第三講：攝像機(jī)、解碼器的工作

第三講：攝像機(jī)、解碼器的工作原理婁底職院2010一：攝像機(jī)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。從能量的轉(zhuǎn)變來看，攝像機(jī)的工作原理是一個(gè)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。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(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，因而經(jīng)透鏡邊緣部分的光線比中央部分的光線會(huì)發(fā)生更多的折射。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(huì)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。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(gè)光－－電－－磁－－電－－光的轉(zhuǎn)換過程。二、鏡頭及其成像原理

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(shí)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。

焦距焦距是標(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(shí)，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。視角一個(gè)攝像機(jī)鏡頭能涵蓋多大范圍的景物，通常以角度來表示，這個(gè)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(jì)攝像機(jī)的鏡頭時(shí)，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(gè)固定焦距的鏡頭來說則相對具有一個(gè)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。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(shí)，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(gè)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(gè)方面：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?，進(jìn)入鏡頭的光束越細(xì)，近軸效應(yīng)越明顯，光線會(huì)聚的角度就越小。這樣在成像面前后．會(huì)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(huì)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(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：CCD的作用CCD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。CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。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)械裝置來完成。

CCD它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，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)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(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)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。

衡量ＣＣＤ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ＣＣＤ尺寸是重要的指標(biāo)。像素?cái)?shù)是指ＣＣＤ上感光元件的數(shù)量。攝像機(jī)拍攝的畫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，畫面就會(huì)越清晰，如果ＣＣＤ沒有足夠的像素的話，拍攝出來的畫面的清晰度就會(huì)大受影響，因此，理論上ＣＣＤ的像素?cái)?shù)量應(yīng)該越多越好。但ＣＣＤ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，再增加對拍攝畫面清晰度的提高效果變得不明顯，因此，一般一百萬左右的像素?cái)?shù)對一般的使用已經(jīng)足夠了。

單ＣＣＤ攝像機(jī)是指攝像機(jī)里只有一片ＣＣＤ并用其進(jìn)行亮度信號以及彩色信號的光電轉(zhuǎn)換，其中色度信號是用ＣＣＤ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ＣＣＤ同時(shí)完成亮度信號和色度信號的轉(zhuǎn)換，因此難免兩全，使得拍攝出來的圖像在彩色還原上達(dá)不到專業(yè)水平的要求。為了解決這個(gè)問題，便出現(xiàn)了３ＣＣＤ攝像機(jī)。３ＣＣＤ，顧名思義，就是一臺攝像機(jī)使用了３片ＣＣＤ。我們知道，光線如果通過一種特殊的棱鏡后，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，通過這三基色，就可以產(chǎn)生包括亮度信號在內(nèi)的所有電視信號。如果分別用一片ＣＣＤ接受每一種顏色并轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過電路處理后產(chǎn)生圖像信號，這樣，就構(gòu)成了一個(gè)３ＣＣＤ系統(tǒng)。

數(shù)碼相機(jī)規(guī)格表中的CCD一欄經(jīng)常寫著“1/2.7英寸CCD”等。這里的“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸，實(shí)際上就是CCD對角線的長度。

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，接收透過鏡頭的光并將其轉(zhuǎn)換為電信號。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，因此，理論上可以說有利于提高畫質(zhì)。

按CCD靶面大小劃分

CCD芯片已經(jīng)開發(fā)出多種尺寸：

目前采用的芯片大多數(shù)為1/3”和1/4”。在購買攝像頭時(shí)，特別是對攝像角度有比較嚴(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角的大小和圖像的清晰度。

1英寸——靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm，對角線16mm。

2/3英寸——靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm，對角線11mm。

1/2英寸——靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm，對角線8mm。

1/3英寸——靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm，對角線6mm。

1/4英寸——靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm，對角線4mm。

紅外攝像機(jī)的工作原理

人的眼睛能看到的可見光按波長從長到短排列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。其中紅光的波長范圍為0.62～0.76μm；紫光的波長范圍為0.38～0.46μm。比紫光波長更短的光叫紫外線，比紅光波長更長的光叫紅外線，人的肉眼是看不到紅外線的。

紅外夜視，就是在夜視狀態(tài)下，紅外攝像機(jī)會(huì)發(fā)出人們?nèi)庋劭床坏降募t外光線去照亮被拍攝的物體，紅外線經(jīng)物體反射后進(jìn)入鏡頭進(jìn)行成像。攝像機(jī)是通過CCD感應(yīng)紅外線的，而CDD是能夠感應(yīng)所有光線(可見光、紅外線和紫外線等)的,因此在沒有可見光的情況下，紅外攝像機(jī)是可以拍攝到肉眼看不到的影像的。

四：攝像機(jī)的選型1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)。2根據(jù)光線選取光線不理想的情況選取底照度的彩色|黑白攝像機(jī)。清晰度要求較高時(shí)，選取黑白攝像機(jī)3根據(jù)監(jiān)控模式選擇定點(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)。4根據(jù)圖像清晰度要求選擇對視頻圖像分辯率要求較高的場合，選用水平分辯率指標(biāo)高、像數(shù)大的攝像機(jī)。5根據(jù)其它要求選擇。如銀行柜臺選用彩色攝像機(jī)，醫(yī)學(xué)血管圖像要求干擾少