摄像机成像的原理是什么

　　一、摄像机的工作原理

　　摄像机是一种把景物光像转变为电信号的装置。其结构大致可分为三部分：光学系统（主要指镜头）、光电转换系统（主要指摄像管或固体摄像器件）以及电路系统（主要指视频处理电路）。

　　光学系统的主要部件是光学镜头，它由透镜系统组合而成。这个透镜系统包含着许多片凸凹不同的透镜，其中凸透镜的中比边缘厚，因而经透镜边缘部分的光线比中央部分的光线会发生更多的折射。当被摄对象经过光学系统透镜的折射，在光电转换系统的摄像管或固体摄像器件的成像面上形成“焦点”。光电转换系统中的光敏原件会把“焦点”外的光学图像转变成携带电荷的电信号。这些电信号的作用是微弱的，必须经过电路系统进一步放大，形成符合特定技术要求的信号，并从摄像机中输出。

　　光学系统相当于摄像机的眼睛，与操作技巧密切相关，在本章以后的小节里将详细叙述。光电转换系统是摄像机的核心，摄像管或固体摄像器件便是摄像机的“心脏”，有关这一部分的内容，将在第三章里介绍。由于家用摄像机大多是将摄像部分和录像部分合为一体，下面再概述一下录像部分的工作原理。

　　当摄像机中的摄像系统把被摄对象的光学图像转变成相应的电信号后，便形成了被记录的信号源。录像系统把信号源送来的电信号通过电磁转换系统变成磁信号，并将其记录在录像带上。如果需要摄像机的放像系统将所记录的信号重放出来，可操纵有关按键，把录像带上的磁信号变成电信号，再经过放大处理后送到电视机的屏幕上成像。

　　从能量的转变来看，摄像机的工作原理是一个光－－电－－磁－－电－－光的转换过程。

　　二、镜头及其成像原理

　　是摄像机最主要的组成部分，并被喻为人的眼睛。人眼之所以能看到宇宙万物，是由于凭眼球水晶体能在视网膜上结成影像的缘故；摄像机所以能摄影成像，也主要是靠镜头将被摄体结成影像投在摄像管或固体摄像器件的成像面上。因此说，镜头就是摄像机的眼睛。电视画面的清晰程度和影像层次是否丰富等表现能力，受光学镜头的内在质量所制约。当今市场上常见的各种摄像机的镜头都是加膜镜头。加膜就是在镜头表面涂上一层带色彩的薄膜，用以消减镜片与镜片之间所产生的色散现象，还能减少逆光拍摄时所产生的眩光，保护光线顺利通过镜头，提高镜头透光的能力，使所摄的画面更清晰。

　　摄像者在自学摄像的过程中，首先要熟知镜头的成像原理，它主要包括焦距、视角、视场和像场。

　　焦距是焦点距离的简称。例如，把放大镜的一面对着太阳，另一面对着纸片，上下移动到一定的距离时，纸片上就会聚成一个很亮的光点，而且一会儿就能把纸片烧焦成小孔，故称之为“焦点”。从透镜中心到纸片的距离，就是透镜的焦点距离。对摄像机来说，焦距相当于从镜头“中心”到摄像管或固体摄像器件成像面的距离。

　　焦距是标志着光学镜头性能的重要数据之一，因为镜头拍摄影像的大小是受焦距控制的。在电视摄像的过程中，摄像者经常变换焦距来进行造型和构图，以形成多样化的视觉效果。例如，在对同一距离的同一目标拍摄时，镜头的焦距越长，镜头的水平视角越窄，拍摄到景物的范围也就越小；镜头的焦距越短，镜头的水平视角越宽，拍摄到的景物范围也就越大。

　　一个摄像机镜头能涵盖多大范围的景物，通常以角度来表示，这个角度就叫镜头的视角。被摄对象透过镜头在焦点平面上结成可见影像所包括的面积，是镜头的视场。但是，视场上所呈现的影像，中心和边缘的清晰度和亮度不一样。中心部分及比较接近中心部分的影像清晰度较高，也较明亮；边缘部分的影像清晰度差，也暗得多。这边缘部分的影像，对摄像来说是不能用的。所以，在设计摄像机的镜头时，只采用视场。需要重点指出，摄像机最终拍摄画面的尺寸并不完全取决于镜头的像场尺寸。也就是说，镜头成像尺寸必须与摄像管或固体摄像器件成像面的最佳尺寸一致。

　　当摄像机镜头的成像尺寸被确定之后，对一个固定焦距的镜头来说则相对具有一个固定的视野，常用视场来表示视野的大小。它的规律是，焦距越短，视角和视场就越大。所以短焦距镜头又被称为广角镜头。

　　三、镜头的景深原理

　　当镜头聚集于被摄影物的某一点时，这一点上的物体就能在电视画面上清晰地结像。在这一点前后一定范围内的景物也能记录得较为清晰。这就是说，镜头拍摄景物的清晰范围是有一定限度的。这种在摄像管聚焦成像面前后能记录得“较为清晰”的被摄影物纵深的范围便为景深。当镜头对准被摄景物时，被摄景物前面的清晰范围叫前景深，后面的清晰范围叫后景深。前景深和后景深加在一起，也就是整个电视画面从最近清晰点到最远清晰点的深度，叫全景深。一般所说的景深就是指全景深。

　　有的画面上被摄体是前面清晰而后面模糊，有的画面上被摄体是后面清晰而前面模糊，还有的画面上是只有被摄体清晰而前后者模糊，这些现象都是由镜头的景深特性造成的。可以说，景深原理在摄像上有着极其重要的作用。正确地理解和运用景深，将有助于拍出满意的画面。决定景深的主要因素有如下三个方面：

　　光圈 在镜头焦距相同，拍摄距离相同时，光圈越小，景深的范围越大；光圈越大，景深的范围越小。这是因为光圈越小，进入镜头的光束越细，近轴效应越明显，光线会聚的角度就越小。这样在成像面前后．会聚的光线将在成像面上留下更小的光斑，使得原来离镜头较近和较远的不清晰景物具备了可以接受的清晰度。

　　焦距 在光圈系数和拍摄距离都相同的情况下，镜头焦距越短，景深范围越大；镜头焦越长，景深范围越小。这是因为焦距短的镜头比起焦距长的镜头，对来自前后不同距离上的景物的光线所形成的聚焦带（焦深）要狭窄得很多，因此会有更多光斑进入可接受的清晰度区域。

　　物距 在镜头焦距和光圈系数都相等的情况下，物距越远，景深范围越大；物距越近，景深范围越小。这是因为远离镜头的景物只需做很少的调节就能获得清晰调焦，而且前后景物结焦点被聚集得很紧密。这样会使更多的光斑进入可接受的清晰度区域，因此景深就增大。相反，对靠近镜头的景物调焦，由于扩大了前后结焦点的间隔，即焦深范围扩大了，因而使进入可接受的清晰度区域的光斑减少，景深变小。由于这样的原因，镜头的前景深总是小于后景深。

　　四、变焦距镜头及其原理　　摄像机的镜头可划分为标准镜头、长焦距镜头和广角镜头。以16毫米的摄影机为例，其标准镜头的焦距是25毫米，之所以将此焦确定为标准镜头的焦距，其主要原因是这一焦距和人眼正常的水平视角（24度）相似。在使用标准镜头拍摄时，被摄对象的空间和透视关系与摄像者在寻像器中所见到的相同。焦距50毫米以上称为长焦距镜头，16毫米以下的称为广角镜头。摄像机划分镜头的标准基本与16毫米摄影机相同。但是，目前我国的电视摄像机大多只采用一个变焦距镜头，即一个透镜系统能实现从“广角镜头”到“标准镜头”以至“长焦距镜头”的连续转换，从而给摄像的操作带来了极大的方便。

　　距镜头的主要特点之一是具有在一定范围内边疆改变焦距而成像面位置不变的性能，已成为家用摄像机上运用最广泛的镜头。

　　变集中镜头由许多单透镜组成。最简单的是由两个凸透镜组成的组合镜。现设定两个透镜之间的距离为X，通过实践可以得知，只要改变两个凸透镜之间的距离X的长短，就能使组合透镜的焦距发生变化。这是变焦距镜头的最基本原理。但是，上述组合透镜的缺点是，当改变了X的距离后，不仅使焦距发生了变化，而且成像面的位置也会有所改变。为了使成像面的位置不变，还必须再增加几组透镜，并有规律地共同移动。因此，摄像机中的变焦距镜头至少要有三组组合透镜，即调焦组、变焦组和像面补偿组。如果因为像距太长，成像面亮度不中，需要缩短像距时，还要再增加一组组合透镜，这组透镜叫物镜组。图五是变焦距镜头的结构图。

　　变焦距镜头在变焦时，视角也发生了改变，但焦点位置与光圈开度不变。通常所说的镜头的就焦倍数，是指变焦距镜头的最长焦距与最短焦距之比。目前，在一些普及型的摄像机中，其变焦距镜头的变焦范围大体上是从10－90（mm），故其倍数约为6－8倍。一些广播级摄像机变焦距镜头的倍数约为14－15倍。另外，有些机器上还装有一个变焦倍率器，使镜头焦距可以在最长焦距的基础上增加一倍，从而延伸了镜头的长焦范围。但是，这种变倍装置会影响图像的质量，使用时要格外谨慎。

　　在实际拍摄时，当把变焦距镜头从广角端渐渐地变为长焦端时，其画面的视觉效果好像是摄像机离这一景物越来越近，这种效果便是所谓的“推镜头”。相反的变化效果便是“拉镜头”。摄像机镜头进行变焦距的变化有两种控制方法，一是电动变焦，二是手动变焦。电动变焦靠电动推拉杆（T推－W拉）来控制，手在推拉杆上用力的大小可改变镜头运动的速度。电动变焦的特点是镜头在推拉的过程中变化均匀。手动变焦是通过直接用手拨动变焦环实现的，手动变焦一般是在镜头需要急速推拉时才能使用。

　　变焦距镜头的操作有一定的难度，初学者会更为明显地感到困难，这是因为影响聚焦清晰的因素如镜头焦距、光圈、景深以及主体离摄像机的距离等可能同时都在变化。为了有效地解决这一问题，初学者可以在拍摄中把握这样一点，即先用变焦距镜头最长的焦距对准被摄对象聚焦，然后再恢复到拍摄时所需要的焦距上，这样就能保证被摄对象的清晰。

摄像机种类繁多，其工作的基本原理都是一样的：把光学图象信号转变为电信号，以便于存储或者传输。当我们拍摄一个物体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收集，使其聚焦在摄像器件的受光面（例如摄像管的靶面）上，再通过摄像器件把光转变为电能，即得到了“视频信号”。光电信号很微弱，需通过预放电路进行放大，再经过各种电路进行处理和调整，最后得到的标准信号可以送到录像机等记录媒介上记录下来，或通过传播系统传播或送到监视器上显示出来。

把复杂问题简单化，介绍一下成像芯片的原理。在学习单片机控制的时候可能会涉及到一个叫光敏电阻的器件，摄像机的原理和这个元件相似（基本一样）。光敏电阻是由特殊的光敏材料制成，这种材料在收到光照时电阻值会随着亮度增加而减小，从而实现不同的电流输出。通过检测电路的电流大小我们就可以得知光敏电阻所处环境的的亮度。而现代数码成像芯片的原理就是通过大规模（数千万到上亿个）“集成”这种光敏电阻来获取图像“信号”。因为图像是由不同的颜色组成，但光敏电阻又只能获取单一的亮度信号。所以为了获取颜色信号，成像芯片会在每一个“光敏电阻”前加一个“滤光片”，让每一个感光单元只局限于测量人们想要它测量的颜色的“亮度”。相较于“滤光片”，现实情况中成像芯片里的每一个感光单元都是针对感知单一颜色的亮度而设计的；它们所使用的感光材料也只能对特定颜色的光进行感知。但通过大规模的将这类感知不同颜色的感光单元以重复的阵列排设在一起就能形成对图像的识别与感知。另外除了感光外，每一个感光单元在把光的亮度信号转换为电信号时都是以不同电压、电流或者脉冲的形式输出。这种信号是无法被计算机等设备读取或存储的。所以为了让图像信号能被存储下来，感光单元还必须把自己输出的“模拟”电信号转换为可被读取的“数字”电信号进行输出；简单来说就是把读取到的信号进行“量化”；比如把一个你不知道长度的棍子用尺子去衡量并得出棍子的长度。同样过程，我们直接获取到的由感光单元输出的电信号就像一根我们不知道长度的棍子，而模数转换的过程就像用尺子去获得棍子长度的过程一样。在我们获取到了“亮度”的度量之后就能用被我们所理解的数字表达出一个特定的颜色，并将它的值存储下来得到我们想要的图像信号。