攝象機(jī)的攝像原理是什么

攝像機(jī)是一種把景物光像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置。從能量的轉(zhuǎn)變來看，攝像機(jī)的工作原理是一個光－－電－－磁－－電－－光的轉(zhuǎn)換過程。
　　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。
景深原理在攝像上有著極其重要的作用。正確理解和運(yùn)用景深，有助于拍出滿意的畫面。光圈、焦距和物距是決定景深的主要因素。
　　變焦距鏡頭具有在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變焦距而成像面位置不變的性能，已成為家用攝像機(jī)上運(yùn)用最廣泛的鏡頭。
　　自動聚集裝置有四種工作方式，即紅外線方式、超聲波方式、海耐烏艾方式和佳能SST方式。它們都有較高的測量精度，分別被應(yīng)用在不同類型的攝像機(jī)之中。

一、攝像機(jī)的工作原理

　　攝像機(jī)是一種把景物光像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置。其結(jié)構(gòu)大致可分為三部分：光學(xué)系統(tǒng)（主要指鏡頭）、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)（主要指視頻處理電路）。

　　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，因而經(jīng)透鏡邊緣部分的光線比中央部分的光線會發(fā)生更多的折射。當(dāng)被攝對象經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)透鏡的折射，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)中的光敏原件會把“焦點(diǎn)”外的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成攜帶電荷的電信號。這些電信號的作用是微弱的，必須經(jīng)過電路系統(tǒng)進(jìn)一步放大，形成符合特定技術(shù)要求的信號，并從攝像機(jī)中輸出。

　　光學(xué)系統(tǒng)相當(dāng)于攝像機(jī)的眼睛，與操作技巧密切相關(guān)，在本章以后的小節(jié)里將詳細(xì)敘述。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是攝像機(jī)的核心，攝像管或固體攝像器件便是攝像機(jī)的“心臟”，有關(guān)這一部分的內(nèi)容，將在第三章里介紹。由于家用攝像機(jī)大多是將攝像部分和錄像部分合為一體，下面再概述一下錄像部分的工作原理。

　　當(dāng)攝像機(jī)中的攝像系統(tǒng)把被攝對象的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號后，便形成了被記錄的信號源。錄像系統(tǒng)把信號源送來的電信號通過電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變成磁信號，并將其記錄在錄像帶上。如果需要攝像機(jī)的放像系統(tǒng)將所記錄的信號重放出來，可操縱有關(guān)按鍵，把錄像帶上的磁信號變成電信號，再經(jīng)過放大處理后送到電視機(jī)的屏幕上成像。

　　從能量的轉(zhuǎn)變來看，攝像機(jī)的工作原理是一個光－－電－－磁－－電－－光的轉(zhuǎn)換過程。


三片CCD攝像機(jī)的組成框圖

二、鏡頭及其成像原理

　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，鏡頭就是攝像機(jī)的眼睛。電視畫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)今市場上常見的各種攝像機(jī)的鏡頭都是加膜鏡頭。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所產(chǎn)生的眩光，保護(hù)光線順利通過鏡頭，提高鏡頭透光的能力，使所攝的畫面更清晰。

　　攝像者在自學(xué)攝像的過程中，首先要熟知鏡頭的成像原理，它主要包括焦距、視角、視場和像場。

焦距是焦點(diǎn)距離的簡稱。例如，把放大鏡的一面對著太陽，另一面對著紙片，上下移動到一定的距離時，紙片上就會聚成一個很亮的光點(diǎn)，而且一會兒就能把紙片燒焦成小孔，故稱之為“焦點(diǎn)”。從透鏡中心到紙片的距離，就是透鏡的焦點(diǎn)距離。對攝像機(jī)來說，焦距相當(dāng)于從鏡頭“中心”到攝像管或固體攝像器件成像面的距離。

　　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。在電視攝像的過程中，攝像者經(jīng)常變換焦距來進(jìn)行造型和構(gòu)圖，以形成多樣化的視覺效果。例如，在對同一距離的同一目標(biāo)拍攝時，鏡頭的焦距越長，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。

　　一個攝像機(jī)鏡頭能涵蓋多大范圍的景物，通常以角度來表示，這個角度就叫鏡頭的視角。被攝對象透過鏡頭在焦點(diǎn)平面上結(jié)成可見影像所包括的面積，是鏡頭的視場。但是，視場上所呈現(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，對攝像來說是不能用的。所以，在設(shè)計攝像機(jī)的鏡頭時，只采用視場。需要重點(diǎn)指出，攝像機(jī)最終拍攝畫面的尺寸并不完全取決于鏡頭的像場尺寸。也就是說，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。

　　當(dāng)攝像機(jī)鏡頭的成像尺寸被確定之后，對一個固定焦距的鏡頭來說則相對具有一個固定的視野，常用視場來表示視野的大小。它的規(guī)律是，焦距越短，視角和視場就越大。所以短焦距鏡頭又被稱為廣角鏡頭。

三、鏡頭的景深原理

　　當(dāng)鏡頭聚集于被攝影物的某一點(diǎn)時，這一點(diǎn)上的物體就能在電視畫面上清晰地結(jié)像。在這一點(diǎn)前后一定范圍內(nèi)的景物也能記錄得較為清晰。這就是說，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。當(dāng)鏡頭對準(zhǔn)被攝景物時，被攝景物前面的清晰范圍叫前景深，后面的清晰范圍叫后景深。前景深和后景深加在一起，也就是整個電視畫面從最近清晰點(diǎn)到最遠(yuǎn)清晰點(diǎn)的深度，叫全景深。一般所說的景深就是指全景深。

　　有的畫面上被攝體是前面清晰而后面模糊，有的畫面上被攝體是后面清晰而前面模糊，還有的畫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。可以說，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，將有助于拍出滿意的畫面。決定景深的主要因素有如下三個方面：

光圈 在鏡頭焦距相同，拍攝距離相同時，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?，進(jìn)入鏡頭的光束越細(xì)，近軸效應(yīng)越明顯，光線會聚的角度就越小。這樣在成像面前后．會聚的光線將在成像面上留下更小的光斑，使得原來離鏡頭較近和較遠(yuǎn)的不清晰景物具備了可以接受的清晰度。

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，景深范圍越小。這是因?yàn)榻咕喽痰溺R頭比起焦距長的鏡頭，對來自前后不同距離上的景物的光線所形成的聚焦帶（焦深）要狹窄得很多，因此會有更多光斑進(jìn)入可接受的清晰度區(qū)域。

　　物距 在鏡頭焦距和光圈系數(shù)都相等的情況下，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。

四、變焦距鏡頭及其原理

　　攝像機(jī)的鏡頭可劃分為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、長焦距鏡頭和廣角鏡頭。以16毫米的攝影機(jī)為例，其標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距是25毫米，之所以將此焦確定為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距，其主要原因是這一焦距和人眼正常的水平視角（24度）相似。在使用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭拍攝時，被攝對象的空間和透視關(guān)系與攝像者在尋像器中所見到的相同。焦距50毫米以上稱為長焦距鏡頭，16毫米以下的稱為廣角鏡頭。攝像機(jī)劃分鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)基本與16毫米攝影機(jī)相同。但是，目前我國的電視攝像機(jī)大多只采用一個變焦距鏡頭，即一個透鏡系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)從“廣角鏡頭”到“標(biāo)準(zhǔn)鏡頭”以至“長焦距鏡頭”的連續(xù)轉(zhuǎn)換，從而給攝像的操作帶來了極大的方便。

　　距鏡頭的主要特點(diǎn)之一是具有在一定范圍內(nèi)邊疆改變焦距而成像面位置不變的性能，已成為家用攝像機(jī)上運(yùn)用最廣泛的鏡頭。

　　變集中鏡頭由許多單透鏡組成。最簡單的是由兩個凸透鏡組成的組合鏡?，F(xiàn)設(shè)定兩個透鏡之間的距離為X，通過實(shí)踐可以得知，只要改變兩個凸透鏡之間的距離X的長短，就能使組合透鏡的焦距發(fā)生變化。這是變焦距鏡頭的最基本原理。但是，上述組合透鏡的缺點(diǎn)是，當(dāng)改變了X的距離后，不僅使焦距發(fā)生了變化，而且成像面的位置也會有所改變。為了使成像面的位置不變，還必須再增加幾組透鏡，并有規(guī)律地共同移動。因此，攝像機(jī)中的變焦距鏡頭至少要有三組組合透鏡，即調(diào)焦組、變焦組和像面補(bǔ)償組。如果因?yàn)橄窬嗵L，成像面亮度不中，需要縮短像距時，還要再增加一組組合透鏡，這組透鏡叫物鏡組。圖五是變焦距鏡頭的結(jié)構(gòu)圖。

　　變焦距鏡頭在變焦時，視角也發(fā)生了改變，但焦點(diǎn)位置與光圈開度不變。通常所說的鏡頭的就焦倍數(shù)，是指變焦距鏡頭的最長焦距與最短焦距之比。目前，在一些普及型的攝像機(jī)中，其變焦距鏡頭的變焦范圍大體上是從10－90（mm），故其倍數(shù)約為6－8倍。一些廣播級攝像機(jī)變焦距鏡頭的倍數(shù)約為14－15倍。另外，有些機(jī)器上還裝有一個變焦倍率器，使鏡頭焦距可以在最長焦距的基礎(chǔ)上增加一倍，從而延伸了鏡頭的長焦范圍。但是，這種變倍裝置會影響圖像的質(zhì)量，使用時要格外謹(jǐn)慎。

　　在實(shí)際拍攝時，當(dāng)把變焦距鏡頭從廣角端漸漸地變?yōu)殚L焦端時，其畫面的視覺效果好像是攝像機(jī)離這一景物越來越近，這種效果便是所謂的“推鏡頭”。相反的變化效果便是“拉鏡頭”。攝像機(jī)鏡頭進(jìn)行變焦距的變化有兩種控制方法，一是電動變焦，二是手動變焦。電動變焦靠電動推拉桿（T推－W拉）來控制，手在推拉桿上用力的大小可改變鏡頭運(yùn)動的速度。電動變焦的特點(diǎn)是鏡頭在推拉的過程中變化均勻。手動變焦是通過直接用手撥動變焦環(huán)實(shí)現(xiàn)的，手動變焦一般是在鏡頭需要急速推拉時才能使用。

　　變焦距鏡頭的操作有一定的難度，初學(xué)者會更為明顯地感到困難，這是因?yàn)橛绊懢劢骨逦囊蛩厝珑R頭焦距、光圈、景深以及主體離攝像機(jī)的距離等可能同時都在變化。為了有效地解決這一問題，初學(xué)者可以在拍攝中把握這樣一點(diǎn)，即先用變焦距鏡頭最長的焦距對準(zhǔn)被攝對象聚焦，然后再恢復(fù)到拍攝時所需要的焦距上，這樣就能保證被攝對象的清晰。


變焦距鏡頭的結(jié)構(gòu)

五、自動聚焦及其原理

　　當(dāng)攝像機(jī)對準(zhǔn)被攝對象之后，攝像機(jī)本身自動聚實(shí)焦點(diǎn)，而不用攝像者手動調(diào)整，這便是自動聚焦裝置（AF）在起作用。自動聚焦裝置有四種工作方式，即紅外線或超聲波，經(jīng)被攝體返回來后，再由攝像機(jī)的紅外線傳感器或超聲波傳感器接受下來，從而測定出距離，然后再根據(jù)測定的距離驅(qū)動攝像機(jī)的聚焦裝置聚實(shí)焦點(diǎn)。后兩種方式是應(yīng)用了三角形測量原理的測距儀來測定攝像機(jī)與被攝體之間的距離，然后將所測定的距離輸入攝像機(jī)內(nèi)的微處理機(jī)進(jìn)行演算，并控制鏡頭的聚焦馬達(dá)根據(jù)算出的距離聚實(shí)焦點(diǎn)。

　　以上幾種方式的聚焦裝置，各有自己獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)，并都有較高的測量精度，分別被應(yīng)用在不同類型的攝像機(jī)之中。但是，自動聚焦裝置也有一定的局限性，例如，當(dāng)一臺攝像機(jī)自動聚焦裝置的有效檢測角度只有6度時，如果將變焦距鏡頭置于廣角段，其畫面中央約1／6*1／6的范圍是自動焦點(diǎn)的檢測范圍。也就是說，在這一范圍內(nèi)的物體的焦點(diǎn)能夠自動聚實(shí)。如果將變焦距鏡頭置于長焦段，畫面的大部分都在自動焦點(diǎn)的檢測范圍內(nèi)。不同的攝像機(jī)有不同的有效檢測角度，以松下M7攝像機(jī)為例，機(jī)身的尋像器中便設(shè)有類似有效檢測角度的焦點(diǎn)區(qū)框。只要打開攝像機(jī)，小焦點(diǎn)區(qū)框即會自動出現(xiàn)。在這個焦點(diǎn)框內(nèi)，自動聚焦裝置會自動對準(zhǔn)目標(biāo)焦點(diǎn)調(diào)實(shí)。這一小焦點(diǎn)適于在廣角端拍攝，或拍攝小目標(biāo)。如果用鏡頭的長焦段拍攝，要按動焦點(diǎn)區(qū)調(diào)整鍵，焦點(diǎn)區(qū)框會變大（圖7），以使畫面中的大部分被攝對象被聚實(shí)焦點(diǎn)。

　　在使用自動聚焦的裝置時，當(dāng)被攝對象移出自動焦點(diǎn)檢測范圍，自動焦點(diǎn)裝置將會自動地將焦點(diǎn)改變而對準(zhǔn)在檢測范圍內(nèi)原畫面背景的物體上。例如，攝像機(jī)拍攝一個人在畫面的中間朝右側(cè)運(yùn)動，此時，攝像機(jī)是以這個人為主要的檢測目標(biāo)將焦點(diǎn)聚實(shí)的，當(dāng)這個人離開畫面之后，自動焦點(diǎn)裝置會將自動控制的焦點(diǎn)從這個人的身上改變背景的物體上，也就是畫面的清晰度范圍發(fā)生了變化。

　　在攝像的實(shí)踐中，當(dāng)畫面中遠(yuǎn)近的被攝對象都在檢測范圍之內(nèi)時；畫面的對比度不明顯時；畫面具有等距的很細(xì)條狀的物體時；當(dāng)被攝環(huán)境的光線照度不符合該攝像機(jī)最小的照明要求時，自動聚焦裝置往往會發(fā)生錯誤的判斷。因此，在上述這些場合最好不要使用自動聚焦裝置，而應(yīng)采取手動的方式聚焦。




參考文獻(xiàn)：遼寧師范大學(xué)計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院