廣播級高清鏡頭原理及在高清拍攝中的應(yīng)用

丁濤 吳紅偉 徐州廣播電視臺

1．概述

隨著廣播電視事業(yè)的發(fā)展，觀眾在對節(jié)目內(nèi)容要求的同時，對圖像質(zhì)量提出了更高的要求,高清攝像機已廣泛用于電視臺、商業(yè)傳媒、文化演出市場等場所。但是，許多攝像記者從模擬、標(biāo)清攝像設(shè)備升級到高清攝像設(shè)備后，對高清鏡頭在拍攝高清節(jié)目中如何正確使用還不熟悉。本文介紹了攝像機鏡頭的基本原理、用途分類及其在高清拍攝時應(yīng)注意的事項。

2．?dāng)z像機鏡頭成像基本原理

為了了解攝像機鏡頭成像的基本原理，先介紹一下光學(xué)系統(tǒng)單透鏡成像的基本原理。凸透鏡的光學(xué)成像計算公式見式（1-1）。

式中u為物距 v是像距 AB為物高 A’B’為像高放大率：M= A’B’/ AB=v/u=f/u-f, 當(dāng)u>>f，m≈f/u。單透鏡成像原理圖如圖1所示。

圖1 單透鏡成像原理

圖2 組合透鏡成像原理

在實際使用中，組合透鏡成像計算公式見式（1-2）。組合透鏡成像原理如圖2所示。

根據(jù)公式(1-2)可以看出，在變焦時，物距不變，被攝物體可變大或變小，通過改變f1、f2或d，以改變等效焦距。

3．?dāng)z像機鏡頭的組成及拍攝中的注意事項

攝像機的鏡頭由聚焦組、變焦組、補償組、光圈和倍率鏡組成，鏡頭組成如圖3所示。聚焦組完成對物體的聚焦，清晰成像。變焦組主要作用是改變焦距來改變像的大小，補償組是在變焦過程中，保持圖像畫面不變。固定組是保證鏡頭的最后一個透鏡表面到成像器件有一定距離，以便安置分光棱鏡?？梢栽诠潭ńM中，添加倍率組，以便擴(kuò)展成像。聚焦方式包括手動、自動和遙控三種方式，在鏡頭控制手柄下部FOCUS位置有撥動開關(guān)，標(biāo)有Manu、Servo，見圖4。撥到SERVO狀態(tài)后，控制手柄沒有安裝到REMOTE口時，攝像機自動聚焦，如有控制手柄接入FOCUS REMOTE口，聚焦組鏡頭將由伺服手柄遙控。

圖3 鏡頭組成

圖4 鏡頭聚焦方式選擇

由于在不同拍攝場合的聚焦精度不一樣，聚焦操作應(yīng)注意以下事項：

（1）長焦拍攝時，對聚焦要求較高；

（2）拍攝物距很小時，聚焦要求也很高；

（3）光圈開得很大時，對聚焦要求很高；

（4）拍攝運動物體時，隨著物距變化，聚焦也要隨之變化；

（5）高清攝像機的焦點不易對準(zhǔn)，是一個普遍問題。

高清的焦點難以聚實，是因為高清的分辨率高，水平視場角比標(biāo)清大，畫面包容的景物多，景深比標(biāo)清小很多，所以聚焦時要格外仔細(xì)。高清拍攝靜態(tài)鏡頭時，應(yīng)把變焦距攝影鏡頭變焦至某擋焦距處(即適當(dāng)景別)，當(dāng)作定焦距鏡頭使用，具體使用哪一擋焦距拍攝，就應(yīng)直接在該擋焦距狀態(tài)下精確調(diào)焦，直到尋像器中被攝主體的影像最清晰時為止，或直至調(diào)焦基線所指示的刻度值剛好等于用皮尺所直接測量出的調(diào)焦距離值時為止。

標(biāo)清拍攝靜態(tài)鏡頭時，往往習(xí)慣于先將變焦環(huán)變焦至最大焦距處精確調(diào)焦，然后再將其變至預(yù)選短焦距處拍攝，這種方法不適合高清攝像的調(diào)焦要求。因為變焦距鏡頭在變焦時，普遍存在著微量的像面漂移現(xiàn)象，不同焦距處的最佳焦點位置未必精確一致，此外，使用推拉式變焦距鏡頭時，容易在調(diào)焦完畢后的變焦過程中，使調(diào)焦位置在無意中被誤觸動而改變。因此，高清攝像時，為了獲得被攝主體的最清晰影像，就必須在所用焦距狀態(tài)下直接精確調(diào)焦后拍攝，否則將影響畫面的清晰度。

攝像機的變焦有兩種方式，鏡頭控制手柄上有一個翹翹板變焦開關(guān)，開關(guān)標(biāo)有T、W標(biāo)記，如圖5所示。

按壓T（推），焦距增加，按壓W（拉），焦距減小。變焦方式分手動、自動、遙控三種方式。在鏡頭控制手柄下部ZOOM位置有撥動開關(guān)，標(biāo)有Manu、Servo。撥到Servo狀態(tài)后，控制手柄沒有安裝到REMOTE口時，攝像機將由鏡頭控制手柄，如有控制手柄接入ZOOM REMOTE口（參見圖4），變焦組鏡頭將由伺服手柄遙控。

圖5 鏡頭變焦方式選擇

攝像機拍攝圖像時，圖像的尺寸不僅取決于鏡頭的成像尺寸，還取決于成像器件的大小。成像尺寸確定以后，鏡頭具有一個確定的視野。鏡頭對這個視野的高度和寬度的張角稱為視場角。在變焦過程中，視場角α∞H/2f（見圖6），H為成像尺寸高度或?qū)挾?，f為焦距。

工作距離：視場=焦距：CCD大小

（1）f↑m↑像高↑α↓

（2）f↓m↓像高↓α↑

（3）變焦的范圍及其表示：以富士鏡頭為例，例如HA18X7.6BERD HA為高清系列，變焦范圍為7.6mm-136.8mm, 最短焦距是7.6mm，變焦倍率為18倍，B是B4接口，E為擴(kuò)展鏡頭, RD為全伺服（電子伺服）, RM為半伺服（機械），倍率鏡X2變焦范圍將擴(kuò)大1倍，變?yōu)?5.2mm-273.6mm。

變焦操作要注意的問題：（1）推拉要均勻，拍攝靜止畫面，開始和結(jié)束時要慢一些，中間稍快一些；（2）推拉要有目的，當(dāng)廣角拍攝時，要把觀眾的注意力引到某一主角上，采用推，要交代主題和周圍環(huán)境相對位置時，要拉出來；（3）推鏡頭時，焦距越長，聚焦要求越高；（4）廣角拍攝距離較近時，會產(chǎn)生畸變。

圖6 視場角與H和f的關(guān)系

鏡頭的光圈是控制光線透過鏡頭，進(jìn)入機身內(nèi)感光面光量的裝置。進(jìn)光量通過在鏡頭內(nèi)部加入多邊形或者圓形、面積可變的孔狀光柵來達(dá)到控制鏡頭通光量。光圈的計算公式為F=f/D,F為光圈系數(shù)，f為焦距，D為相對孔徑。相對孔徑（一般攝像機控制手柄和鏡頭上一般都有標(biāo)識，（參見圖5）表示鏡頭的進(jìn)光量，相對孔徑＝焦距/鏡頭口徑（最大光圈），即焦距和鏡頭口徑的比值。 相對孔徑的倒數(shù)＝光圈系數(shù)（光圈值）， 例如,某鏡頭焦距是50mm ,光圈4，一般寫作f/4,其有效孔徑是50/4＝12.5mm。

鏡頭的光圈系數(shù)（擋數(shù)），排列順序一般是：1.4、2.0、2.8、3.5、4.0、5.6、8.0、11、16等，鏡頭系數(shù)（擋數(shù)）越小，光圈越大，進(jìn)光量越多，光圈系數(shù)（擋數(shù)）增加或減少1擋，進(jìn)光量差2倍。

逆光拍攝注意事項：（1）如放在自動擋，將導(dǎo)致拍攝主體面部看不清，導(dǎo)致曝光不足，這時要把光圈撥動開光撥到手動控制，即AUTO-Manual，調(diào)大光圈或者給主體打光；（2）手動光圈確定F值時，順光情況下，測光為1.4，手動減一擋，逆光加一擋，在拍人臉特寫時，不要改變；（3）斑馬紋開關(guān)的使用，作為曝光值的輔助指示,打開75%的視頻信號在尋像器的設(shè)置，如果出現(xiàn)斜條紋，說明曝光正常。注意在打開此項功能時，影響聚焦，不用時應(yīng)關(guān)閉。例如索尼PMW-580攝像機斑馬紋可設(shè)置50%-107%，設(shè)置為70%時，在鏡頭前放一塊中灰板,調(diào)整光圈的開合,當(dāng)畫面中的中灰板出現(xiàn)斑馬紋,說明當(dāng)前曝光正常。100%是指純白,沒有細(xì)節(jié)的純白。通常來講，70%的主要用于將主體人物臉部作為曝光依據(jù)（特別是攝影燈照射下的采訪鏡頭）。當(dāng)人物臉部的高光部分，如臉龐、額頭、鼻頭剛好進(jìn)入70%的范圍時，斑馬紋剛好出現(xiàn)，這時拍攝的人物畫面效果最好。100%可用在拍攝高亮畫面且需要保留細(xì)節(jié)的情況，比如背光景物或冬天雪景，100%的過曝光部分跟主體進(jìn)行對比。

高清拍攝過程中要特別注意景深的變化。景深是在鏡頭聚焦完成后，在焦點前后都能形成清晰圖像的距離。景深與光圈、鏡頭焦距成反比、與拍攝距離成正比。景深與相關(guān)因素的關(guān)系見圖7。

（1）中距離景深公式：景深ΔL=ΔL1+ΔL2=（2f^2FδL^2）/（f^4-F^2δ^2L^2） （2-1）

（2）近距離景深公式：ΔL≈2Fδ（M+1）/M^2 (2-2)

δ-容許彌散圓直徑，F(xiàn)-鏡頭的拍攝光圈值，f-鏡頭焦距，L-對焦距離

M為放大倍率

通常后景深略大于前景深，在放大率很小或拍攝距離很遠(yuǎn)時，后景深是前景深的2倍。拍攝時需要注意以下幾點：

（1）光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；

圖7 景深與相關(guān)因素的關(guān)系

（2）鏡頭焦距：鏡頭焦距越長，景深越小；焦距越短，景深越大；

（3）拍攝距離：距離越遠(yuǎn)，景深越大；距離越近，景深越小。

舉例，比較兩款CCD尺寸都為2/3英寸的攝像機，第一款攝像機為標(biāo)準(zhǔn)4：3格式，水平清晰度為500 線；第二款攝像機為標(biāo)準(zhǔn)16：9格式，水平清晰度為1080線。計算出兩款攝像機的允許彌散圓直徑為：

第一款攝像機允許彌散圓直徑δ=W/（R×H/V）=8.8/（500×4/3） =0.013（mm）

第二款攝像機允許彌散圓直徑δ=W/（R×H/V）=14.7/（1080×16/9） =0.007（mm）

式中W為CCD像面的水平寬度，H/V為CCD像面的寬高比，R為水平清晰度線數(shù)。

將結(jié)果帶入景深公式（2-2），可以看出高清攝像機景深比標(biāo)清小，約是它的1/2，這是拍攝標(biāo)清和高清時要注意的地方。

以上所述高清本身特定的技術(shù)條件，決定了高清電視照明的特殊要求，其特點是：

（1）光線要柔和。照明時應(yīng)采用軟光照明，盡量少用硬光。特別是用于人物臉部的光線，最好采用柔和的散射光?？稍诰酃鉄羟凹尤峁饧埵构饩€變?nèi)帷?/p>

（2）布光要勻。演區(qū)的光線要均勻。在布光時，不同方向的光線照向演區(qū)時，同一方向光線的照度要一致，以保證攝像機變換機位連續(xù)拍攝時，前后畫面影調(diào)的一致性。因此，電視照明的均勻性是指演區(qū)的照度和反差的一致性。

（3）光比小。光比是被攝對象面光與逆光、被攝對象面光與背景光的照度比值。高清電視照明的光比一般為2：1～3：1，但隨著光線角度的不同、需要突出的重點，應(yīng)增大或縮小光比。高清電視照明的光比要小，是與電影照明相比較而言的。

（4）透視感強。即畫面的透視感要強，透視感與很多因素有關(guān)，但高清電視照明必須要注意影調(diào)與色調(diào)的階調(diào)變化，著力于立體感、層次感、空間感的表達(dá)，這是高清照明區(qū)別于標(biāo)清照明的顯著特點。

4．鏡頭的分類及選配

鏡頭按照產(chǎn)地分類主要是日系鏡頭和德系鏡頭。日系鏡頭的色彩還原性比較好，德系鏡頭的層次感比較強。市場上國產(chǎn)鏡頭也逐漸有一定的市場，價格比較低廉。常見的鏡頭卡口包括：4/3，AR，F(xiàn)D/FL，B4, PL, MD/MC，F(xiàn)X/XA，EF，SA，A，E, C/Y，Kyocera/Yashica AF，K/PK/RK，M42，Mamiya，OM，F(xiàn)，R，Kyocera Contax-N等等。佳能和富士廣播級攝像機鏡頭的接口有卡口和旋口兩種。常用的大多為B4 2/3英寸卡口。索尼的4K攝像機F55為E卡口，松下4K攝像機VARICAM-LT是EF卡口，兩者都可選配PL卡口，安裝PL鏡頭。

根據(jù)視角分類，鏡頭又分為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、廣角鏡頭和長焦鏡頭等。當(dāng)視場角與人眼的視覺特性很接近時，稱為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。便攜式攝像機標(biāo)準(zhǔn)鏡頭一般為25mm，視角在30度以上；廣角鏡頭是視角60度以上的鏡頭，現(xiàn)在廣角可以做到90度以上，焦距約4毫米，可提供較寬廣的視景；長焦鏡頭視角小于40度，現(xiàn)在可以做到1度以內(nèi)，焦距是幾米甚至幾十米，此鏡頭可用于遠(yuǎn)距離拍攝物體。

當(dāng)前國內(nèi)廣電高清鏡頭主要使用富士和佳能兩個品牌，表1是富士和佳能鏡頭性能及適用場景的比較。

表1 富士和佳能鏡頭性能及適用場景的比較

遙控聚焦、變焦 SM 手動/伺服模塊可互換L手動聚焦，手動變焦4 S 伺服光圈L手動光圈T數(shù)字伺服（用于便攜式）空白 模擬伺服（用于便攜式）E數(shù)字伺服驅(qū)動D 5 V 內(nèi)置圖像穩(wěn)定器（用于便攜式）SC 電影鏡頭D 用于DIGISUPER系列演播室/外景鏡頭 AF自動聚焦功能7 ITS-ME/RE廣播級遙控鏡頭，2倍倍率手動/電動8 ITS/KTS 業(yè)務(wù)級遙控鏡頭6

5. 鏡頭的選配

選擇鏡頭時，要了解攝像機鏡頭的型號命名的含 義： 如 富 士 鏡 頭 HA18X7.6BERD-S6B 1：1.8/7.6-137mm，對照表1，可以看出HA用于2/3”攝像機，18為變焦倍數(shù)， B為B4卡口，E帶倍率鏡，RD全伺服控制，相對孔徑1：1.8，7.6為最短焦距，137為最大焦距。

選擇鏡頭的原則：主要是焦距的計算，鏡頭的焦距，視場大小及鏡頭到被攝取物體的距離的計算，計算公式見式(3-1)。

式中f：鏡頭焦距，h：圖像的寬度（被攝物體在ccd靶面上成像寬度），H：被攝物體寬度，D：被攝物體至鏡頭的距離，u：圖像高度（被攝物體在ccd 靶面上成像高度），U： 被攝物體高度。

按 16：9計 算：2/3”u=9.6mm h=5.4mm 1/3’u=4.6mmh=2.6mm 1/2’u=6.9mmh=3.9mm 1’u=13.8 mm h=7.8mm

當(dāng)拍攝100米距離的物體時，被攝物體高1.8m，需要顯示在2/3”成像器上高度為2/3h（約5.2mm），以上數(shù)值代入公式(3-1)，計算結(jié)果如下：

從結(jié)果來看，鏡頭最大焦距要滿足288mm。在滿足焦距的同時，選配鏡頭時，還要注意要選擇合適的卡口適配器。

6. 鏡頭的清潔和保養(yǎng)

（1）按使用頻率，一個月考慮清潔一次，以防積累的灰塵進(jìn)入轉(zhuǎn)動間隙，造成鏡頭磨損；

（2）鏡頭在購買時，最好配置相應(yīng)的UV鏡，起到防紫外線、防塵和防潮作用，還可以防止物理損傷；

（3）鏡頭使用完應(yīng)放置在防潮環(huán)境，可以放置在標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)環(huán)境或干燥箱內(nèi)。