电视第3章摄像与录像

第3章摄像与录像摄像机是一种把景物光像转变为电信号的装置，是制作电视节目最前端的设备。自从1931年第一支摄像管问世以来，摄像机的技术和应用发展迅速。随着摄像机的日益数字化、一体化、小型化、普及化，现在进入千家万户和人们的日常生活当中，已成为人们娱乐、宣传、生产、教育、科研的得力工具。本章内容侧重监视电视，主要介绍摄像机和录像机的基本工作原理以及与摄像机相关的摄像机控制设备的工作原理。目录第一节彩色摄像机的基本原理第二节摄像机的附属设备第三节录像机的基本工作原理第四节摄录像信号的传输第五节视频监控系统的日常维护与保养第一节彩色摄像机的基本原理摄像机的种类很多，按成像色彩可分为黑白摄像机、彩色摄像机；彩色摄像机按光电转换器件的种类可分为光电导式摄像机和电荷耦合器件（CCD）式彩色摄像机；按彩色电视制式分为NTSC制彩色摄像机、PAL制彩色摄像机和SECAM制彩色摄像机；按用途分为监控用摄像机、专业用摄像机、广播用摄像机和家用摄像机等等。虽然摄像机的种类很多，但其基本结构和工作原理是相似的。一、光学部分光学部分是彩色摄像机的重要组成部分。光学部分就好比人眼睛的晶状体，它的主要作用是使景物在光电转换器件上成像完好。它由镜头、色温校正滤光片等组成。目前，广播用彩色摄像机、采访机、家用摄像机和大部分的彩色，监控机都采用变焦距镜头。变焦距镜头可以实现在保持成像清晰的条件下，拉近或推远景物。在监控场合，场景推远可实现广视野浏览，场景拉近可近距离重点观察。（一）镜头的基本工作原理

（一）镜头的基本工作原理

（一）镜头的基本工作原理视场角：在物距和靶面尺寸一定的情况下，焦距越长，则放大倍数越大，场景内容越小，即视场角越小；焦距越短，K越小，场景内容越多，即视场角越大。视场角用α表示：α=tg-1H/(2f)（3-5）式中H为靶面成像的水平尺寸时α为水平视场角；H为垂直尺寸时α为垂直视场角。

广角镜头焦距较短，适合摄取全景；长焦距镜头适合拍摄特写镜头。摄像机的靶面（或CCD器件）位于镜头的焦平面上。（二）三可调镜头指光圈可调、焦距可调、聚焦程度可调的镜头。三可调镜头按操作方式分为手动调节方式和电动调节方式。手动调节方式主要用于一些要求不高的场合，而广播用摄像机、采访机和一些监控摄像机均采用电动三可调镜头。三可调镜头光学结构如下页图所示。（二）三可调镜头调焦组变焦组补偿组光圈后固定组滤光镜分光系统图3-1三可调镜头的结构和光路原理BCD光圈用于调节进光量。后固定组我其他光圈配合，使成像位置固定在D点（分光镜或CCD器件），调节调焦组使焦点B、C重合，这时D点的图像最清晰。（三）镜头的技术特性1.有效视场角2.镜头的透光率和光谱特性镜头的透光率指射出光的强度Io与射入光的强度Ii之比，用μ表示：μ=Io/Ii（3-6）光谱特性指镜头对不同波长光的透光率。350450550650750(波长μm)透光率(%)10020406080图3-2三可调镜头的光谱特性（三）镜头的技术特性3.镜头的分辨率镜头的分辨率是表示分辨图像细节的能力，通常用单位长度上能分辨出的黑白相间线条的数目来表示。镜头的分辨率与镜头工作时所用的光圈的大小有关。大的光圈指数（小光圈时）能得到较高的分辨率。摄像管靶面尺寸较小时，在单位面积上要求成像的黑白线条数就越多，对镜头分辨率的要求也相应的提高。所以，为提高成像的清晰度，应尽可能提高摄像管靶面的有效利用面积。（三）镜头的技术特性3.镜头的分辨率镜头分辨率的大小还与照明条件及背景光的亮度有关，与物体在镜头上成像位置有关，越靠近光轴则镜头的分辨率越高，越靠近镜头的边缘，镜头的分辨率越低。（三）镜头的技术特性4.成像亮度的均匀性当光投射到镜头上时，不同部位光的入射角不同，光的反射与透过率也不同。通常镜头中心处透光率最高，边缘处透光率最低。于是，像场中间部位亮度大，越往边缘亮度逐渐变低，造成像场内亮度不均匀。这种不均匀性，造成电视图像亮度畸变。表现为荧光屏上四周出现阴影。这种现象在大光圈、长焦距时更为明显，所以应尽量避免大光圈、长焦距同时使用。（三）镜头的技术特性5.成像的几何畸变镜头的几何成像失真多种多样，其中主要有桶形失真和枕形失真。随着焦距的不同，失真情况也不同。由下图可见：焦距短时易产生桶形失真；焦距长时易产生枕形失真；而在中短焦距时有一最小失真点。图3-3三可调镜头的几何失真情况0-1.01.02.050100150200枕形桶形（四）分光系统在三管式或三片式（CCD）彩色摄像机中，分光系统的作用是把摄取的景物光束，分解成对应景物的红、绿、蓝三种单色光束，并使其成像于各自对应的摄像管靶面上。目前，常用的有平面分光系统和分色棱镜分光系统两大类。后者，光路短，效率高，结构紧凑，在三管式和三片式彩色摄像机中得到广泛应用。二者的光路原理图见下页。（四）分光系统B摄像管R摄像管G摄像管M1MRMBM2SGSBSR图3-4平面分光系统R摄像管B摄像管G摄像管图3-5棱镜分光系统二、图像的摄取目前，根据摄像器件的工作原理可分为光电导摄像管式和半导体电耦合式（CCD）两大类。3-6，3-7。二、图像的摄取图3-6光电导摄像管的结构二、图像的摄取图3-7光敏靶的结构二、图像的摄取二、图像的摄取二、图像的摄取三、摄像机的工作原理以CCD摄像机为例了解摄像机的基本原理

1.黑白CCD摄像机下图是黑白CCD摄像机的方框图。

CDS是相关双取样电路（CorrelatedDoubleSampling），CCD传感器的每个像素的输出波形只在一部分时间内是图像信号，其余时间内是复位电平和干扰。为了取出图像信号并消除干扰，要采用取样保持电路。每个像素信号被取样后，由一电容把信号保持下来，直到取样下一个像素信号。

驱动脉冲产生电路产生CCD传感器所需的垂直CCD移位寄存器多相时钟驱动信号，水平CCD读出寄存器多相时钟驱动信号等各种脉冲信号和视频通道所需的箝位和取样。

脉冲同步信号产生电路产生行推动、场推动、复合消隐、复合同步等各种电视信号脉冲。

信号放大处理电路包括AGC放大、γ校正、白电平限幅、黑电平箝位等电路。

叠加电路将经过处理的视频信号与复合同步、复合消隐信号叠加成全电视信号。

输出驱动电路则将全电视信号进行驱动，适配75Ω电缆。除上述电路外，黑白摄像机还可能会有自动光圈接口电路、电源同步接口电路、外同步接口电路、亮度控制电路等附加电路。2.三片式彩色CCD摄像机广播电视中常用的是三片式彩色CCD摄像机，下图是三片式彩色CCD数字摄像机的方框图。3.单片彩色CCD摄像机用一个CCD传感器产生R、G、B三种颜色的信号，必须用滤色器将光进行分色。二、镜头几种常用镜头：

(a)针孔镜头；(b)定焦镜头；(c)手动2倍变焦镜头；

(d)自动光圈镜头；(e)10倍变焦镜头透镜

(a)三类凸透镜；(b)三类凹透镜变焦镜头示意图成像光路图几个概念：焦距：由物方射入一束平行且接近光轴的光，经过镜头的多组透镜，出射光线交于光轴F点，称为焦点。焦点到镜头中心的距离是焦距。光阑：在镜头中设置一些带孔的金属薄片来限制能进入镜头成像的光束，称为光阑。视场角：物方空间可以被镜头清晰成像的范围称为镜头的视场，视场的水平或垂直方向夹角为视场角。分辨率：镜头分辨图像细节的能力，分辨黑白相间线条的能力。透光率：通过透镜射出光的强度与入射光的强度之比。景深：能在基准像面上获得清晰像的物空间深度称作系统的景深。镜头种类1.固定光圈定焦镜头2.手动光圈定焦镜头3.自动光圈定焦镜头4.手动变焦镜头5.自动光圈电动变焦镜头6.电动三可变镜头三、成像过程

光电导摄像管型摄像机成像过程前面介绍过，下面学习CCD器件式摄像机成像原理。

CCD是一种电荷转移式固体摄像器件，其每个感光单元称为像素，受光照后，每个像素会产生由感光程度决定的不同电荷，CCD器件首先把各单元上产生的电荷转移到存贮区，然后再通过移位寄存器把它们逐一地读取出来，这样就得到了一行一行的视频图象信号。简单地说，CCD摄像器件具有光电转换、电荷存贮和转移输出的三大功能。CCD，英文全称：Charge-coupledDevice，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

电荷存贮:如果在氧化物表面制作一个透明电极，加上如图（b）所示的电压，则该电压形成的电场将穿过氧化层，在电极所对应的下方形成一个电荷耗尽区，也就是说在SiO2与P型硅的界面上形成了一个可以存贮电荷区域，我们称其为势阱。光照产生的电荷就留在阱内，所加电势越大，势阱就越深，阱内的电荷就越多，这就是CCD存贮电荷的作用。

光电转换:如上页图，在P型单晶硅片上形成一层很薄的绝缘氧化物层（SiO2），当景物的光照射到氧化物层表面时，就在氧化物层与P型硅之间产生电荷，其电荷量与照射该点的光强度成正比，这就是CCD的光电转换作用。

电荷转移:势阱的深浅由电极上偏压的大小决定，电荷在势阱内可以流动，势阱内电荷总是从浅阱处向深阱处流动，这种电荷流动称为电荷转移。如图所示。如果有规律地改变电极电压，则势阱内的电荷就可以按人为确定的方向转移，并且最终由输出端输出，这就是CCD电荷转移的基本原理。成像过程分析

CCD器件按信号电荷的传输方式分为帧转移型（FT）、行间转移型（IT）以及帧——行间转移型（FIT）等摄像器件。

1、帧转移型（FT）：该类型器件由成像部分、存储部分和读出寄存器三部分组成，其中成像部分是受光照区，产生光电荷；存储部分只用来存储待转移的光电荷，不能感光，因此存储部分和读出移位寄存器都用遮光材料遮盖起来。存储区的像素和成像区像素数是对应的，因此存储区与成像区是有一样的面积。分辨力灵敏度高、面积大、垂直拖尾。

2、行间转移型（IT）：行间转移型的原理结构如图所示。在CCD芯片上，感光部分和覆盖有不透明金属层的存储部分作水平相间排列，成对紧紧地靠在一起。上部是水平移位寄存器。（见教材）结构简单、面积小、光利用率小。3、帧——行间转移型（FIT）：这种方式是前面两种方式的组合运用，即在行间转移型结构的基础上增加了场存储区，使其又具有了帧转移型的结构特点，如图所示。CMOS

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件。是组成CMOS数字集成电路的基本单元。

CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件（常见的有TTL和CMOS），尤其是片幅规格较大的单反数码相机。虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模-数转换器（ADC）将获得的影像讯号转变为数字信号输出。

CCD与CMOS的区别

如下图所示，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。

CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo)；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品.第二节摄像机的附属设备一、防护罩1．室内用防护罩：室内用防护罩，其结构简单，价格便宜，主要功能是防止摄像机落灰并有一定的安全防护作用，如防盗、防破坏等。2．室外用防护罩：室外用防护罩，一般为全天候防护罩，即无论刮风、下雨、下雪、高温、低温等恶劣情况，都能使安装在防护罩内的摄像机正常工作。因而，这种防护罩具有降温、加温、防雨、防雪等功能。同时，为了在雨、雪天气仍能使摄像机正常摄取图像，一般在全天候防护罩的玻璃窗前安装有可控制的雨刷。

3.特殊用途防护罩：有时，摄像机必须安装在高度恶劣的环境下，不仅要像通用室外防护罩一样具有高度密封、耐高寒、耐酷热、抗风沙、防雨雪等特点，还要防砸、抗冲击、防腐蚀，甚至需要在易爆环境下使用，因此必须使用具有高安全度的特殊防护罩。

(1)高安全度防护罩：这种防护罩一般也称作铠装防护罩，这种防护罩适合安装在监狱或其它容易遭到破坏的场所，是由0.134英寸厚的10号焊接钢制成，窗口材料为1/2英寸厚、经过抗磨损处理的聚碳酸酯。防护罩可经受铁锤、石块或某些枪弹的冲击而不会遭到洞穿或开裂。机壳以大号机械锁封闭，不宜被拆开。

(2)高防尘防护罩：高防尘防护罩与通用防护罩类似，不同的是这种防护罩与外界完全隔绝，可以在多沙和多灰尘的环境使用，如果使用不锈钢材料还可以用于腐蚀性的环境中。视窗材料是回火玻璃，可提供最大的安全性、耐腐蚀和耐磨损性。为避免罩内温度过高，常配有遮阳罩和风扇，也可以通过经过过滤的外部压缩空气源来维持罩内温度。

(3)防爆防护罩：防爆防护罩与防爆云台的防爆要求相同，也必须符合防爆和防粉尘爆炸电器设备的安全规定。所用材料与云台相同，通常为厚壁全铝结构或不锈钢结构。防爆防护罩的直径一般为6”、8”、10”等，引入线借口都配有防爆密封件。

(4)高温防护罩：高温防护罩是指摄像机应用在大于40℃，靠自然对流和辐射换热不能达到正常工作温度的环境时，保护摄像机、镜头正常工作的防护罩。对于高温环境，防护罩应采取特殊的冷却降温手段。常见的冷却系统有风冷系统、水冷系统，还有涡旋致冷、氟利昂、氨致冷等方式。二、云台

云台是前端设备中为摄像机/镜头配套的部件，实际上是支撑摄像机/镜头在水平方向（水平云台）或者水平及垂直两个方向（全方位云台）旋转的底座（好比照相机的三脚架）。一般情况下，云台是用支架固定在室内（外）墙壁、天花板或者电线杆上，其作用是通过室内控制器，将控制电压通过多芯电缆直接加到云台内的低速大扭矩电动机上，以驱动台面上的摄像机/镜头在水平方向或者任意方向上旋转，达到增加摄像机/镜头的空间可视范围的目的。云台种类

红外半球型普通支架室内智能型网络监控型自由度示意三、云台控制器

在不配置系统主机的小型视频监控系统中，如果前端摄像机配有云台及电动镜头，或者在室外应用中配有带雨刷的室外防护罩，或者系统还要求控制监视现场的照明灯等辅助设备，就必须配置操纵云台、电动镜头动作及辅助设备开关的控制器，如图所示。这种控制器一般受面板按键的控制，输出交流电压（对云台）或直流电压（对电动镜头）到云台（或电动镜头）的控制电压输入端，使云台或电动镜头相应动作。云台控制器的原理单路水平云台控制器原理全方位云台控制器原理

多功能控制器原理四、视频信号切换器

视频切换器是视频监控系统的常用设备之一，其作用是从多路视频信号中选出一路或多路传输至显示（监视器）、记录设备（24h录像机、DVR）中，这样可减少中心控制设备使用的数量，达到节约费用的目的。

手动视频切换器是切换器最简单的一种，该装置有若干按键，用以对单一监视器输出显示所选择的某台摄像机的图像。

顺序视频切换器是使来自多台摄像机的图像在一台监视器上选择显示一幅，然后再显示另一幅。摄像机的显示顺序和显示停留时间可由用户程序设置或修改。五、画面分割器

画面分割器是一种专业的视频处理设备，作用是对多个摄像机送来的视频信号进行处理（先“分拆”，后“组合”），重新形成一路特定视频信号，发往各个监视器，使一个监视器可同时显示多个小画面。画面分割器有画中画处理器、四画面分割器、九画面分割器、十六画面处理器等。六、视频分配器

视频分配器的功能是将一路视频信号均匀分配成多路视频信号，以便供多台监视器、录像机同时使用。第三节录像机的基本工作原理录像机原理

磁带录像机是以磁带为介质存储图像信息的设备，它所完成的基本物理变换是电／磁转换，把时间轴上连续变化的电视信号、音频信号转换为磁带上磁迹的几何分布，或相反的过程。磁带录像机有广播级，业务级和家用型，在应用电视系统中家用型录像机是最为常用的图像记录设备。1.磁性记录和重放原理任何一个磁记录必须包括两个基本的部分，一是承载信息的介质，一是向介质传递信息实现电磁转换的器件；录像机的磁记录介质是磁带，电磁转换器件是磁头。通过机械系统来保证形成一定的磁头磁带关系(简称头带关系)。下图示出了磁性记录和重放原理的头带关系示意图

磁头是一个绕有一组线圈的环形铁芯，铁芯上有一狭窄的缝隙称为工作缝隙。当被记录信号电流流过线圈时，铁芯中就会产生与电流大小成正比、方向一定的磁通。由于工作缝隙处的磁阻较大，在其附近就会出现漏磁场。当磁带的磁性层(以后简称磁带)与工作缝隙接触时，由于磁带的磁阻较低，铁芯中的磁通就会通过磁带形成闭合磁路，因此磁带被磁化。如果磁带以一定的速度相对磁头运动，就会形成一条磁迹。在这个过程中被记录信号电流随时间的变化就转化为磁带上磁迹的磁化强度变化。

信号的重放过程是上述过程的逆过程。当磁头的工作缝隙与磁带相接触时，便形成与记录时相同的头带关系。磁头将桥接磁带的磁迹，磁迹的表面磁场将在磁头线圈中产生相应的感生电动势，采用适当方法取出和处理这个电动势，就可以恢复出原信号。所谓形成与记录时相同的头带关系，一是指几何位置关系，二是指磁带以记录时相同的速度运动。硬盘录像利用高新数字技术进行信息压缩，视频信息丢失少，而且利用了计算机技术的智能性、灵活性，使用起来特别方便，必将逐步取代其他录像设备。第四节摄录像信号的传输一、图像信号的传送摄录像信号的传送分为图像信号的传送和控制信号的传送。图像信号传送的方式分类：射频有线传送射频信号的传送图像信号传送射频无线传送

基频信号的传送电缆电视系统中，来自摄像机和录像机的图像信号和伴音信号通常采用射频进行传送。详见后续章节。在作监视用的闭路电视系统中，图像信号常用基频信号进行传送，传送介质常用的是75Ω的同轴电缆，这种电缆一方面可以和摄像机和录像机的输出阻抗匹配，另一方面具有良好的屏蔽性。

基频信号的带宽自25Hz到6MHz，相差18个倍频程之多，当信号的传送距离很长时，要对高频信号补偿。通常超过500m时要加视频信号补偿器，以补偿电缆对高频信号的损耗。二、控制信号的传送控制信号分类：直接控制信号模拟控制信号控制信号间接控制信号数字控制信号监视系统的控制信号是通过控制室内的控制设备发出来的，用于控制摄像机镜头和与其配套的云台、防尘罩等。（一）直接控制信号的传送

在控制信号传输距离较近的情况下，一般采用直接控制方式。这种控制方式，在控制器与被控对象间出除了导线没有其他环节，第一个控制信号对应一绿肥控制线，另外还有公共线。由于直接控制传送的是驱动信号，因此，控制线路中的电流比较大。例如：驱动云台上、下、左、右转动的电流一般在1A左右，驱动摄像机镜头变焦、聚焦、调光圈的电流不小于200mA。这种控制信号的传输距离一般不能超过200m。

（二）间接控制信号的传送

间接控制信号传送方式是为解决控制室距监视点较远，采用直接控制，驱动信号电压损耗较大的缺陷，而对直接控制信号传送方式的一种改进。它是在控制器与被控对象间增设一个功率接续器来实现的。功率接续器一般放在被控对象附近，其内部有摄像机及其相关设备所需的各种电源，还有与控制信号和电源相配套的继电器。这样由控制室通过控制电费输出的不再是大电流驱动信号，而是小电流控制信号，控制距离就右以延长了。原理上讲，这种方式可以使控制距离很长，但由于传输线需要很多股，长距离传输时，系统造价会提高。

（三）数字传送方式直接控制方式和间接控制方式需要用一定数量的控