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1、攝像機(jī)的工作原理是什么?
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。
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(dòng)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(cè)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?hào)的裝置。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**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。當(dāng)被攝對(duì)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(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。
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(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)源送來的電信號(hào)通過電磁轉(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,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
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(chǎng)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。
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(chǎng)和像場(chǎng)。
焦距是焦點(diǎn)距離的簡(jiǎn)稱。例如,把放大鏡的一面對(duì)著太陽,另一面對(duì)著紙片,上下移動(dòng)到一定的距離時(shí),紙片上就會(huì)聚成一個(gè)很亮的光點(diǎn),而且一會(huì)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(duì)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(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。
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(duì)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(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)攝像來說是不能用的。所以,在設(shè)計(jì)攝像機(jī)的鏡頭時(shí),只***用視場(chǎng)。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(chǎng)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(duì)一個(gè)固定焦距的鏡頭來說則相對(duì)具有一個(gè)固定的視野,常用視場(chǎng)來表示視野的大小。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(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(duì)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??梢哉f,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(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(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。
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(zhǎng)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(shí),被攝對(duì)象的空間和**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(zhǎng)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(guó)的電視攝像機(jī)大多只***用一個(gè)變焦距鏡頭,即一個(gè)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(zhǎng)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(jiǎn)單的是由兩個(gè)凸透鏡組成的組合鏡。現(xiàn)設(shè)定兩個(gè)透鏡之間的距離為X,通過實(shí)踐可以得知,只要改變兩個(gè)凸透鏡之間的距離X的長(zhǎng)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(huì)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(dòng)。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(zhǎng),成像面亮度不中,需要縮短像距時(shí),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(shí),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(zhǎng)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(jí)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(gè)變焦倍率器,使鏡頭焦距可以在最長(zhǎng)焦距的基礎(chǔ)上增加一倍,從而延伸了鏡頭的長(zhǎng)焦范圍。但是,這種變倍裝置會(huì)影響圖像的質(zhì)量,使用時(shí)要格外謹(jǐn)慎。
在實(shí)際拍攝時(shí),當(dāng)把變焦距鏡頭從廣角端漸漸地變?yōu)殚L(zhǎng)焦端時(shí),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***,一是電動(dòng)變焦,二是手動(dòng)變焦。電動(dòng)變焦靠電動(dòng)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(dòng)的速度。電動(dòng)變焦的特點(diǎn)是鏡頭在推拉的過程中變化均勻。手動(dòng)變焦是通過直接用手撥動(dòng)變焦環(huán)實(shí)現(xiàn)的,手動(dòng)變焦一般是在鏡頭需要急速推拉時(shí)才能使用。
變焦距鏡頭的操作有一定的難度,初學(xué)者會(huì)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(shí)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(zhǎng)的焦距對(duì)準(zhǔn)被攝對(duì)象聚焦,然后再恢復(fù)到拍攝時(shí)所需要的焦距上,這樣就能保證被攝對(duì)象的清晰。
攝像機(jī)的工作原理是通過鏡頭將光線聚焦到感光元件上,感光元件將光線轉(zhuǎn)化為電信號(hào),經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后生成數(shù)字信號(hào),再通過編碼壓縮成**信號(hào),最后通過輸出接口傳輸?shù)斤@示器或存儲(chǔ)設(shè)備上,實(shí)現(xiàn)圖像捕捉和傳輸。
紅外夜視,就是在夜視狀態(tài)下,數(shù)碼攝像機(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,關(guān)掉紅外濾光鏡,不再阻擋紅外線進(jìn)入CCD,紅外線經(jīng)物體反射后進(jìn)入鏡頭進(jìn)行成像,這時(shí)我們所看到的是由紅外線反射所成的影像,而不是可見光反射所成的影像,即此時(shí)可拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的影像。
原理特性
光是一種電磁波,它的波長(zhǎng)區(qū)間從幾個(gè)納米(1nm=10-9m)到1毫米(mm)左右。人眼可見的只是其中一部分,我們稱其為可見光,可見光的波長(zhǎng)范圍為380nm~780nm,可見光波長(zhǎng)由長(zhǎng)到短分為紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫光,波長(zhǎng)比紫光短的稱為紫外光,波長(zhǎng)比紅外光長(zhǎng)的稱為紅外光。
紅外燈按其紅外光輻射機(jī)理分為半導(dǎo)體固體發(fā)光(紅外發(fā)射二級(jí)管)紅外燈和熱輻射紅外燈兩種。一般市場(chǎng)上主要***用紅外發(fā)射二極管的紅外燈,其原理及特性我們介紹如下: 由紅外發(fā)光二級(jí)管矩陣組成發(fā)光體。紅外發(fā)射二級(jí)管由紅外輻射效率高的材料(常用砷化鎵GaAs)制成PN結(jié),外加正向偏壓向PN結(jié)注入電流激發(fā)紅外光。光譜功率分布為中心波長(zhǎng)830~950nm,半峰帶寬約40nm左右,它是窄帶分布,為普通CCD黑白攝像機(jī)可感受的范圍。其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以完全無紅暴,(***用940~950nm波長(zhǎng)紅外管)或僅有微弱紅暴(紅暴為有可見紅光)和壽命長(zhǎng)。紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率用輻照度μW/m2表示。一般來說,其紅外輻射功率與正向工作電流成正比,但在接近正向電流的最大額定值時(shí),器件的溫度因電流的熱耗而上升,使光發(fā)射功率下降。紅外二極管電流過小,將影響其輻射功率的發(fā)揮,但工作電流過大將影響其壽命,甚至使紅外二極管燒毀。針對(duì)這一情況,富視康公司FI-930C和FI-*0C在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了這個(gè)問題,***用高效率發(fā)光二極管,在攝像機(jī)里面內(nèi)置散熱系統(tǒng),使攝像機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)間達(dá)到25000小時(shí)!
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