第二章 数字彩色电视摄像机.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,电视中心技术,周 灵,*,第二章 数字彩色电视摄像机,Contents,彩色电视摄像机的组成,1,彩色电视摄像机的评价,2,彩色电视摄像机的光学系统,3,CCD,摄像器件,4,数字摄像机信号处理电路,5,摄像机控制系统,6,摄像机机型介绍,7,数字彩色电视摄像机,彩色电视摄像机将捕获的活动景物的,光,图像转化为三路基色,电,信号，再进行,信号处理和编码,后，,输出分量电视信号或彩色全电视信号,。本节讲述数字彩色电视摄像机的原理，因为摄像机的光电转换器件,CCD,为模拟器件，因此实际上所谓的数字摄像机并不是全数字化设备，只能在,CCD,输出模拟信号后的部分做到数字化。由于数字信号处理电路具有电路稳定、状态可存储、复杂图像处理功能易实现等特点，,数字摄像机与以前的模拟摄像机相比,具有以下特点：信杂比高，稳定性好，可靠性高，图像质量好，调整精确，参数设定灵活，易维护，易调试。,一、彩色电视摄像机的组成,我们基本可以把数字彩色摄像机组成分为变焦距镜头、滤色片、分光棱镜、,CCD,器件、寻像器、电源、声音与信号系统、自动控制、彩条信号发生器、同步信号发生器、视频处理放大、视频编码器、适配器这几大部分。,1.,变焦距镜头,变焦距镜头由若干透镜组成。作为摄像机的最前端，变焦距镜头通过调节聚焦环、变焦环和光圈分别改变聚焦、焦距和进光量，担负起将不同远近的景物清晰摄取在,CCD,感光面上的作用。这些调节可以在镜头上直接进行，也可以在摄像机的操作杆上遥控，在全自动演播室中，还都可以在摄像机控制单元上遥控。一般，光圈分自动和手动两种调整方式而聚焦和焦距有手动的机械控制和电动两种方式。,聚焦,的作用是使一定距离的拍摄物清晰地成像在摄像器件的光敏面上。,调节焦距,可以连续改变像的放大率以调整拍摄空间范围的大小而不必前后移动机位。,调节光圈,可以改变成像面的,照度,以及,景深,的大小。,补充,关于景深：,景深是一个描述,在焦点前后的多少范围内，景物仍然清晰,的摄影术语。景深的大小与以下因素有关：光圈大小、物距、焦距和胶卷和传感器格式。,光圈越大，景深越浅,，在,焦点前后的景物会变得很模糊,；相反，一个细小的光圈能产生很深的景深，焦点前后一大段距离的景物都显得很清晰。,2.,滤色片,滤色片包括,色温校正片,和,中性滤光片,，有着不同的作用。,色温校正片用于调节白平衡，而中性滤光片用于降低光的透光率。摄像机的,白平衡,是指拍摄白色（灰色）景物时，输出的三个基色信号的电平相等。这样的信号在显像端重现时，就能得到相应灰度无色调的景物。一般，为了使多台摄像机拍摄时得到的画面效果一致，需要对白平衡做统一的调整。具体方法是，,拍摄同一白色景物，如白纸或白墙等，然后按下摄像机上的“白平衡开关”按键，就能自动设置完成，实际电路是通过调整红、蓝两路的增益以匹配绿路信号的幅度来实现的。,但是，由于处理放大器的增益调节范围只有,3dB,，当在演播室（色温,3200K,）内调节好白平衡的摄像机搬移到光源色温变化较大的地方，则,3dB,的调节范围是不够的。为此，采取在分光棱镜前,加装色温校正片,的方法，目的就是使入射光源接近,3200K,，这时,再调节增益,即可达到白平衡。为了适应多种光源，现在的广播级、专业级摄像机内部（分光棱镜前）一般都安装一个圆盘，上面有几个色温校正片，通过转动圆盘，来选择相应的校正片。一般，这些校正片都有编号可以选择使用。,常用色温校正片的编号和特点,色温校正片带来的,副作用,是会降低灵敏度。在表中“,1/4 ND,”,表示的是在色温校正片上还镀有一层透光率为,25,的中性滤光膜，使所有波长光的透光率降低,25,。现在，有些彩色摄像机取消了色温校正片，通过加大增益的调节范围，完全用电子方法来实现白平衡调节，不仅可以适应所有的色温，而且节省成本。但是由于通过电路的增益实现，会,加大噪声的影响从而降低信噪比,。相比之下，色温校正片能够减小增益的调整要求而达到正确的白平衡，因此效果更好。,3.,分光棱镜,分光棱镜由三或四块棱镜组成。作用是将进入镜头的光按照一定的光谱响应要求分解成红、绿、蓝三色的光图像，分别投射在三片,CCD,摄像器件上。,4.CCD,器件,CCD,器件将照射在其上的光图像变成电荷像。每个,CCD,单元对应一个像素，该像素积累的电荷量同光照强度、照射时间成正比。在驱动脉冲作用下，电荷像的像素电荷一行行、一场场地送到,CCD,外形成基色电视信号。,CCD,摄像机的每个像素积累电荷的时间为一场，如需要积累时间为一帧，有相应开关可以选择。广播级和专业级的摄像机都是,3-CCD,摄像机，分别对红、绿、蓝基色光像进行光电转换。,5.,寻像器,寻像器是摄像机拍摄图像时监看取景的监视器。现在除少部分是黑白,CRT,寻像器外，多数数字摄像机多是,彩色液晶监视器,。而且很多数字摄像机，除了寻像器外，在摄像机体侧还配有彩色液晶显示器，更便于监看画面，但分辨率低于寻像器。,彩色液晶寻像器,对于摄录一体机（,Camcoder,）而言，寻像器,不仅能显示拍摄时的画面，还能显示录像机重放时的图像,。在拍摄录制时为了检验是否录像机有信号录入，只需按住返送（,RET,）按键，寻像器就能显示经过录像机录放处理电路正在记录的图像信号（称为电电信号；相对于光电信号而言）。演播室使用摄像机时，播控中心可以通过,CCU,（摄像机控制单元）为摄像机供电并进行调控，摄像师按照导演要求进行拍摄，并能通过返送信号开关监看到,CCU,送出的图像。,此外，寻像器还用于,检查输出的图像质量和摄像机工作状态,，便于调整和操作。寻像器将来自于,CCU,的字符信息显示并与图像叠加在一起，用来指示工作、调整状态；同时，也可以显示摄像机自身的辅助信息，如图像中心位置指示符号“”和安全区边框；或是各种自动诊断状态信息，如照度低、记录时间、录像机结露、有无磁带、快门速度等。,6.,电源部分,演播室摄像机可直接用,220V,交流市电供电，而一般摄像机需用,12V,直流电源。摄像机内部再把外部供电的交、直流电源变换成所需要的各种直流电压。直流,12V,电压可以由所接电池，控制单元、录像机或是交流附加器提供。,7.,声音和信号系统,声音的处理系统包括：话筒输入接口，声音信号的放大和调节电路，声音信号输出接口，摄像机与控制单元的对讲系统以及录像机记录、重放的监听系统。,8,自动控制系统,摄像机的自动控制包括自动调整和自诊断两项功能。,自动调整,包括,:,自动白,/,黑平衡、自动光圈、自动聚焦、自动黑斑,/,白斑补偿、自动拐点、全自动拍摄和全自动调整等。不同摄像机的自动功能亦有所差别。,自诊断功能,包括：电池告警、磁带告警低亮度指示以及故障告警指示等。,黑平衡,:,也是摄像机的一个重要参数,它是指摄像机在拍摄黑色景物或者盖上镜头盖时,输出的,3,个基色电平应相等,使在监视器屏幕上重现出黑色。广播档摄像机都有黑平衡调整电路,但在电视监控系统中,一方面要求现示的图像尽可能清晰、明快，另一方面又考虑到黑平衡对人眼视觉的影响远不如白平衡对人眼视觉影响那样强烈,，因此电视监控用摄像机一般不设黑平衡调整电路,。,黑斑补偿,摄像机在无光进入（光圈关闭）时，因分子的热运动，硅衬底会有少量的电子,-,空穴对产生，使每个,CCD,单元出现少量的存储电荷，此时,CCD,输出的电流称为,暗电流,。由于,CCD,单元特性有差异，每个,CCD,单元存储的电荷不等量，所以暗电流的波形不平坦，导致画面黑色不均匀，这种现象称为,黑斑,。,黑斑补偿的作用,就是让无光照射时的黑色信号波形变平坦，使画面黑色均匀。,白斑,当摄像机在拍摄均匀的白色景物时，由于镜头的透射率在整个镜面上的不一致以及分光棱镜的色渐变现象，会引起图像不同位置得到的电平不相同，导致接收机重现的白色图像不均匀,这一现象称为白斑效应。白斑效应的轻重程度与图像的亮度成比例，因此，白斑也称为调制型黑斑。,拐点,实际上，摄像机的光电传输特性如图所示，,白切割电平,设定在,110%,（,PAL,）或,115%,（,NTSC,），本图中为,110%,，超过,110%,的信号电平在处理放大器中将被切掉。这就是说，景物亮度超过,110%,后，摄像机输出的信号电平不再随景物亮度增强而提高了，而是限定在,110%,的电平上，所以超过,110%,的景物亮度经拍摄后就失去了层次。,9,彩条信号发生器,摄像机内部设有彩条信号发生器，用以产生彩条三基色图像信号。彩条信号可以代替摄像信号送入编码器，供,录像时调节记录电平，调节不同摄像机之间的色度副载波相位，也可以调节监视器的亮度、色度和对比度,等。,回忆：彩条信号的亮度信号与色差信号波形是怎样？,彩条信号是彩色电视机经常使用的,一种测试信号，它在彩色电视机的荧,光屏上显示出八条等宽色调为白、黄、,青、绿、品、红、蓝、黑的竖条，它,的亮度递减顺序自左至右排列，它在,黑白电视机荧光屏上显示出八条灰度,等级不同的竖条。由于彩条有正确的,色调和饱和度，所以常作为检查和测,试彩色电视机的一种信号。,图（,b,）是三基色的信号波形，其中包含了亮度信号。,图（,c,）是彩条信号的亮度波形图，它是一个高度不等的阶梯电压，幅度从零到一共八个阶梯，所以它是一个含有直流分量的正极性信号。,图（,d,）是彩条的色差信号波形，是一个交流信号，由于,EG-Y,信号的幅度较小，在传输中易受干扰。,所以，为了提高传送信号的信噪比，现行的兼容性彩色电视制式都采用两个幅度较大的,ER-Y,和,EB-Y,传送色度信息。上面讨论的亮度信号和色度信号，对所有的兼容性三大彩色电视制式均适用。,10,同步信号发生器,同步信号发生器产生以下同步信号：,（,1,）形成彩色全电视信号所需的复合消隐脉冲、复合同步脉冲、色同步选通脉冲、,PAL,开关脉冲和色度副载波；,（,2,）行推动脉冲，是摄像机内部使用的纯行频脉冲，前沿同行同步一致，宽度大于行同步宽度；,（,3,）场推动脉冲，场频脉冲，前沿同场同步一致，宽度大于场同步宽度；,（,4,）,FLD,（奇,/,偶场控制）脉冲，用于,CCD,输出信号的奇,/,偶场控制。,同步信号发生器还具备锁相功能，本机能够接收外来的信号控制，,以达到本机的同步信号、色度副载波的频率和相位与外来信号的相同,，以便实现本机输出的视频信号与其它的视频信号进行特辑混合等处理。这种锁相功能称为,台从锁相,（,GENLOCK,）。,台主锁相,（,Slavelock,）由本系统中的同步信号去控制外来节目源的同步信号的锁相方式，称为台主锁相。,11,镜头、分光系统以及摄像器件的先天特性并不是我们期望的理想状态。因此，经过,CCD,光电变换产生的信号不仅微弱而且有很多缺陷，例如图像细节信号弱、黑色不均匀、彩色不自然等。这样，在视频信号处理放大器中,对图像信号进行必要的放大和补偿，以提高输出信号的质量,。该部分电路的设计和调节以及工作的稳定性对图像质量影响极大。,11.,视频信号处理放大器,对于摄像机，,CCD,输出信号的动态范围是标准视频信号动态范围的,6,倍，这样要求数字摄像机信号的量化比特数至少在,13.5bit,才能达到指标要求。但这样将使电路复杂，费用高，耗电增加。为了既保证图像质量又降低比特数，采取,先进行模拟预处理，再进行数字处理,的方式，这样使得,现在的数字录像机都采用,10bit,量化,。,因此，,CCD,输出的图像信号经过预放后，首先进入模拟处理部分，完成自动黑斑补偿、自动黑白平衡、杂散光校正、自动白斑补偿、增益控制,(,增益提升,),、,预校正（或称预弯曲）。接着，经上述模拟处理的视频信号送入模数变换器，变成,10bit,的数字信号后，进入数字处理部分，对数字化信号进行轮廓校正、彩色校正、,校正、白压缩、混消隐、白切割、色度孔阑、二维滤波,(,去除半行频奇数倍处的杂波和水平、垂直两个方向频谱混叠分量，减轻网纹干扰,),、数据检测,(,为各种自动调节检测误差数据,),等处理。,12.,编码器,处理放大器输出的模拟,R,、,G,、,B,信号经编码器形成彩色全电视信号（又称复合信号）输出，供给录像机、视频切换台和监视器使用，同时还可直接输出模拟分量信号（亮度信号,Y,、色差信号,R-Y,和,B-Y供给分量录像机或分量切换台使用。有的摄像机还能输出数字视频（,SDI,）信号，供给数字录像机或数字切换台。,13.,摄像机适配器,以上所述各部分装成一个整体，一般称为摄像机头，它可以直接与挂在上面的一个录像机连接，组成摄录一体机，用于新闻的拍摄。在演播室内，摄像机头要经电缆和控制机房的,CCU,连接，技术人员通过,CCU,对摄像机进行遥控。摄像机无论怎么连接，都必须通过摄像机适配器，,适配器是摄像机的外连接口部分,。,26,芯多芯电缆接口的摄像机适配器，能够传输全数字信号和控制信号，所传输的,SDI,信号中不含嵌入音频。,二、彩色电视摄像机的评价,评价彩色电视摄像机要从三个方面进行：技术规格、使用性能和稳定性。,技术规格,表明它的技术指标，直接影响输出图像信号的质量和允许使用的条件；,使用性能,是说明摄像机有哪些特点和功能；,稳定性,表示它的各项指标及设定的参数等随时间和环境的变化情况，它要靠实践来检验。,1,、技术规格,（,1,）摄像机器件数量、尺寸、种类和像素数。例如，“,3,片,2/3in FIT CCD,，像素数：,786,（水平）*,581,（垂直）”，表明摄像机器件数量为,3,片,CCD,，,CCD,尺寸为,2/3,英寸，种类为帧行间转移（,FIT,）,像素数为,786,（水平）*,581,（垂直）。,（,2,）光学系统：镜头的最大光圈数,F,数和分光系统结构，如F1.4,棱镜。,（,3,）光学滤色片：摄像机提供的光学滤色片有若干种。例如，提供,4,种滤色片：,3200K,，,5600K,，,5600K+1/16ND,，,5600K+1/64ND.,（,4,）灵敏度：摄像机的灵敏度指在,规定条件,：光源色温为,3200K,，景物照度为,2000lx,，拍摄反射系数为,89.9%,的白色（灰度卡）以及电路增益为,0dB,的标准情况下，摄像机达到额定输出电平为,0.7V,（峰峰值）的视频信号时所需的,光圈数,。例如，灵敏度为,F11/2000lx,，这说明该摄像机在以上条件下的光圈用,F11,。光圈,F,值越大（即进入的光通量越少），灵敏度越高。,补充：什么是光圈？,光圈是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面的光量的装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用,F,值。,光圈,F,值,=,镜头的焦距,/,镜头口径的直径从以上的公式可知要达到相同的光圈,F,值，长焦距镜头的口径要比短焦距镜头的口径大。完整的光圈值系列如下,:F1,，,F1.4,，,F2,，,F2.8,，,F4,，,F5.6,，,F8,，,F11,，,F16,，,F22,，,F32,，,F44,，,F64,。,光圈,F,值愈小,，在同一单位时间内的,进光量便愈多,，而且上一级的进光量刚是下一级的两倍，例如光圈从,F8,调整到,F5.6,，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。对于消费型数码相机而言，光圈,F,值常常介于,F2.8 F16,，许多数码相机在调整光圈时，可以做,1/3,级的调整。,（,5,）最低照度：指最低可拍摄景物照度。即摄像机处在,最大增益、最大光圈,时，仍能输出,0.7V,（峰峰值）图像信号电平的最低照度，而此时的信噪比已降到最低限度。一般来说，摄像机的灵敏度越高，最低照度越小。实际上在最低照度环境下拍摄的画面其噪波很大、景深浅，没有实际使用价值，但最低照度在一定程度上能表示摄像机对低照度环境的适应能力，所以它也作为彩色摄像机的一个技术指标写在说明书上。,（,6,）信噪比（,S/N,）：摄像机在标准工作状态，即在标准照度（,2000lx,，反射系数为,89.9%,），轮廓校正和伽马校正都不加的情况下，亮度信号,Y,的峰峰值（,0.7V,）与杂波有效值之比，用分贝表示为“,20lg,（,Y,的峰峰值,/,杂波有效值）”，称为信噪比。例如：,67dB(NTSC)/65dB(PAL),。,关于轮廓校正和,校正,轮廓校正：对水平孔阑失真（一种图像细节模糊的失真）和垂直孔阑失真进行校正，其原理是提取图像信号在水平和垂直方向上的边沿信号，称为细节（,DTL,）信号，然后将细节信号同时叠加到三个基色信号上，以增强细节，起到提升高频的效果。,校正电路主要是对显像管电,-,光转换特性的非线性进行预校正。,（,7,）水平分解力：摄像机在图像水平方向上所能分解细节能力称为水平分解力。有两种表示方法：,一种方法是采用电视线（,TVL,），如“,700,线”，表明在黑白图像中心不等的水平分解力为,700,电视线（,TVL,），即表示在图像上从左到右总共可以显示,700,条宽度相等、黑白相间的垂直条纹，但此时信号的幅度与,0.7V,（峰峰值）相比只有,10%,，给的是极限分解力，只有在精密的黑白监视器上才能分辨出如此水平分解力的黑白相间的条纹。,另一种表示方法：采用信号频率为,5MHz,时的调制度，不同频率的信号幅度与,0.5MHz,信号幅度之比的百分数为该频率的,调制度,。水平分解力规定用,5MHz,信号的调制度来表示，,调制度越大，水平分解力越高,。,（,8,）几何失真：显示图像与原始图像的几何偏差。用两者最大几何偏差与图像高度之比来表示（百分数）。在,CCD,摄像机中引起几何失真的主要原因是镜头，若去掉镜头的影响，几何失真是测量不出来的。,（,9,）重合误差：在重现的图像上，,R,、,G,、,B,三个基色图像在几何位置上的最大偏离距离与图像高度之比（百分数）。,CCD,摄像机拍摄的,3,个基色图像在几何位置上是否能够重合一致，决定于三片,CCD,的安装精度。现在，整个相面上重合误差都可小于,0.05%,。,（,10,）垂直拖道：当拍摄的图像出现高亮点时，重现画面会在高亮点的下方出现一条垂直的亮道，称为垂直亮带。如果垂直亮带低于,120dB,，几乎就无法察觉了。,2,、使用性能,彩色电视摄像机按不同用途分为：广播级、专业级、家用级。,广播级摄像机应用于广播电视领域，要求其图像质量极好，灵敏度高，清晰度高，信杂比高，稳定性高，彩色还原好，并且在各种条件下都能得到满意的图像。广播级摄像机包括,ESP,（电视演播制作）、,EFP,（电视现场制作）、,ENG,（电子新闻采访）用的高质量摄像机。但此类摄像机一般体积大、重量重、价格昂贵。,专业机摄像机用于,ENG,、教育、科技等方面，大都是便捷式，设备上可以没有广播级所需的一些特殊功能设计（如光学滤波器）。技术指标高者可接近广播级标准，低者比广播级稍差一些；一般情况拍摄的图像质量低于广播级，但其体积较小，重量较轻，价格较低廉。,家用级摄像机目的就是为了家庭文化娱乐用，其操作人员往往没有经过专业培训，因此要求结构简单，操作简便，而图像质量水平只要能与家用录像机、电视机相配合，满足一般的观看即可。,对灵敏度要求很高，以使摄像机有更广泛的使用领域。摄像机的自动控制功能很强，以便非专业人员无需手动控制，就能使各项主要参数自动达到最佳状态。此类机也往往带有一些简单特技功能，如淡变、定格、叠化、划变等。一般价格便宜，结构小型，以利于设备的推广、普及。家用级摄像机为了降低成本，相当一部分只使用一片,CCD,，称为单片,CCD,摄像机。单片,CCD,彩色摄像机无需分光棱镜，但需在,CCD,片的表面镀上点阵式光学滤色器，使一片,CCD,芯片能产生出,R,、,G,、,B,三个基色信号。,为了提高输出图像信号的质量，家用摄像机也有采用三片,CCD,的。无论是使用单片或三片,CCD,，家用摄像机都具有电路简单、体积小、重量轻、价格低的特点，其图像质量明显低于专业级摄像机。,为了使用方便，目前生产的专业级和家用摄像机多数都和磁带录像机或光盘录像机、硬盘录像机、半导体存储器组合在一起构成一体化摄录机。,3,、稳定性,彩色电视摄像机按电视节目制作方式可分为,ESP,、,EFP,、,ENG,用摄像机。,（,1,）,ESP,用,要求图像质量最好，通常非常笨重，需要一些机架或一些其他类型的摄像机底座设备来支撑，不方便随意挪动。高质量的,ESP,摄像机包含,3,个,CCD,和许多电子控制装置，装配有一个大的镜头和一个大的取景器，因此整个摄像机头比一般的便携式摄像机重很多。它们往往需要用电缆把摄像机头和摄像机控制器,CCD,、同步信号发生器、电源等一系列制作高质量的图像所必需的设备相连接。,（,2,）,EFP,用,往往是便携式的。摄像机中包括了摄像机系列的所有部件。它可以采用电池供电，也可以采用交流电源供电。,EFP,摄像机质量与,ESP,相似，但体积更小，可以满足制作现场节目需要。,（,3,）,ENG,用,一般也为便携式，而且多是摄录一体机。,ENG,用摄像机工作于复杂多变的环境中，因此要求其体积小，重量轻，便于携带，对非标准的照明情况有良好适应性，在恶劣的气候条件下有良好的工作稳定性，自动化程度高，在实际操作中调整方便。,都在向高质量化、固体化、小型化、数字化、高清晰度化等方向发展，它们制作的电视图像质量的差别也越来越不明显。,三、,彩色电视摄像机的光学系统,摄像机光学系统由变焦距镜头组、滤色器和分光系统三部分组成。本章着重讲述光学系统涉及到的一些重要的原理。,1,变焦距镜头,变焦距镜头焦距可调，能连续改变像的大小，调整拍摄空间范围而不必移动摄像机。变焦距镜头以旋入方式或卡口方式安装到摄像机上，大约由,20,片左右的镜头组成，一般分为五组，,（,1,）调焦组：使一定距离的拍摄物清晰地成像在摄像器件的光敏面上；,（,2,）变焦组：前后移动，可以改变镜头的焦距，即变化像地放大率。现在常用变焦距镜头的变焦比约为,6,45,倍；,（,3,）补偿组：变焦时，为保证成像面位置不变，始终得到清晰图像，补偿组与变焦组按同样规律移动；,（,4,）光圈：孔径大小可调的薄片装置，用以控制通过镜头的进光量；,（,5,）固定组：将镜头的成像面后移一段距离，以便在镜头和摄像器件的光敏面之间安装分光系统。有些固定组内还安装倍率镜，以增大成像的放大率。例如，,2,倍的倍率镜能使焦距的变化范围从,10mm,100mm,扩展到,20mm,200mm,，但会引入额外的几何失真和光通量损失。,2,变焦距镜头特性,变焦距镜头具有以下性能，我们一般据此来评价和选用变焦镜头：,（,1,）变焦比：当镜头聚焦在无限远时，从镜头的光学中心到焦点的距离称为焦距，最长焦距和最短焦距之比称为变焦比。现代摄像机的变焦镜距镜头的变焦比约为,6,45,。通过调整镜头的焦距，拍摄画面的焦点应当处在,CCD,的光敏面上。通常变焦距镜头由一系列独立镜头组成，因此产生的是一个虚焦点，称为主点（,principal point,）。,（,2,）定位截距（,Flange,Back,）,/,后截距,(Back Focal Length),：,定位截距,指摄像机镜头定位面（最后一片透镜环面即凸镜边缘外侧表面）到,CCD,光敏面的距离。镜头最后一片透镜的表面到摄像器件光敏面的距离叫做,后截距,。这两个距离都描述了摄像机最后一块透镜到像面的距离，作为参数指标而言，前者比后者更常用。定位截距要比后截距稍大。,（,3,）成像尺寸：成像尺寸对应于摄像器件,CCD,的成像面积，以英寸（,inch,）为单位。而摄像器件的成像面积又常用其对角线长度来表示,常用成像尺寸：,（,4,）视场角（,Angle of View,）：透过镜头成像的最大景像范围在镜头处的张角,在焦距,f,对应的垂直方向,角范围内的景物都可以成像在成像面内，,角以外的光线不能进入镜头。图中，,角即为垂直方向上的视场角，大小可用如下公式：,式中，,f,为焦距H,为像面高，,为垂直视场角。,上式说明，当成像面大小（,H,）固定时，焦距越短，视场角越大；当镜头焦距,f,相同时，则成像面大的镜头，视场角大。因此，短焦距镜头称为,广角镜头,（视场角应大于,50,），而长焦距镜头的视场角小，像的放大率大，称为,望远镜头,。镜头为获得要相同的视场角，会因,CCD,的尺寸不同,如,2/3-inch,和,1/2-inch,而需要不同的焦距。,（,5,）光圈数（,F,Number,）：镜头的光圈是一个由许多互相重叠的金属片组成的、开度可调的类似圆形的光阑，模拟人眼的虹膜，能够在较大范围内变化有效孔径，以控制进入镜头的光通量。,（,6,）景深：对焦于某一物体时，在该物体,前后,的一段距离内的景物也会清晰，这段距离就是景深。景深受下面三个因素影响：,1,）光圈,F,数越大，景深越深；,2,）焦距,f,越大，景深越浅；,3,）摄像机距离拍摄物体的距离越远，景深越深。,（,7,）分辨率与调制传递函数（,MTF,：,Modulation Transfer Function,）：分辨率表示镜头分辨图像细节的能力，通常用单位毫米内分辨出的黑白线对的数目表示，单位为线对,/mm,，也是空间频率的单位。镜头的分辨率可以直接观看测试卡来测量。但严格要求时，应该用调制传递函数,MTF,来表示。测量时拍摄疏密不同、黑白相间的垂直条纹图像，测出单位毫米内分辨出的黑白线对的数目与这些线对的黑白线条亮度变化（对比度调制度）的关系，叫做镜头的,MTF,。,MTF,的值在,0,100,之间，无单位。,显然，就某一空间频率时，,MTF,值越高，镜头的对比度重现能力越强，分辨率也越高。当选择电视摄像机镜头时，镜头的中低空间频率的,MTF,的特性与最高分解率的性能同样重要。这是因为,中低频率区域,是视频信号使用的主要频率范围，应当有非常高的,MTF,值（接近,100,），否则不会有高对比度的画面。,镜头,B,在空间频率范围大于镜头,A,，并且其高频范围有更高的,MTF,值，即此时比镜头,A,有更高的图像解析质量。但从,0,点到,X,点对应的空间频率范围内，镜头,A,却比镜头,B,有更高的图像解析质量。这一点对绝大多数摄像机的实际应用而言更为重要。当我们选择摄像机镜头时，必须仔细考虑好镜头最高分辨率和,MTF,曲线这两个因素，我们通常会选择镜头,A,，而不是镜头,B,。,（,8,）中性（,ND,：,Neutral Density,）滤光片：中性滤光片是一种减光的灰色玻璃片，对各种波长具有相同的透光率。中性滤光片装在称为中性滤光盘的圆盘上，一般分为,3,4,档，滤光盘装在分光棱镜前。对于家用摄像机和照相机而言，一般是选择合适的滤光片装在镜头前。使用中性滤光片的目的一般有两种原因：一是光源太强，一昧地减小光圈会使光圈跟踪不稳定，使用中性滤光片减少成像面的光量而光圈仍可在适当范围内工作；二是艺术上的需要，拍摄小景深图像时，需加大光圈，为避免因此造成图像进光量太大，而使用中性滤光片降低透光量。,四、,CCD,摄像器件,摄像器件是决定电视系统性能优劣的关键器件，目前所有电视摄像机的摄像器件都采用电荷耦合器件,(CCD:Charge Coupled Device),。,CCD,器件是基于半导体集成电路技术的固体摄像器件，属于,MOS,（金属,-,氧化物,-,半导体）结构。,1.CCD,摄像器件的构造和工作原理,CCD,摄像器件是,金属,-,氧化物,-,半导体（,MOS,）结构的有序排列,。具体说，就是以具有光敏特性的,P,型（或,N,型）,半导体硅为衬底,，在其上面生长一层约,100nm,的,SiO2,绝缘层,，再在绝缘层上按一定排列方式沉积一组（几十万个）,金属铝电极,。每个金属电极（称为栅极）部分为一个,CCD,单元,当栅极加正电压时（衬底接地），其下面半导体内的多数载流子（空穴）被排挤，而少数载流子（电子）集中在界面，在界面下形成一个无多数载流子空穴的带负电区域，该区域称为耗尽层。栅极电压越高，空穴排挤的越远，界面集中的电子越多，耗尽层越深。耗尽层达到一定的深度，便形成了一个可吸收电子的势阱（即电子在这里的势能最小），称为,电子势阱,。电子势阱可以存储外来的电子电荷，比如当,光照射,到具有光敏效应的半导体衬底时，衬底产生电子,-,空穴对，空穴被排挤电子注入电子势阱，形成一个,电荷包,。,栅极电压越高，势阱越深，可存储的电子电荷越多，但势阱内电子电荷的多少（即电荷包的大小）只与外来光的强度及照射时间有关。,CCD,摄像器件的感光面上有几十万个电极，即有几十万个势阱（像素）。当景物成像到感光面时，每个像素对应的,衬底,在光激发下，出现和光强度成正比的电子,-,空穴对，多数载流子空穴被排挤走，少数载流子电子注入势阱，形成电荷包，实现,光电转换,，得到有几十万个电荷包组成的,电图像,。,读出电子势阱中电荷所需的时间很短（约,1s,），,一帧或一场,读一次，在,40ms,或,20ms,期间，电荷包一直在积累电荷，有利于提高灵敏度。,光的照射方法有两种：正面入射（从电极面入射）和背面入射（从衬底面入射），背面入射的光效率高于正面入射。,信号输出,采用,转移电荷包,的方法。为了转移电荷包需要增加用于转移的电极，在转移电荷时通过加深转移电极的势阱深度，使电荷向相邻的转移电极转移。,在电荷积累期间，积累电荷电极,2,为高电位，转移用电极,1,为零电位，电荷储存在电极,2,下面；在电荷转移期间，如（,b,），,电极,2,的电位逐渐下降到零，而电极,1,的电位逐渐上升到高电位，电极,2,下存储的电荷全部转移到电极,1,的下面,。这就是电荷转移的基本原理。,2.,场积累和帧积累,无论,NTSC,制还是,PAL,制，都是隔行扫描。一场的时间里，显示器件只扫描有效行数,的一半。这意味着,CCD,每一场只需输出垂直采样点的一半。而,CCD,有,两种电荷积累的输出模式,：帧积累和场积累。,在帧积累方式中，每个感光单元的电荷在输出之前有一帧的积累时间（,PAL,制为,40ms,）。,奇数场时只有奇数行感光单元的电荷转移出去形成奇数场信号，偶数场时只有偶数行感光单元的电荷转移出去形成偶数场信号,。这种方式能够提供较高的垂直分辨率，但是由于电荷积累时间过长，在拍摄活动图像时会变模糊（惰性增大），适合于拍摄静止图像。,而场积累方式，可以解决帧积累出现的上述问题。场积累方式将垂直方向,相邻两行的单元在一场时间内积累的电荷合并输出,，即每相邻的一对像素电荷合并作为隔行扫描输出的一个像素电荷，这样能够解决拍摄活动图像的模糊问题，但由于是相邻两行的电荷进行合并，结果使垂直分解力下降。,不过，在帧积累的基础上配合,1/50,秒（,20ms,）的,电子快门,，就能解决惰性问题。而场积累不需电子快门配合就能减小惰性，提高活动图像的清晰度，是目前普遍采用方式。,3.CCD,摄像器件的主要类型,目前,CCD,摄像机中采用的,CCD,摄像器件主要有三种类型：行间转移式（,IT,）,CCD,、帧转移式（,FT,）,CCD,和帧行间转移式（,FIT,）,CCD,。,（,1,）行间转移式,CCD,每一列感光单元的右侧有遮光的,垂直移位寄存器,，最后一行下面有遮光的水平移位寄存器,。由于成像在,CCD,感光面上的光学图像和实际景物是颠倒的，所以第,1,行在最下面，而且每一行的起始在右边。,工作过程如下：以,场积累,为例，在场正程，每个感光单元积累光电荷，形成电荷包；场消隐期间，用,1s,时间将电荷包转移到垂直移位寄存器；同时，在场正程的每个行消隐期间，每个垂直移位寄存器受时钟脉冲驱动，完成将上下每两个电荷包相加后，逐行移入水平移位寄存器。在行正程期间，水平移位寄存器在时钟脉冲控制下输出一行的图像信号。,对于,CCD,摄像器件，如果景物的局部有过亮的地方，那么过亮部分的感光单元将装不下强光激发的全部电子，剩余的电子会注入到附近的势阱，造成亮区向周围扩散的所谓“开花”现象。为了防止“开花”，,CCD,摄像器件都在每个感光单元的衬底上设置“,溢出漏,”，用来吸收势阱中溢出的电子。同样道理，有了“溢出漏”，如果景物中有过亮的部分在移动，也就不会出现“拖彗尾”现象了。,行间转移式,CCD,的最大优点是结构简单。缺点有：灵敏度低，因感光面积只有总面积的,35%,左右；垂直拖道，因电荷包从垂直移位寄存器向水平移位寄存器转移期间，倾斜光线从遮光的垂直移位寄存器两侧漏进垂直移位寄存器内造成的电荷积累，这期间的电荷积累会叠加到逐行下移的同列的各电荷包内。而由于行间转移式,CCD,从垂直移位寄存器转移出全部电荷包需要近一场时间（,19ms,左右），时间长，积累的电荷多，,垂直拖道,必然严重。,（,2,）帧转移式,CCD,基本结构分三部分：成像部分（感光部分）、存储部分（遮光）、读出寄存器（水平移位寄存器，遮光），,三部分在同一硅片上,。工作原理是在场正程期间，成像部分进行电荷积累，每个像素形成电荷包；场消隐期间，成像部分的电荷包迅速（,0.5ms,以内）全部向下移入存储部分。存储部分和行间转移,CCD,的垂直移位寄存器相同，在场正程的每个行消隐期间逐行转移到读出移位寄存器。读出寄存器的读出也和行间转移相同，在行正程输出一行的信号。,帧转移式,CCD,的优点是成像部分电极结构简单；感光面光的利用率高；感光单元密，分解力高。缺点是器件总面积大；而且要增设机械快门才能防止出现,垂直拖道,。所谓,机械快门,就是在场消隐期间从成像部分向存储部分转移电荷包时，用转动的叶片挡住进入成像部分的光。否则，虽然从成像部分转移出电荷包的时间短，但由于没有遮光，垂直拖道是相当严重的。由于帧转移式,CCD,要有机械快门，故整体机构比较复杂，但没有垂直拖道的问题了。,（,3,）帧行间转移式,CCD,是行间转移和帧转移的结合。上部结构和行间转移式相同，下部遮光的存储部分和水平移位寄存器与帧转移式相同。,在场消隐期间，感光单元的电荷包瞬间（,1s,）转移到垂直移位寄存器，然后又很快地（,0.5ms,以内）转移到存储部分。在场正程，成像部分象,IT CCD,一样重新积累电荷，存储部分又和,FT CCD,一样一行一行地输出图像信号。,由于垂直移位寄存器是遮光的，所以和,IT CCD,一样勿需机械快门，另外，又由于,FIT CCD,的电荷包从垂直移位寄存器转移出去的时间远短于,IT CCD,（,IT,是在场正程一行一行慢慢地转移到水平移位寄存器，约需,19ms,，而,FIT,是在场消隐期间迅速转移到存储部分）所以垂直拖道比,IT CCD,小得多。,在以上三种类型的,CCD,摄像器件中，帧行间转移式,CCD,的性能最佳。,4.CCD,的特性,（,1,）分解力,由于,CCD,摄像器件上的感光单元是离散分布的，所以光学图像沿垂直和水平方向都是按取样方式进行传输。根据取样定理，当光学图像上包含有极精细的细节，比如水平方向黑白相间条纹的密度大于感光单元的密度（相当于取样信号频率低于被取样信号频率,2,倍）时，必然会产生混叠干扰，使图像上出现低频干扰条纹。另外，感光单元尺寸（相当于取样脉冲的宽度）过大还会影响高频的幅度。因此,感光单元的尺寸、密度以及数量,都是决定,CCD,分解力的主要因素。,为提高,CCD,的水平分解力，一般采取了以下三个措施：,增加光敏单元数量，提高对光学图像的取样频率；,在,CCD,分光系统前，加入光学低通滤波器，降低,CCD,上光学图像的频带宽度，避免出现光干涉效应（,Moire,Pattern,），即频谱混叠的出现；,采用空间偏置技术提高亮度水平分解力。,空间偏置技术是将三个,CCD,片安装到分光棱镜的三个像面上时，让,G,路,CCD,与,R,、,B,路,CCD,在水平方向上错开半个像素距离。这样，亮度信号一行上的采样点就变为原来的两倍，提高了分辨力,（,2,）灵敏度,光通量为,1,流明、色温为,3200K,的白光投射到,CCD,上所产生的电流定为,CCD,的灵敏度。,CCD,的灵敏度与以下因素有关：,开口率，即感光单元面积与一个像素总面积之比。开口率对灵敏度影响很大，开口率越大，灵敏度越高。开口率大小与,CCD,类型有关，,FT,式,CCD,开口率最大。,感光单元电极形式和材料对进入,CCD,内的光量也有较大影响，例如多晶硅