1.2 摄像机的基本功能与组成
摄像机所有基本功能的实现决定了它的组成系统，反之，摄像机的机构与组成也对其功能产生决定性影响。摄像机不仅是电视新闻拍摄、电视片制作必备的工具，同时也是人类用影像认识和作用于社会的触角。认识这个人类用于影像艺术创作的工具，首先要从其技术结构和组成开始。
1.2.1 电视摄像机概述
作为电视节目制作最前端的彩色电视摄像机，其作用就是将景物的光图像分解成红、绿、蓝三幅光图像，分别聚焦在三个摄像器件的光敏面上，然后由摄像器件（电荷耦合器件）进行光电转换，扫描出三个基色信号，最后通过处理电路和编码电路，形成可以记录的全电视信号。
自20世纪30年代电视产生以来，经过几十年的迅猛发展，到如今大致经历了四个重要的阶段：
第一个阶段是20世纪30年代到60年代初，称为电子管时期。这个时期的电视摄像机全部采用电子管电路，体积庞大、耗电多、笨重，绝大多数为黑白摄像机，图像质量也不理想。如20世纪60年代初期使用的彩色电视摄像机的总重量，包括控制柜（实际上就是现在摄像机的机身部分）在内约有500kg，耗电达3kW，尽管超正析摄像管摄像机在清晰度和灵敏度等方面都比较高，但由于体积过大、过于笨重，使得采用三只或四只超正析摄像管的彩色电视摄像机在演播室以外的使用受到很大的限制。
第二个阶段是20世纪60年代初到70年代末，称为晶体管和集成电路时期。这个时期，由于晶体管和集成电路技术的发展，使电视摄像机的体积和重量主要取决于光学系统和摄像管，而氧化铅管的应用，使摄像机在体积、重量和各项电性能指标方面取得了突破性的进展。随后，带有ACT枪、DBC枪、二极管枪以及低输出电容二极管枪摄像管的研制成功，使摄像管的尺寸进一步减小，图像质量得到进一步提高，其性能基本达到了广播级的标准，并开始向小型化方向发展，给电视新闻采访和外景拍摄提供了极大的方便。
第三个阶段是20世纪80年代末，称为大规模集成电路时期。这个时期由于大规模集成电路和微处理机控制技术的发展，使摄像机的调整和控制基本实现了全自动化，摄像机的功能与质量产生了质的飞跃，并开始向数字化和固体化方向发展。ENG（电子新闻采集）和EFP（电子现场节目制作）超小型便携式彩色电视摄像机被广泛应用于广播电视和专业领域。CCD电视摄像机在占领了家用领域后，也开始进入广播电视专业领域。
第四个阶段是20世纪90年代以后，称为数字摄像机时期。这个时期广播级、专业级和家用领域的摄像机已全面实现数字化，数字CCD摄像机已开始淘汰真空管摄像机，并成为摄像机的主流（见图1.10）。
图1.10 数字摄录一体机
进入21世纪以来，数字高清技术获得巨大发展，高清摄像机也开始走入人类的生活。尤其是北京奥运会用高清信号进行转播，给我国高清电视产业的发展提供了契机，截至2010年，全国已有九个频道开播了高清节目，数字化技术给电视制作的前期和后期都带来了突破性的进展。在摄像机的发展历程中，数字技术的引入具有划时代的意义。
由于CCD和CMOS是模拟器件，摄像机的数字化只能从信号处理电路开始，所以严格地讲，数字摄像机应该称为数字信号处理（DSP）摄像机。一般将数字信号处理电路占整个电路70%以上的摄像机称为数字摄像机。
1.2.2 功能
当你扛起一台摄录一体机（Camcorder），你肯定不会为录制发愁，但你一定会为你录制不出好效果的画面和声音而感到头疼。在完成一个拍摄计划之前，你觉得自己应该有一台摄录一体机，学着用它，以便了解怎样才能得到有效的画面。你在拍摄MTV片段时遇到的摄像师一定会告诉你，掌握摄像机如何工作是制作有效视频和理解视觉传播一般要求的必要前提。
不管其形状、价格和品质如何，也不论是数字摄像机还是模拟摄像机，它们的工作原理都一样：将镜头所能看到的光学图像转换成相应的视频画面。更具体地说，摄像机将光学图像转换成电信号，然后再通过电视接收器将它转换成可视的屏幕图像。
为了实现这个功能，要求每部摄像机具备三个基本组成部件：镜头、摄像机机身以及寻像器（见图1.11和图1.12）。
图1.11 摄像机组成
图1.12 摄像机功能
如图1.12，摄像机将镜头看到的光学图像转换成屏幕上相应的画面。镜头搜集从一个物体反射回来的光，将其传送给分光仪，由它将白光分解成红、绿和蓝三种光束。CCD再将这些光束转换成电能，这些电能经过放大和处理后又被寻像器转换成视频画面。
镜头从摄像机瞄准的景色中选取一部分，形成一个清晰的光学图像。摄像机内有一个分光仪和一个成像器，它们将镜头中的光学图像转换成微弱的电信号，然后不同的电子部件再将这些信号放大并进一步处理。寻像器将这些电信号转换成视频图像（见图1.11）。为了解释这个过程，我们首先从镜头如何工作，如何看一个场景的特定部分开始讲起，然后再讲分光仪和成像设备，最后讲电视接收器如何将视频信号转换成视频画面。了解这个基本过程将有助于你更有效地运用摄像机，有助于你了解如何调整其他制作元素（如光）来满足摄像机的不同需求。
1.镜头
镜头决定了摄像机能看见什么。镜头按其焦距（Focal Length）来分类，而焦距则是对镜头光圈到焦点内被拍摄物之间的距离的度量。这种度量假设镜头距离设为无限远，通常以毫米来表示。因此，近物摄像机的镜头可能从24毫米到200毫米。镜头还可以按其从某一点能看见的宽度范围来划分。广角镜头（短焦镜头）看见的景别相对更宽（见图1.14），而窄角镜头（长焦镜头）看见的景别相对较窄，背景非常明晰（见图1.15）。
影视图像的质量在很大程度上取决于镜头的光学质量。这就像话筒一样：如果话筒质量低劣，即使用最好的录音设备也无法产生出高质量的声音。
图1.13 标准镜头
图1.14 广角镜头
图1.15 长焦镜头
镜头一般按能否改变焦距分为定焦镜头和变焦镜头；也可以按焦距分类为广角、标准（见图1.13）和长焦镜头；还可以按艺术效果分类为电影镜头、演播室摄像机镜头、特效镜头、普通镜头等。
2.焦距
变焦镜头可以从短焦（或广角）的位置连续过渡到长焦的位置。短焦变焦位置让你得到的视野更宽（透视效果好），比在长焦位置上看见的范围更广。若想将变焦镜头变成极端的广角，必须将镜头全部拉近，这时你眼前的景别相对更大，但中间和背景物体看起来会显得非常小、非常远。
在使用预设变焦镜头（标清）时，可以把最远的可见物作为对象进行聚实，然后拉回广角，这时你所拍摄的画面都是实的；而高清预设变焦镜头的做法则需用定焦聚实的办法（见图1.14）。
将镜头全部推出将使镜头处于长焦（窄角）的位置。这时，镜头选中的图像会变得更窄，但更大。由于长焦的功能就像一只双筒望远镜，因此，它又被称为望远镜头或望远变焦镜头（见图1.15）。
如果将镜头在变焦幅度的中间（即在极端广角与极端窄角之间）停住，得到的镜头位基本上可以算正常。所谓的正常，指接近我们用肉眼直接看被拍摄对象的感觉（见图1.13）。
由于变焦镜头的焦距变化幅度非常大，可以从极端广角变到极端窄角，因此又被叫做可变焦镜头。
从实用角度看，短焦给了我们更大视野，长焦能让我们对视野中的个别事物进行特别关注；从美学意义上看，短焦通过夸张的表现手法，让我们感受场景的宏大，视野也更加开阔，长焦则是强调和忽略手法的并用，标准镜头则是人眼正常观察的效果，缺少艺术韵味。
3.变焦幅度
变焦幅度（Zoom Range）也叫变焦比率（Zoom Ratio），指运用变焦镜头从最远的广角位推到最近的长焦能得到的影像。比率中的第一个数字越高，从最近的广角位得到的对象就越近。在从最近的广角位推到最远的长焦时，20倍变焦镜头将使景别变窄20倍。在实际操作中，你可以从广角位推拍到很好的特写。20倍变焦幅度也可以表示为20×（见图1.16）。
图1.16 20倍变焦镜头的最大广角和最小长焦
变焦比率越大，意味着你的艺术表现能力越强，反之亦然。
①光学镜头和数码镜头之间有着很大的差别。光学变焦靠镜头中的镜头部件改变景象的角度；而数码变焦则只是将像素放大，使景象产生推拍的感觉。数码变焦的问题在于像素放大后照片会变得不够清晰，因此使用数码变焦拍出来的近镜头难免有些模糊。光学变焦不会影响照片的清晰度，这就是光学变焦镜头为人们所喜爱的原因。
②一些用于体育与户外活动报道的大型摄像机镜头甚至有40倍或更大的变焦比率。这些镜头与连接支撑他们的摄像机一样大，有时甚至比摄像机还大。有了这样的镜头，你便可以从整个橄榄球场的广角开始推进拍摄某主攻手的面部特写。在这种情况下变焦幅度必须大，因为摄像机通常安装在体育馆的顶部，远离比赛场地。它们无法像便携式摄录一体机那样接近事件，因此只能靠变焦镜头将事件拉近机身。
③镜头的焦距决定了你能看到多少景象，决定了这个景象离你的距离（景别）。除此之外，它也同样决定了你能在多大范围内移动摄像机，决定了观众能看到什么效果。我们将在后面进一步讲解这方面的知识。
光学镜头和数码镜头之间有着很大的差别还在于前者变焦具有新的美学意义，而后者不具备。
4.快门速度
快门速度指单位时间内有多少光能进入镜头到达成像装置。大口径镜头（Fast Len）相对能让更多的光进入镜头；而小口径镜头（Slow Len）能进入的光则少得多。在实践中，相对于小口径镜头，大口径镜头在黑暗环境中产生的图像更能达到令人接受的程度，因而大口径镜头比小口径镜头更有用，但同时体积也更大，价格也更高。
依靠镜头上光圈刻度的最低值，便可以判断一只镜头属于大口径还是小口径。比如f/1.4或f/2.0。数字越小，镜头的快门速度越快。
实际上，快门速度也被称为曝光时间，快门速度与被拍摄对象的运动节奏或频率有关，二者需要协调一致。例如拍摄电脑屏幕时，电脑屏幕刷新率是1/75秒，而正常摄像机的快门（仿人眼）是1/60秒，那么你就要调整快门或电脑的刷新率，这样你拍摄的画面才不会有闪烁；拍摄运动物体时，也要计算运动对象的速度，适当调整摄像机的快门速度；如果环境比较暗或亮，也要调整快门速度。还可以通过慢快门调整来制造运动拖尾效果等。
5.光圈和f值
和人眼睛里有瞳孔（Iris）一样，所有的镜头都有光圈，以便控制光的进入。在光照好的环境中，眼睛会通过缩小瞳孔“光圈”来限制光的数量；而在昏暗的环境中，眼睛则通过扩张瞳孔来让更多的光通过。
光圈的工作原理和瞳孔一样，光圈正中有一个可调节的孔，叫做孔径（Aperture），可以放大和缩小。通过改变孔径的大小，便可以控制进入镜头的光量。如果被拍摄对象上的光线较少，可以通过变大孔径而让更多的光进入，这叫做“打开镜头”或“打开光圈”；如果被拍摄对象上的光线充足，则可以通过变小孔径而限制光的通过，相当于“关闭镜头”。这样便可以控制图像的曝光程度，使它看上去既不太暗（光线不足）也不太亮（光量过）。
现在，你也可以用技术味更浓的词语来解释大口径镜头和小口径镜头了。在最大光圈值的时候，大口径镜头比小口径镜头通过的光要多。
光圈可以实现的艺术效果有很多，小光圈可以增加被拍摄对象的层次感，而大光圈可以模仿人眼专注于个别对象的效果，前者多用于黑白影像，后者有助于摄像者对光线较差的环境进行真实的再现。
光圈值（F-stop）是我们判断镜头能进多少光的标准。所有镜头在其底部都有一个上面刻有一系列光圈数字（如1.7、2.8、4、5.6、8、11、16、22）、控制光圈开关的环。
图1.17 光圈值的设定
当你转动这个圆环，将f/1.7这个刻度与镜头上的标志对齐时，意味着你已经将镜头开到了它的最大孔径，这时，能进入的光线达到最大值；转到f/22，则镜头关到最小孔径，只有极少的光能通过。大口径镜头的最大孔径应该为f/2.8 或更大。好镜头的光圈值可以小到f/1.4甚至f/1.2。有了这种镜头，即使光线非常弱，你得到的图像也比最大孔径为f/4的镜头得到的好。
光圈值的数字越小，孔径越大，传递的光越多；光圈值的数字越大，孔径越小，传递的光越少（见图1.16）。
光圈值数字越小，光圈孔径越大，进入镜头的光越多。大口径镜头的光圈值数字要小些（如f/1.4）。
光圈值数字越大，光圈孔径越小，进入镜头的光越少。小口径镜头的光圈值数字要大些（如f/22）。
光圈调整分自动和手动。实际操作过程中，往往是自动和手动结合起来使用的。其中手动是根本，自动是助手。因为只有手动才能真正实现你的艺术表现，否则就谈不上艺术性了。
1.2.3 分光仪
分光仪是摄像机进行光电转换的一个前端设备，也是对合成光进行分解的重要环节。
1.分光仪（Beam Splitter）
分光仪是摄像机内部的一个重要构件，负责将普通白光分解成三基色——红、绿、蓝（RGB）。如果按不同比例将这三种光混合，这三种基色便能构成我们在电视上看到的所有颜色。
分光仪由一系列棱镜和滤光镜组成，一起装在一个棱镜块内（见图1.18）。棱镜块将进入的光束分解成三种颜色，然后将这三基色光导入它们对应的成像仪内，成像仪进而将这些光束转化为电能——RGB视频信号（见图1.19）。
图1.18 棱镜块
图1.19 三基色分光原理
而在把信号输出成为电视画面时，不同强度的电子束撞击屏幕上的发光体产生出不同亮度、不同色彩的光电直接作用于人眼，所以在色彩表现上色彩亮度偏高。在特定光线的条件下，现实中一些色彩并不很明亮的物体通过屏幕显示而显得较为鲜亮，特别是色光三基色——红、绿、蓝更加明显。这同时导致电视画面在表现色调层次丰富的景物时不能充分表现出细微的色彩变化，色调中间层次减少，造成色彩表现上一定程度的失真。
正常人眼可以辨别出的同一色相的光度变化有600种之多，在电影银幕上能将同一色相的光度变化表现出100多个层次，而在电视屏幕上同一色相的光度变化仅有30多个层次。屏幕显示的局限性使电视画面在还原景物色彩层次上更加困难，特别是景物周围光线亮度过高或过低时，色彩失真现象更加严重。
三种基色是可见光中三种不可以分解的光，而它们按等量进行混合就可以合成白光（2R+2G+2B=白光），其中随着各自系数量的变化，可以合成可见光中的任何一种颜色光，它们共同遵循的是加色法。而颜料三原色遵循的则是减色法。“2R+2G+2B=白光”这个公式还说明了不同色光之间的关系，如2R+2G=黄光，而黄光与2B（蓝光）之间就是互补关系，对比度最佳，其余以此类推。
2.成像装置
摄像机内的第二个重要构成部件是成像仪，又叫影像采集器，其职责是将光变成电能。大多数摄像机的成像仪都有一个CCD，也叫“片基”。这是一个非常小的固体状硅片，内有水平和垂直排列的成千上万个图像感光元素，叫做像素。每一个像素都能将自己接收到的光能转换为相应的电荷或电能。
像素的工作原理很像马赛克中的单个的瓷片或杂志图片中的一个点。图片中含的像素越多，图像越清晰（见图1.21b）。同样，一个CCD中的像素数目越多，最后呈现的屏幕形象就越清晰。高清晰芯片的像素数目很多，因而能呈现非常清晰的图像。正如你所见，视频图像的清晰度不光由扫描的行数决定，还由摄像机镜头及成像仪上的像素数目决定。
图1.20a 图像分辨率低
图1.20b 图像分辨率高
目前我国通行的电视技术标准为625行，每行800个像素，每帧画幅共约50万个像素。这些像素是构成电视画面的最小单位，单位面积上分解出的像素数目越多，显示出的画面就越清晰，越接近于真实。电视画面是附着于电视屏幕上的，有光、色显现的活动的可视图像。
CCD成像器件将影像的不同光转变成电能——视频信号。高级家用摄像机和所有专业摄像机都有三个CCD，每个CCD用于处理三基色中的一种光。但大多数小型家用摄录一体机只有一个硅片。这样，进入的白色光只能被一个滤色器分解成三基色，进而由一个CCD处理成单个信号。即使这个芯片质量高，拥有成千的像素，也只能给每种颜色分配三分之一的像素。因此，比之三个硅片同时使用，这时的颜色和清晰度就会出现失真的现象。
单芯摄像机的好处在于体积小。你会发现，一些数码单芯摄像机产生的图像同样也非常令人惊叹，完全可以与三芯摄像机的色彩还原度和分辨率媲美。
其实，CCD也有两种：全帧（Full Frame）的和隔行（Inter Line）的。这两种CCD的性能区别非常大。总的来说，全帧的CCD性能最好。其次是隔行的CCD。CMOS也可以替代CCD，但CMOS的综合性能最差。全帧的CCD最突出的优势是分辨率高和动态范围大，最明显的缺点就是贵、耗电。CMOS最明显的缺点是分辨率低，动态范围小和噪声大；优势就是便宜、省电。隔行的CCD比CMOS强的地方在于低噪声。总的来说，两种CCD的颜色还原都比CMOS强。CCD的大小也与画面质量有着直接关系，如3/4就比1/3的要好。
摄像信号处理。来自像素的电荷非常弱，在进一步处理成视频信号之前必须增强；然后，增强了的视频信号再通过寻像器和内置（或外接）录像器变成呈现在电视机上的图像（见图1.21）。这个过程会将RGB三基色与另一个携带着图像亮度、黑白等信息的信号结合。颜色信号构成色彩信号，即C信号（C为希腊文字chroma“颜色”的首字母大写）；黑白信号叫做亮度信号，即L或Y信号（L为拉丁文lumen“光”的首字母大写）。C信号和Y信号结合，产生一个合成信号，即NTSC信号，或简称NTSC（见图1.22）。
图1.21 彩色电视的成像模式
图1.22 NTSC信号
黑白信号叫做亮度信号（即L或Y信号），使电视画面无纯黑部分。电视屏幕在接通电源后有个基本亮度，主要是由电路本身的杂波信号影响所致，构成了无节目信号时的最低亮度。因此，当画面表现的是夜景效果时，画面上大面积亮度较低，甚至低于无节目信号时的基本亮度。由于杂波信号的影响，使画面中应暗的部分暗不下来，应表现为黑色的夜幕在画面中呈现出黑灰色。而在这一点上，电影拷贝上黑的部分则没有反光，从而形成黑色。所以电影画面能表现出较为纯正的黑色画面效果，夜景表现比电视更加逼真，并且在技术上容易处理。
对于电视画面中屏幕显示无纯黑部分的局限，在表现暗色调和黑色调时就要调动明暗对比的方法用明来衬暗。在表现夜景效果时，为了追求逼真的画面效果，与其说要处理好画面中暗的部分，不如说要处理好画面中亮的部分。
合成信号是RGB色彩信号和黑白亮度信号的结合。