学习目标： 1、了解电视摄像机的发展历史及分类方法 2、了解电视摄像机的基本工作原理 3、了解(CCD)摄像器件的工作原理 4、了解摄像机的主要性能指标及其含义,数字影像摄制技术 彩色电视摄像机,基本内容： 一、彩色摄像机的发展 二、彩色摄像机的分类 三、彩色摄像机的基本组成 四、摄像机的主要性能指标 五、摄像机的主要附件,彩色电视摄像机,*彩色摄像机发展至今，大致经历了4个重要时期,一、彩色摄像机的发展,*彩色摄像机种类繁多，用途广泛，可从多个侧面对其分类，如右表所示：,二、彩色摄像机 的分类,广播级摄像机,专业级摄像机,家用级摄像机,演播室摄像机,高清晰度摄像机,索尼HVR-A1C手持式高清摄录一体机,光盘摄像机,索尼PDW-F330高清光盘摄录一体机,专业光盘摄录像机标志及专业光盘外观,存储卡摄像机,松下P2卡摄录一体机,8GB P2卡,存储卡摄像机,松下P2卡摄录一体机,“掌中宝”插卡摄录一体机,主要内容： 1、彩色摄像机的基本工作原理 2、光学系统 3、摄像器件 4、视频处理 5、编码器 6、同步信号发生器,三、彩色摄像机的基本组成,*利用三基色原理，通过光学系统，将景物的彩色光像分解为3幅单色光，然后由摄像器件完成光电转换，并经过视频通道进行校正、处理、编码后形成所需的分量信号、复合信号等。,1、彩色摄像机的基本工作原理,1、彩色和光 2、人眼的视觉特性 3、彩色三要素和三基色原理,附录：三基色原理,可见光的特性 电磁波波谱及可见光光谱 *可见光是波长范围在380nm780nm之间的电磁波。,1、彩色和光,*可见光的波长范围只占整个电磁波波谱中极小的一部分。,可见光的特性 可见光的特性(电视角度) *不同波长的光呈现的颜色不同。只含有单一波长的光称为单色光，它呈现的色调称为谱色；复合光呈现的混色称为非谱色。,1、彩色和光,光源与物体的颜色 *物体呈现的颜色，不仅取决于物体本身反射或透射某种光谱的属性，同时也取决于光源的特性。 *当白色光照射不发光、不透明的物体时，一部分光波被吸收，一部分光波被反射或透射，由于反射光或透射光的光谱与入射光不同，因此物体呈现出一定的颜色。 (例如太阳光照在绿叶上，日光中其余波谱成分全部被吸只反射绿色光，因而绿叶呈绿色。当太阳光照射红色滤色片时，由于滤色片吸收其它色谱而只能让红色通过，因此红色滤色片呈红色。) *照射光源不同，同一物体会使人眼感受到不同颜色，即物体所呈现的彩色与光源有关。,1、彩色和光,人眼的彩色感觉 *人眼视网膜里存在大量形状分为杆状和锥状两类的光敏细胞。 杆状细胞 *约一亿三千万个，感光灵敏度较高，感色灵敏度差。 锥状细胞 *约七百万个，具有辨色能力，感光灵敏度较低；它们又分为红敏绿敏蓝敏细胞。,2、人眼的视觉特性,人眼的亮度感觉,2、人眼的视觉特性,相对视敏曲线,人眼的视觉特性 *人眼对黑白细节的分辨能力远大于对彩色细节的分辨力,同样条件下的发光点,若是黑白两点可能分得很清楚,而换成两个彩色点,可能早就分不清颜色了。 *人眼对单色光的分辨率又大于对混合色的分辨率。对不同的单色,人眼的分辨力也不同。 *人眼对亮度细节的分辨能力(视力)的极限值为0.5-1.5，而对彩色细节分辨力极限值为6-10。眼睛对太小的物体是色盲。,2、人眼的视觉特性,彩色三要素 *亮度、色调和色饱和度称为彩色三要素，由这三个参量可以确切地表示任何一种彩色光。 亮度：表示彩色光引起人眼视觉的明亮程度，它和彩色光的光强度成正比。 色调：表示彩色的种类，它由彩色光的主色光的波长决定。 色饱和度：指彩色的纯度(浓度)，即参入白光的程度。它的高低和彩色的亮度有关，对于同一色调的彩色光，色饱和度越高则颜色越深或者说越纯。它是一个相对参量。 *色调和色饱和度合称为色度。它即表示了彩色的种类，又表示了彩色的浓淡。,3、彩色三要素和三基色原理,三基色 *三基色：自然界中的各种颜色几乎都可以由三种基色光按不同的比例混合得到。反之，任意一种彩色都可以分解为三基色。在彩色电视技术中，用红(R)、绿(G)、蓝(B)三种单色光进行不同比例的混合，可以呈现出几乎所有的自然色彩。因此，红、绿、蓝三色称为三基色。 *三基色原理的主要内容： 三种基色是相互独立的，即其中任一种不能由另外两种合成得到。 自然界中几乎所有的色彩都可以用三基色按一定比例混合出来;反之;任何色彩都可以分解为强度不同的三基色。 混合色的亮度等于参与混合的基色亮度之和。 混合色的色调和饱和度(即色度)由三基色的比例确定。,3、彩色三要素和三基色原理,混色方法 *利用三基色按不同比例混合来获得彩色的方法叫混色法。彩色电视采用的是相加混色法。,3、彩色三要素和三基色原理,三片CCD摄像机的组成方框图,1、彩色摄像机的基本工作原理,*摄像机光学系统由变焦距镜头、分色棱镜和各种滤色片等组成。 *变焦距镜头的作用是将所摄取的景物成像于摄像器件上。 *分色棱镜的作用是将景物的入射光分解成红(R)、绿(G)、蓝(B)3幅单色图像，分别传送到R、G、B的三个CCD感光面上。 *滤色片的作用是使进入各摄像器件的彩色光的强度及光谱特性符合电视系统的要求。,2、光学系统,(1)变焦距镜头,*镜头一般由若干片透镜组装而成，其作用是使景物成像在摄像器件上。 *变焦距镜头是能在一定范围内改变焦距的镜头。 *实际使用的变焦距镜头至少有3组单元透镜，即调焦组、变焦组和补偿组。若要增大后截距，还需要增加第四组，即物镜组。,变焦距镜头结构示意图,变焦距镜头结构示意图,变焦距镜头结构示意图,变焦距镜头成像示意图,*变焦距镜头的最长焦距与最短焦距的比值称为变焦比。 *变焦距镜头有电动和手动两种变焦方式。,(1)变焦距镜头,电动变焦距镜头附有控制电动机，使用时揿动电动变焦按钮，电动机则作正向或反向旋转，使镜头内部的变焦组镜片改变相对位置实现变焦。 手动变焦则通过旋转变焦环实现变焦。,*光圈是摄像机光学系统中专门设计的一个可以改变其中央通光孔径大小的孔径光阑。,(2)光圈,*光圈的主要作用是控制镜头光通量的大小，用相对孔径的倒数F表示。,*F值一般称为光圈指数，被标注在镜头的光圈调节环上。主要有1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等序列值。每两个相临数值中，后一数值是前一数值的21/2倍。 *由于像面亮度与光圈指数的平方成反比，所以光圈每变化一档，像面亮度就变化一倍。,(2)光圈,*F值越小，表示光圈越大，透光能力越强，到达CCD芯片的光通量就越大。,自动光圈的工作原理：在一幅图像的中心部位选取红、绿、蓝三基色信号中电平最大者，再取平均值，放大后与某一基准电平相比较，最后用其误差信号来驱动控制光圈的电动机来调整光圈，从而使信号保持在预先选定的标准电平。 自动光圈挡只适用于景物场面照度比较均匀的情况，而不适用于逆光拍摄或景物与背景之间亮度差别很大的场合。为了使不同的景物在画面中得到最佳的表现，除了特殊的情况外，都应使用“手动光圈”而不用“自动光圈”，这样才能得到满意的画面效果。,附录:摄像机自动光圈的工作原理、适用的场合及不适用的场合,*一般摄像机都是按照3200K照明色温设计，它的白平衡是按D65(标准白光源)白色要求调整的。 *而现实中照明光源是变化的，如果用摄像机去拍摄任意色温照明的景物，会产生严重的彩色失真。 *为了使摄像机在不同的色温光照时拍摄的景物与3200K光照、平衡于D65 白色时景物的色彩一致，就需要对由于色温不同而引起的光谱能量分布的变化进行补偿。,(3)色温滤色片和中性滤色片(CC/ND),*通常在摄像机光学系统中加入色温校正滤色片(也称CC滤色片)，它具有一定的光谱特性，可以补偿因色温变化而引起的光谱特性误差，把不同色温的光源转换到3200K色温光源。,(3)色温滤色片和中性滤色片(CC/ND),*一般摄像机将多个不同的滤色片镶在一个圆盘上，拍摄时根据光源的色温情况拨动圆盘，以适应不同光照时的色温转换要求。,(3)色温滤色片和中性滤色片(CC/ND),色温滤色片转换控制旋钮,*当摄像机在强光下工作时，应减少光圈。但有时为了达到一定的艺术效果，不允许减少光圈，这就需要在光路中加入减少光通量的衰减器，即中性滤色片(也叫ND滤色片)，它一般设置在分色棱镜前面。 *ND滤色片不改变入射光的色温。常用的透光率有100%、25%、10%等。,(3)色温滤色片和中性滤色片(CC/ND),1、基本步骤 选择与现场拍摄光源相符(色温相符)的滤色片； 在现场拍摄光源下，拍摄某一标准白卡或白色物体(如白纸、白墙等)； 将镜头光圈放在自动状态； 按动自动白平衡按钮数秒钟，白平衡自动调好，这时寻像器上显示白平衡调好的信号(显示指示灯或字母或文字等)。,附录:摄像机白平衡调整的基本操作步骤及注意点,2、注意点 白平衡调整卡一般占屏幕的70%80%,不小于屏幕的1/8就可以了(白色的比例太小,调整会无目标,占满屏幕会因为没有比较造成调整时的失调。)。 不要在白平衡调整指示没有出现OK显示时移动摄像机。 应该和被拍摄物体在同一照明光源下进行调整;在混合光线的情况下,应该在起主要作用的光源照明下进行调整。 变换场景,如由室内到室外,或一天的不同时候进行拍摄时,在开拍前,要进行白平衡调整。,附录:摄像机白平衡调整的基本操作步骤及注意点,3、对于镜头盖是原配白色的一体化摄录像机，白平衡调整的基本方法 *使机器处于手动白平衡调整状态,并用白色镜头盖将镜头罩上,打开自动光圈,焦距变到最短(广角W),手动调焦调到无限远,校色片拨到“室外”或有太阳等标记的档位,然后把机器对向天空,但不能直接指向太阳,接着按一下白平衡调整按钮,当寻像器中“W”或相应指示灯闪烁几下后熄灭,表明白平衡已调整好。,附录:摄像机白平衡调整的基本操作步骤及注意点,分色棱镜的组成 *由(A)、(B)和(3)三部分粘合组成,在Mr、Mb面(1)和(2)上分别涂上不同厚度的干涉膜。 *Fr、Fg、Fb分别表示红、绿、蓝CCD,它们的感光面直接与三块棱镜的一个面粘合在一起。,(4)分色棱镜(分光镜),C,*当光线投射到Mr面上时，红光被反射而其他光则能透过。 *透过Mr面的光进入Mb时,蓝光被反射而让余下的绿光透过。 *光线在介质中所走的路程与介质折射率的乘积称为光程，红、绿、蓝三路的光程应严格一致。,分色棱镜的分色过程,C,*摄像器件主要完成光电转换作用，其性能指标决定着摄像机图像信号的质量，目前主要有CCD和CMOS固体摄像器件两类。其中，CCD占多数。 *固体彩色摄像机是将CCD摄像器件装在分色系统的成像面上，具有画面均匀性好、灵敏度高、几何失真小、重合精度高、惰性小、抗强光照射、耐冲击抗振动、小巧及寿命长等优点。,3、摄像器件,固体摄像器件CCD及分色棱镜系统,CCD的单元结构 *在P型硅上涂一层氧化硅薄膜作为绝缘层，在氧化硅上淀积一个透明金属电极，就形成金属氧化物半导体(MOS)，称为一个CCD单元。,(1)CCD器件的结构及工作原理,*若在电极(栅极)上加一个正电压，它所形成的电场(穿过氧化硅薄膜)排斥P型硅中的多数载流子，在电极下构成一个电荷耗尽区，而在氧化硅-P型硅界面上得到一个可以储存少数载流子的势阱，所加的偏压越大势阱就越深。,CCD单元结构示意图,*当透过透明的金属电极的光线照射在P型硅半导体上时，在硅晶体内会激发出一个电子-空穴对，在耗尽区的电场作用下，空穴流入P型衬底，电子被收集到由MOS结构所形成的势阱中，即形成电荷包。,光电转换和电荷储存,CCD单元结构示意图,*势阱中所捕获的电子数目与该处的光照强弱成正比，光照越强，对应的势阱所捕获的电子数就越多。这样，就完成了光电转换和电荷储存。,*右图分别是由一行CCD单元组成的一个线阵CCD结构与电荷转移示意图和被称为三相驱动时钟脉冲电压的波形示意图。 *在线阵CCD结构