5600K+ND。
CCD摄像器件即电子耦合器件,又称图像传感器,相当于有管摄像机的摄像管。
它有独特的工作方式和很多优良的性能。
摄像时,当摄像机头前的光像通过摄像机镜头成像于CCD器件上时,就会转变成积累电荷形成的电子图像,储存于CCD器件中,完成光电转换和信息储存的过程。
为了按照扫描顺序取出储存于CCD器件中的图像信号,CCD采用一定的电荷转移方式转移像素,并读出图像信号。
摄像机的电路处理系统主要包括预放器、视频信号处理电路、编码器和辅助电路系统等。
1.3.1预放器
预放器位于光电转换器之后,是视频通道的第一个放大器,其主要作用是将光电转换器件摄像管或CCD器件输出的很弱的电信号加以放大,然后输出给视频信号处理电路。
1.3.2视频信号处理电路
视频信号处理电路包括增益调整、黑斑校正、预弯曲、轮廓校正、色彩校正、黑白电平控制、杂散光校正、γ校正及混消隐切割等电路。
增益调整电路的主要作用是根据摄像机拍摄景物的照度情况,分别对R、G、B三个通道的电路放大量进行调整,就是人们常说的自动增益控制。
黑斑校正主要用来校正由镜头成像引起的图像亮度不均匀的现象。
轮廓校正主要用来增强图像轮廓的黑白对比度,从而提高图像的清晰度,但不能调得太高,否则图像噪波就会加强。
彩色校正用于调整因分光棱镜的分光特性与显像管混色的要求不能完全一致而引起的彩色失真。
黑白电平控制电路用于调节图像的背景亮度。
杂散光校正电路用于消除杂散光对重现图像的影响。
γ校正电路即灰度校正,是为了降低电视机的成本,把显像管在电信号变成光信号时,由于线性不好所形成的亮度和色度失真提前在摄像机内进行校正。
混消隐切割电路用来修整重显图像四周的边幅及消去消隐电平中的噪音。
总之,视频信号处理电路主要是对光电转换器形成的电信号进行各种必要的校正和补偿,从而获得优质的电视信号。
机器档次不同,电路的多少也就不同,处理的能力也大不一样。
高质量的摄像机之所以体积大、重量重,除采用的镜头不同外,在很大程度上是因为其视频处理信号很复杂。
1.3.3编码器
编码器主要是将视频信号处理电路输出的R、G、B三路基本信号根据彩色、黑白电视兼容的需要,以及电视制式标准的需求进行编码,使其变成彩色全电视信号。
电视制式不同,编码器的工作组成也不同。
现在编码器的输出是多种多样的。
就模拟信号而言,可以输出彩色全电视信号即复合信号;
也可以输出亮度信号(Y)、色差信号(R-Y、B-Y)即分量信号;
还可以输出色度信号(C)和亮度信号(Y)即亮色分离信号。
就数字信号而言,可以输出DV(1394)格式的数字信号;
也可以输出SDI格式的数字信号。
根据录像机能接纳的信号类型,不同的输出方式可供不同的录像机使用。
1.3.4辅助电路系统
辅助电路系统提供摄像头、视频信号处理和编码器所需要的各种必要信号,对摄像机完成光电转换、形成彩色全电视信号起着重要作用。
辅助电路系统主要有同步信号发生器、彩色信号发生器、自动控制系统、电源电路等。
同步信号发生器能产生行、场同步和消隐信号以及编码器所需的副载波等信号,供摄像机作为形成全电视信号的基准;
同时也由外同步信号控制,实现和外同步源的锁相。
彩色信号发生器用于产生彩条信号。
自动控制系统主要用来运算和记忆数据、发出指控指令、控制电压、控制信号,保证摄像机的各种自动调节电路和开关控制的正常运行。
电源电路系统可以将电池或交流电源供给的电压变换成摄像机内所需的各种电压。
二、摄像机的发展及使用
俄裔美籍科学家兹沃雷金(1889-1982)美国发明家。
早在1912年便开始研究电视摄像管,他于1912年发明了电子电视摄像管,1631年研究成功电视显像管。
他将模型的关键部位称为电摄像管,即俗称的电视摄像机。
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