第三講：攝像機(jī)、解碼器的工作

1、第三講：攝像機(jī)、解碼器的工作原理婁底職院2010v一：攝像機(jī)工作原理一：攝像機(jī)工作原理v攝像機(jī)是一種把景物光像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置。從能量的轉(zhuǎn)變來(lái)看，攝像機(jī)的工作原理是一個(gè)光電磁電光的轉(zhuǎn)換過(guò)程。v攝像機(jī)所以能攝影成像，主要是靠鏡頭將被攝體結(jié)成影像投在攝像管或固體攝像器件的成像面上。v攝像機(jī)是一種把景物光像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置。其結(jié)構(gòu)大致可分為三部分：光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)（主要指鏡頭）、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（主要指攝像管或固體攝像器件）以及電路系統(tǒng)電路系統(tǒng)（主要指視頻處理電路）。v光學(xué)系統(tǒng)的主要部件是光學(xué)鏡頭，它由透鏡系統(tǒng)組合而成。這個(gè)透鏡系統(tǒng)包含著許多片凸凹不同的透鏡，其中凸透鏡的中比邊緣厚，因而

2、經(jīng)透鏡邊緣部分的光線(xiàn)比中央部分的光線(xiàn)會(huì)發(fā)生更多的折射。v在光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的攝像管或固體攝像器件的成像面上形成“焦點(diǎn)”。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的光敏原件會(huì)把“焦點(diǎn)”外的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成攜帶電荷的電信號(hào)。這些電信號(hào)的作用是微弱的，必須經(jīng)過(guò)電路系統(tǒng)進(jìn)一步放大，形成符合特定技術(shù)要求的信號(hào)，并從攝像機(jī)中輸出。 v當(dāng)攝像機(jī)中的攝像系統(tǒng)把被攝對(duì)象的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)后，便形成了被記錄的信號(hào)源。錄像系統(tǒng)把信號(hào)源送來(lái)的電信號(hào)通過(guò)電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變成磁信號(hào)，并將其記錄在錄像帶上。如果需要攝像機(jī)的放像系統(tǒng)將所記錄的信號(hào)重放出來(lái)，可操縱有關(guān)按鍵，把錄像帶上的磁信號(hào)變成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大處理后送到電視機(jī)的屏幕上成像。 v從能量

3、的轉(zhuǎn)變來(lái)看，攝像機(jī)的工作原理是一個(gè)光電磁電光光電磁電光的轉(zhuǎn)換過(guò)程。v二、鏡頭及其成像原理二、鏡頭及其成像原理 v鏡頭鏡頭是攝像機(jī)最主要的組成部分，并被喻為人的眼睛。人眼之所以能看到宇宙萬(wàn)物，是由于憑眼球水晶體能在視網(wǎng)膜上結(jié)成影像的緣故；攝像機(jī)所以能攝影成像，也主要是靠鏡頭將被攝體結(jié)成影像投在攝像管或固體攝像器件的成像面上。因此說(shuō)，鏡頭就是攝像機(jī)的眼睛。電視畫(huà)面的清晰程度和影像層次是否豐富等表現(xiàn)能力，受光學(xué)鏡頭的內(nèi)在質(zhì)量所制約。當(dāng)今市場(chǎng)上常見(jiàn)的各種攝像機(jī)的鏡頭都是加膜鏡頭。v加膜就是在鏡頭表面涂上一層帶色彩的薄膜，用以消減鏡片與鏡片之間所產(chǎn)生的色散現(xiàn)象，還能減少逆光拍攝時(shí)所產(chǎn)生的眩光，保護(hù)光線(xiàn)順

4、利通過(guò)鏡頭，提高鏡頭透光的能力，使所攝的畫(huà)面更清晰。 焦距v焦距是標(biāo)志著光學(xué)鏡頭性能的重要數(shù)據(jù)之一，因?yàn)殓R頭拍攝影像的大小是受焦距控制的。在電視攝像的過(guò)程中，攝像者經(jīng)常變換焦距來(lái)進(jìn)行造型和構(gòu)圖，以形成多樣化的視覺(jué)效果。例如，在對(duì)同一距離的同一目標(biāo)拍攝時(shí)，鏡頭的焦距越長(zhǎng)，鏡頭的水平視角越窄，拍攝到景物的范圍也就越小；鏡頭的焦距越短，鏡頭的水平視角越寬，拍攝到的景物范圍也就越大。 視角v一個(gè)攝像機(jī)鏡頭能涵蓋多大范圍的景物，通常以角度來(lái)表示，這個(gè)角度就叫鏡頭的視角。被攝對(duì)象透過(guò)鏡頭在焦點(diǎn)平面上結(jié)成可見(jiàn)影像所包括的面積，是鏡頭的視場(chǎng)。但是，視場(chǎng)上所呈現(xiàn)的影像，中心和邊緣的清晰度和亮度不一樣。中心部分及

5、比較接近中心部分的影像清晰度較高，也較明亮；邊緣部分的影像清晰度差，也暗得多。這邊緣部分的影像，對(duì)攝像來(lái)說(shuō)是不能用的。所以，在設(shè)計(jì)攝像機(jī)的鏡頭時(shí)，只采用視場(chǎng)。 v需要重點(diǎn)指出，攝像機(jī)最終拍攝畫(huà)面的尺寸并不完全取決于鏡頭的像場(chǎng)尺寸。也就是說(shuō)，鏡頭成像尺寸必須與攝像管或固體攝像器件成像面的最佳尺寸一致。v當(dāng)攝像機(jī)鏡頭的成像尺寸被確定之后，對(duì)一個(gè)固定焦距的鏡頭來(lái)說(shuō)則相對(duì)具有一個(gè)固定的視野，常用視場(chǎng)來(lái)表示視野的大小。它的規(guī)律是，焦距越短，視角和視場(chǎng)就越大。所以短焦距鏡頭又被稱(chēng)為廣角鏡頭。v當(dāng)鏡頭聚集于被攝影物的某一點(diǎn)時(shí)，這一點(diǎn)上的物體就能在電視畫(huà)面上清晰地結(jié)像。在這一點(diǎn)前后一定范圍內(nèi)的景物也能記錄得較

6、為清晰。這就是說(shuō)，鏡頭拍攝景物的清晰范圍是有一定限度的。這種在攝像管聚焦成像面前后能記錄得“較為清晰”的被攝影物縱深的范圍便為景深景深。當(dāng)鏡頭對(duì)準(zhǔn)被攝景物時(shí)，被攝景物前面的清晰范圍叫前景深前景深，后面的清晰范圍叫后景深后景深。 v前景深和后景深加在一起，也就是整個(gè)電視畫(huà)面從最近清晰點(diǎn)到最遠(yuǎn)清晰點(diǎn)的深度，叫全景深全景深。一般所說(shuō)的景深就是指全景深。v有的畫(huà)面上被攝體是前面清晰而后面模糊，有的畫(huà)面上被攝體是后面清晰而前面模糊，還有的畫(huà)面上是只有被攝體清晰而前后者模糊，這些現(xiàn)象都是由鏡頭的景深特性造成的?？梢哉f(shuō)，景深原理在攝像上有著極其重要的作用。正確地理解和運(yùn)用景深，將有助于拍出滿(mǎn)意的畫(huà)面。決定景

7、深的主要因素有如下三個(gè)方面：v光圈光圈 在鏡頭焦距相同，拍攝距離相同時(shí)，光圈越小，景深的范圍越大；光圈越大，景深的范圍越小。這是因?yàn)楣馊υ叫。M(jìn)入鏡頭的光束越細(xì)，近軸效應(yīng)越明顯，光線(xiàn)會(huì)聚的角度就越小。這樣在成像面前后會(huì)聚的光線(xiàn)將在成像面上留下更小的光斑，使得原來(lái)離鏡頭較近和較遠(yuǎn)的不清晰景物具備了可以接受的清晰度。v焦距焦距 在光圈系數(shù)和拍攝距離都相同的情況下，鏡頭焦距越短，景深范圍越大；鏡頭焦越長(zhǎng)，景深范圍越小。這是因?yàn)榻咕喽痰溺R頭比起焦距長(zhǎng)的鏡頭，對(duì)來(lái)自前后不同距離上的景物的光線(xiàn)所形成的聚焦帶（焦深）要狹窄得很多，因此會(huì)有更多光斑進(jìn)入可接受的清晰度區(qū)域。v物距在鏡頭焦距和光圈系數(shù)都相等的情況

8、下，物距越遠(yuǎn)，景深范圍越大；物距越近，景深范圍越小。這是因?yàn)檫h(yuǎn)離鏡頭的景物只需做很少的調(diào)節(jié)就能獲得清晰調(diào)焦，而且前后景物結(jié)焦點(diǎn)被聚集得很緊密。這樣會(huì)使更多的光斑進(jìn)入可接受的清晰度區(qū)域，因此景深就增大。相反，對(duì)靠近鏡頭的景物調(diào)焦，由于擴(kuò)大了前后結(jié)焦點(diǎn)的間隔，即焦深范圍擴(kuò)大了，因而使進(jìn)入可接受的清晰度區(qū)域的光斑減少，景深變小。由于這樣的原因，鏡頭的前景深總是小于后景深。 三：三：CCD的作用的作用vCCD是一種半導(dǎo)體裝置，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱(chēng)作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫(huà)面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像

9、像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD在攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和掃描儀中應(yīng)用廣泛，只不過(guò)攝像機(jī)中使用的是點(diǎn)陣CCD，即包括x、y兩個(gè)方向用于攝取平面圖像，而掃描儀中使用的是線(xiàn)性CCD，它只有x一個(gè)方向，y方向掃描由掃描儀的機(jī)械裝置來(lái)完成。vCCD它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線(xiàn)轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤(pán)卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線(xiàn)照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的

10、信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫(huà)面。 v衡量好壞的指標(biāo)很多，有像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，靈敏度，信噪比等，其中像素?cái)?shù)以及尺寸是重要的指標(biāo)。像素?cái)?shù)是指上感光元件的數(shù)量。攝像機(jī)拍攝的畫(huà)面可以理解為由很多個(gè)小的點(diǎn)組成，每個(gè)點(diǎn)就是一個(gè)像素。顯然，像素?cái)?shù)越多，畫(huà)面就會(huì)越清晰，如果沒(méi)有足夠的像素的話(huà)，拍攝出來(lái)的畫(huà)面的清晰度就會(huì)大受影響，因此，理論上的像素?cái)?shù)量應(yīng)該越多越好。但像素?cái)?shù)的增加會(huì)使制造成本以及成品率下降，而且在現(xiàn)行電視標(biāo)準(zhǔn)下，像素?cái)?shù)增加到某一數(shù)量后，再增加對(duì)拍攝畫(huà)面清晰度的提高效果變得不明顯，因此，一般一百萬(wàn)左右的像素?cái)?shù)對(duì)一般的使用已經(jīng)足夠了。v單攝像機(jī)是指攝像機(jī)里只有一片并用其進(jìn)行亮度信號(hào)以及彩色

11、信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換，其中色度信號(hào)是用上的一些特定的彩色遮罩裝置并結(jié)合后面的電路完成的。由于一片同時(shí)完成亮度信號(hào)和色度信號(hào)的轉(zhuǎn)換，因此難免兩全，使得拍攝出來(lái)的圖像在彩色還原上達(dá)不到專(zhuān)業(yè)水平的要求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，便出現(xiàn)了攝像機(jī)。，顧名思義，就是一臺(tái)攝像機(jī)使用了片。我們知道，光線(xiàn)如果通過(guò)一種特殊的棱鏡后，會(huì)被分為紅，綠，藍(lán)三種顏色，而這三種顏色就是我們電視使用的三基色，通過(guò)這三基色，就可以產(chǎn)生包括亮度信號(hào)在內(nèi)的所有電視信號(hào)。如果分別用一片接受每一種顏色并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電路處理后產(chǎn)生圖像信號(hào)，這樣，就構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)。v數(shù)碼相機(jī)規(guī)格表中的CCD一欄經(jīng)常寫(xiě)著“1/2.7英寸CCD”等。這里的“1/

12、2.7英寸”就是CCD的尺寸，實(shí)際上就是CCD對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度。v現(xiàn)有的數(shù)碼相機(jī)一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸等尺寸的CCD。CCD是受光元件(像素)的集合體，接收透過(guò)鏡頭的光并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在像素?cái)?shù)一樣的情況下，CCD尺寸越大單位像素就越大。這樣，單位像素可以收集更多的光線(xiàn)，因此，理論上可以說(shuō)有利于提高畫(huà)質(zhì)。v按CCD靶面大小劃分 vCCD芯片已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種尺寸： v目前采用的芯片大多數(shù)為1/3”和1/4”。在購(gòu)買(mǎi)攝像頭時(shí)，特別是對(duì)攝像角度有比較嚴(yán)格要求的時(shí)候，CCD靶面的大小，CCD與鏡頭的配合情況將直接影響視場(chǎng)角的大小和圖像的清晰度。v1英寸靶面尺寸為寬12.7m

13、m*高9.6mm，對(duì)角線(xiàn)16mm。 v2/3英寸靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm，對(duì)角線(xiàn)11mm。 v1/2英寸靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm，對(duì)角線(xiàn)8mm。 v1/3英寸靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm，對(duì)角線(xiàn)6mm。 v1/4英寸靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm，對(duì)角線(xiàn)4mm。 v紅外攝像機(jī)的工作原理v 人的眼睛能看到的可見(jiàn)光按波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短排列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。其中紅光的波長(zhǎng)范圍為0.620.76m；紫光的波長(zhǎng)范圍為0.380.46m。比紫光波長(zhǎng)更短的光叫紫外線(xiàn)，比紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光叫紅外線(xiàn)，人的肉眼是看不到紅外線(xiàn)的。 紅外夜視，就是在夜視狀態(tài)下，紅外攝像

14、機(jī)會(huì)發(fā)出人們?nèi)庋劭床坏降募t外光線(xiàn)去照亮被拍攝的物體，紅外線(xiàn)經(jīng)物體反射后進(jìn)入鏡頭進(jìn)行成像。攝像機(jī)是通過(guò)CCD感應(yīng)紅外線(xiàn)的，而CDD是能夠感應(yīng)所有光線(xiàn) (可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)等) 的,因此在沒(méi)有可見(jiàn)光的情況下，紅外攝像機(jī)是可以拍攝到肉眼看不到的影像的。v四：攝像機(jī)的選型四：攝像機(jī)的選型v1根據(jù)安裝地點(diǎn)選取。普通槍式攝像機(jī)，配置鏡頭、支架等，可壁裝又可以吸頂安裝，室外加防雨罩，室內(nèi)加防塵罩。半球形的攝像機(jī)吸頂安裝，內(nèi)置鏡頭，防護(hù)罩和支架，安裝方便，價(jià)格經(jīng)濟(jì)。v2根據(jù)光線(xiàn)選取v光線(xiàn)不理想的情況選取底照度的彩色|黑白攝像機(jī)。v清晰度要求較高時(shí)，選取黑白攝像機(jī)v3根據(jù)監(jiān)控模式選擇v定點(diǎn)監(jiān)視模式選用普通槍式攝像機(jī)或半球攝像機(jī)固定安裝，全方位監(jiān)控采用一體化攝像機(jī)。v4根據(jù)圖像清晰度要求選擇v對(duì)視頻圖像分辯率要求較高的場(chǎng)合，選用水平分辯率指標(biāo)高、像數(shù)大的攝像機(jī)。v5根據(jù)其它要求選擇。v如銀行柜臺(tái)選用彩色攝像機(jī)，醫(yī)學(xué)血管圖像要求干擾少，選用信