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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。

摄像机的诞生与发展主要经历四个时期：

（1）20世纪30年代至60年代初，电子管时期。

此时的摄像机全部采用了电子管电路技术，体积非常庞大且耗电量大，图像质量不高，绝大多数均为黑白摄像机，基本应用于演播室，由于它的体积非常庞大，被当时的人们戏称为“电视大炮”。

（2）20世纪60年代初至70年代末，晶体管和集成电路时期。

由于晶体管和集成电路技术的发展，电视摄像机的体积和重量由光学系统和摄像管决定，氧化铅管的应用，使摄像机再体积、重量等各项性能方面都有了突破性的进展。

随着ACT枪、DBC枪、二极管枪和低输出电容二极管枪等摄像管的成功研发，摄像机的体积进一步减少，图像效果更趋于完美，当时的性能即基本达到了广播级的效果，并开始向小型化方向迈进，给电视新闻采访、走出演播厅进行外景拍摄等带来了极大的方便。

（3）20世纪80年代初至80年代末，大规模集成电路时期。

由于大规模印刷集成电路和微处理器控制技术的发展，摄像机的调整和控制技术基本上实现了全自动化，摄像机的功能增多了，质量也产生了一次完美的飞跃，并且有了向数字化和固体化方向发展的趋势。

（4）20世纪90年代以后，数字和CCD摄像机时期。

广播级、专业级和家用领域的摄像机全面跨进数字化，数字CCD摄像机成为摄像机的主流，开始淘汰真空管摄像机。

数字技术的发展使电视机行业的每一个角落都充满数字化的色彩，目前全球的电视机构都处于模拟格式向数字化格式转换的时期，并且在编辑创作的前后期都取得了突破性的进展。

CCD是模拟器件，摄像机的数字化是从信号处理电路开始，一般半数字信号处理电路占整个电路总和7成以上的摄像机即可成为数字摄像机，成为广播级摄像机主流。

其实，光从摄像机的发展历程了解摄像机是远远不够的。

由于现在已经出现的摄像机种类繁多。

因此我们可以按质量、制作方式、摄像器件、信号标准等标准对其进行分类从而把握摄像机发展的脉络以及不同类型摄像机的使用。

按摄像机质量的不同，可分为广播级、业务级（有的书中也称其为专业级）和家用级三大类。

2.2.1广播级

广播级摄像机主要应用于大型电视台。

电视节目制作中，无论在什么时期，广播级的摄像机图像质量都是那个时期最好的，性能最稳定，自动化程度最高。

从技术指标上来讲，一般要求这类标清摄像机的分解力水平方向要达到550电视线，垂直方向达到575电视线以上，图像信号与杂波信号的比值（信噪比）要达到54dB以上；

在允许的工作范围内，图像质量劣化很小，达到较低失真或无失真的程度。

广播级摄像机无论是ESP制作方式，还是EFP制作方式以及ENG制作方式，都有其相应的设备，但这类摄像机一般体积大、重量重、价格贵。

广播级摄录一体机

2.2.2业务级（专业级）

业务级电视摄像机一般应用于中、小型电视台，文化宣传、教育、工作、医疗、交通等领域。

业务级摄像机比广播级摄像机低一个档次，它的图像质量较好，价格适中，重量较广播级稍轻一点。

从技术指标上来讲，业务级摄像机一般要求水平清晰度达到450电视线，信噪比（S/N）达到50db以上。

在功能上它几乎具有广播级的所有功能，对于一些特殊用途的业务级摄像机来说，还必须具备一些特殊的功能，如显微摄像机、红外线摄像机等。

业务级摄录一体机

2.2.3家用级

家用级摄像机是电视摄像机中质量最低的一类摄像机。

这是一种用于家庭文化娱乐的摄像机，其操作人员往往没有经过专业训练，因此要求结构简单，操作简便，而图像质量水平只能与家用录像机、摄像机相配合，能满足一般的观看即可。

从技术指标上来讲，此类摄像机水平清晰度一般在350电视线左右，但对灵敏度要求很高，一般最低照度要求达到0.75-1Lx，以使摄像机有更广泛的使用领域。

摄像机的自动控制功能很强，使非专业人员无需手动调整，就能使各种参数自动达到最佳状态，例如自动白平衡功能、自动聚焦功能、自动光圈功能、自动增益功能等。

此类机器也往往带有一些简单的特技功能，如淡变、定格、叠化、划像等。

家用级摄像机一般价格比较便宜，结构小巧，携带方便，在电视节目制作中也有一定的用途，例如从运动员角度拍摄赛车的比赛实况，事件现场目击者自己抢拍事件发生现场状况，登山运动员自己拍摄登山活动等。

除此之外，家用摄像机的普及为“全媒体”时代提供了技术支持。

家用级摄像机

按电视节目制作分类，摄像机可分为ESP用、EFP用和ENG用摄像机三大类。

2.3.1ESP用摄像机

ESP用摄像机要求图像质量最好，通常非常沉重，需要三脚架或其他类型的一些摄像机底座设备来支撑，不方便随意搬动。

这类摄录机不带录像机，机身后半部分是与摄像机控制单元（CCU）相连的专用适配器，厂家不同，型号不同。

现行的设配器与摄像机控制单元（CCU）连接多采用多芯电缆或三同轴电缆两种方式。

多芯一般为模拟信号方式；

三同轴为数字信号方式。

高质量的ESP用摄像机包含有三个CCD和许多电子控制装置，它们装配有一个大的镜头和大的寻像器，因此，整个摄像机头比一般的便携式摄像机重得多。

它们也需要通过电缆（包括多芯电缆或三同轴电缆）把摄像机和摄像机制作单元CCU、同步发生器、电源等一系列制作高质量的电视节目所必需的设备相连接。

现在使用的ESP摄像机主要是数字摄像机。

高清晰度电视摄像机是一种新的发展趋势。

高清晰度摄像机（HDTV）有超级的分辨率，其水平清晰度可高达1125行，相当于现行电视系统（625行）的两倍，因此色彩更加逼真，电视图像从最最亮到最暗有更加丰富的层次，使它成为35mm电影的一个强有力的助手。

HDTV摄像机是一种高度专业化的电视摄像机，通常采用16:

9的宽高比，类似于宽银幕电影的宽高比例。

高清晰度摄像机之所以难以普及，主要原因是视频系统的所有元素都必须是高清晰度的，不仅仅是摄像机本身。

目前日本几家公司都推出了小高清摄像机，像SONY的HVR-ZIC、JAV的GY-HDV111EC等，这些设备价格较低，4万元左右，再加上一套支持高清的非线性编辑系统，就能够实现高清晰度电视节目的制作。

现在高清晰度制作系统主要用于非广播电视领域的电子化的电影制作。

2.3.2EFP用摄像机

EFP方式使用的摄像机往往是便携式的，摄像机中包含了摄像机系列的所有部件。

它可以采用电池供电方式，也可以采用交流电源供电方式。

从构成形式上来看，这种方式使用的摄像机，几乎包含了ESP系统的所有部件。

EFP用摄像机质量与ESP用摄像机相当，但体积更小，可以满足轻便型现场节目录制的需要。

2.3.3ENG用摄像机

ENG用摄像机是典型的便携式摄像机，而且基本上都是摄录一体机。

ENG摄像机工作于复杂多变的拍摄环境中，它要求摄像机体积要小，重量要轻，便于携带，对非标准的照明情况有良好的适应性，在恶劣的气候环境下有良好的工作稳定性，自动化程度高，在实际工作中调整方便。

无论是ESP用、EFP用、ENG用摄像机，都在向高质量化、固体化、小型化、高清晰度化等方向发展，他们制作的电视图像质量的差别也越来越小。

按摄像机的成像器件分类，摄像机可分为摄像管摄像机和CCD电子耦合器件摄像机。

2.4.1摄像管摄像机

摄像管相当于此类摄像机的心脏，其靶面材料通常采用氧化铝、硒呻碲等。

因此，摄像管摄像机可按其光电靶材料不同分为氧化铅管摄像机和硒呻碲管摄像机等。

氧化铝管摄像机常用于广播级摄像机，其图像质量更好，灵敏度高，光电转化线性好。

硒呻碲管摄像机常用于业务级摄像机，价格较低，图像质量和性能只能接近氧化铅管摄像机。

摄像管摄像机还可以按摄像管的数量分为单管、两管和三管。

广播电视系统采用的都是三管摄像机，这类摄像机彩色还原好、清晰度高、图像质量优。

家用级摄像机大多采用单管。

摄像管直径的大小与图像质量有很大的关系，因此，摄像管式摄像机也可以按其成像器件的尺寸分类，有4/5英寸、1英寸、2/3英寸、1/2英寸和1/3英寸等。

尺寸越大，有效像素越多，图像清晰度越高，灵敏度越好，体积也越大。

5/4英寸和1英寸常用于ESP方式，2/3英寸常用于EFP和ENG格式，1/2英寸常用于ENG和家用系列。

现在，摄像管摄像机已经被淘汰。

2.4.2CCD摄像机

CCD摄像机是采用电子耦合器件替代摄像管来实现光电转换、电荷储存与电荷转移的。

CCD的功能相当于摄像管，但它具有体积小、重量轻、寿命长、工作电压低、图像无失真、抗灼伤等摄像管无可比拟的优点。

目前，广播电视系统使用的摄像机都以CCD为光电转换器件。

CCD摄像机拍摄的图像质量与CCD的感光面积、CCD的工作方式有很大的关系。

按摄像机使用的CCD的个数可分为单片、两片、三片式摄像机，三片式摄像机质量最好，广播电视系统均采用三片式CCD摄像机。

CCD摄像机按其相当于摄像管的感光靶面对角线尺寸可分为2/3英寸、1/2英寸和1/3英寸等。

尺寸越大，图像质量越高。

CCD摄像机还可以按CCD电子耦合器件的电荷转移方式分为IT（行间转移）方式、FT（帧间转移）方式和FIT（行帧间转移）方式三种。

等级稍高的取FIT,稍低点的取IT,而FTCCD摄像机亦不乏佼佼者。

按产生的信号性质分类，摄像机可分为模拟摄像机和数字摄像机两类。

2.5.1模拟摄像机

模拟摄像机内部采用模拟信号处理方法，输出的是模拟信号，即视、音频信号的幅度和时间都是连续变化的模拟量。

现在模拟摄像机已经被淘汰，电视节目制作领域使用的都是数字摄像机。

2.5.2数字摄像机

数字摄像机内部采用数字信号处理方法，输出的是数字信号，即视、音频信号的幅度和时间都是离散的数据。

数字信号有比模拟信号便于加工和处理的优点，可以长期保存和多次复制，抗干扰和抗噪声能力强，尤其是远距离传输时不会产生模拟电路中不可避免的信噪比劣比、失真度劣化等损害，大大提高了电视节目的制作质质量。

因此，作为电视节目制作质量的信号源采集设备的数字摄像机，在广播电视领域得到了广泛使用。

按摄像机录像机的结构分类，摄像机可分为摄录分体机和摄录一体机两类。

摄录分体机是早期的机型，但现在演播室系统使用的都属于摄录分体机；

另外，有些电视剧组为了使导演观看方便，使用的大多也是摄录分体机。

摄录一体机是摄像机与录像机结合成一个整体的设备。

他们体积较小，重量较轻，可以由一个人独立操作，机动灵活，广泛用于ENG前期拍摄录制和家庭中使用。

早期的摄录一体机是由摄像机和录像机组装而成，现在的摄录一体机是一个整体，不能分离。

按扫描线数分类，摄像机可分为高清晰度摄像机和标准摄像机两类。

高清晰度的摄像机的行扫描线频率为1250行，目前有1080i和720P两种格式。

1080i采用的是隔行扫描方式，而720P采用的是逐行扫描方式。

无论哪种扫描方式，它们的画幅宽高比都是16：

9。

标准清晰度摄像机的行扫描频率是625行，其画幅宽高比为4：

3，有的也有4：

3和16:

9可切换式的。

按记录媒体分类，摄录一体机可分为传统的磁带记录式摄像机、硬盘记录式摄像机、光盘记录式三种，从长远考虑，硬盘记录式将替代磁盘记录式摄像机，而光盘记录式摄像机是一个过渡产品。

无论从何种意义上来说，既然我们开始对某一内容进行学习，就必须深入了解这一内容的基本知识，形成一个大致的认知脉络，构建出自己的理论体系。

然后用我们学到的理论去指导实践。

参考文献：

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【6】张一平，景