摄像机的发展和种类

摄像机是一种把景物的光像变成电信号的装置。它是电视系统中最主要的信号源，其性能对电视图像的质量有着根本性的影响。广播电视技术的发展以及所能播送的节目范围的扩大，主要与两个因素密切相关：一是观众对图像质量和节目内容日益增长的需求；二是各种科学技术的综合发展为这种需求所能提供的条件。后一点集中地体现在摄像机的发展当中。

电视摄像机发展至今，大致经历了四个重要的时期：

一、电子管时期（20世纪30年代到60年代）

这个时期的电视摄像机全部采用电子管电路，它体积庞大，耗电量多，笨重。多为黑白摄像机，图像质量较差。例如20世纪60年代初使用的3IO(三支超正析像管)彩色摄像机总重量约有500kg，耗电达3KW,主要在演播室内使用。

二、晶体管和集成电路时期（20世纪60年代初—70年代末）

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、各项性能指标方面取得了突破性的进展。导致了节目范围大幅度地扩大。随后，带有ACT枪、DBC枪、二极管枪以及低输出电容二级管枪摄像管（如图1-1）的研制成功，使摄像管的尺寸逐渐减小，图像质量进一步提高，性能基本上达到广播级标准,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。

图1-1 摄像管

三、大规模集成电路时期（20世纪80年代初到80年代末）

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，摄像机的功能和质量有了新的飞跃，开始向数字化和固定化方向发展。ENG（电子新闻采访）和EFP（电子现场制作）超小型便携式彩色摄像机，在广播级和专业领域获得了广泛应用。CCD摄像机开始占领家用领域并向广播专业领域进入。

在这一时期，日立在1989年生产了Z31A摄像机（见图1-2、图1-3）。

图1-2 1989年日立生产的Z31A摄像机

图1-3  1989年日立生产的Z31A摄像机集成电路

四、数字化和固体器件（CCD/CMOS）时期（20世纪90年代初至今）

这个时期广播级、专业级、家用级摄像机全部实现数字化。数码摄像机就是DV，DV是Digital Video的缩写，译成中文就是“数字视频”的意思，它是由索尼、松下、胜利、夏普、东芝和佳能等多家著名家电巨擘联合制定的一种数码视频格式。然而，在绝大多数场合DV则是代表数码摄像机。

1995年7月，索尼发布第一台DV摄像机DCR-VX1000（见图1-4），DCR-VX1000一经推出，即被世界各地电视新闻记者、制片人广泛采用。这款产品使用Mini-DV格式的磁带，采用3CCD传感器(3片1/3英寸、41万像素CCD)，10倍光学变焦，光学防抖系统，发布时的售价高达4000美元。DCR-VX1000是影像史上的一次重大变革，从此，民用数码摄像机开始步入数字时代。

图1-4  索尼DCR-VX1000

这一时期固体成像器件摄像机开始淘汰摄像管摄像机，并成为广播级主流摄像机。目前固体成像器件摄像机主要包括 CCD摄像机和CMOS摄像机。CCD（Charge Coupled Device）中文称为电荷耦合器件（见图1-5）；CMOS(Compementary Metal Oxide Semiconductor)指互补金属氧化物半导体（见图1-6）。

图1-5  CCD

图1-6  CMOS

固体器件摄像机相比摄像管摄像机通常具有体积小、重量轻、寿命长、图像质量高等优点。

近年来，随着电子科技的快速发展，新型摄像机不断推陈出新，下面介绍几款有一定代表性的摄像机：

（一）DVD摄像机

2000年8月，日立公司推出第一台DVD摄像机DZ-MV100（见图1-7）。当时这款产品只能用DVD-RAM记录，日立第一次把DVD作为储存介质带入到数码摄像机中来，使用200px的DVD-RAM刻录盘作为存储介质，摆脱了DV磁带的种种不便，是继DV摄像机之后的一次重大革新。不过当时并没有多少人注意这款产品，DZ-MV100仅在日本本土销售，国内市场难觅踪影，DVD摄像机如日立DZ-GX20（见图1-8）等，广泛被人认知要从3年后索尼大力推广开始。

图1-7  日立DZ-MV100

图1-8  日立DZ-GX20

（二）硬盘摄像机

2004年9月，JVC推出第一批1英寸微型硬盘摄像机MC200（见图1-9）和MC100，硬盘开始进入消费类数码摄像机领域。两款硬盘摄像的容量为4GB，拍摄的视频影像采用MPEG-2压缩，用户可以灵活更改压缩率来延长拍摄时间。硬盘介质的采用使数码摄像机和电脑交流信息变得异常方便，MC200和MC100以及以后的几款1英寸微硬盘摄像机都可以灵活更换微硬盘。到2005年6月，JVC发布了采用1.8英寸大容量硬盘摄像机Everio G系列，最大的容量达到了30GB，而且很好地控制了体积，价格保持在同类DV摄像机的水平上。

图1-9   JVC硬盘摄像机MC200

（三）HDV高清摄像机

2003年9月，索尼、佳能、夏普和JVC四巨头联合制定高清摄像标准HDV，2004年9月，索尼发布了第一台HDV 1080i高清晰摄像机HDR-FX1E（见图1-10），HDV的记录分辨率达到了1440×1080，水平扫描线比DVD增加了一倍，清晰度得到革命性提升。HDR-FX1E包括以后推出的HDV摄像机都沿用原来的DV磁带，而且仍然支持DV格式拍摄，向下兼容，在HDV摄像机推广初期内起到了良好的过渡作用。

图1-10  索尼HDR-FX1E高清摄像机

（四）3D摄像机

2010年7月28日松下发布HDC-SDT750 3D摄像机（见图1-11），官方售价：11998元人民币(不含3D镜头)，采用双镜头设计，配备松下高端系列的3mos图像传感器。松下HDC-SDT750是全球首款3D摄像机，在这款摄像机推出以后，使3D技术距离家庭用户又近了一步。

图1-11  松下HDC-SDT750  3D摄像机

（五）4K高清晰摄像机

2013年10月16日，索尼(中国)有限公司推出Handycam首款民用4K数码摄像机FDR-AX1E（见图1-12）。新品采用1/2.3英寸Exmor R CMOS影像传感器，搭载20倍光学变焦索尼G镜头以及全新的高性能影像处理器，可拍摄像素4倍于1080P的影像。FDR-AX1E可记录分辨率高达3840x2160的4K画面,提供60 Mbps 、100 Mbps 和150Mbps记录码流。细节表现更淋漓尽致，影像爱好者可以前所未有的清晰度记录宝贵的影像片段, 共享影像盛宴。

图1-12 索尼FDR-AX1E 4K高清晰摄像机

摄像机的分类

随着工艺水平的发展，元器件的不断更新，摄像机的种类和用途越来越多，其分类方法也有很多种。

一、按信号质量分类

摄像机根据性能和用途的不同，可分为家用级、专业级和广播级。这种划分是指同一代产品。

（一）家用级摄像机（民用级摄像机）

图1-13   家用级摄像机

家用级摄像机（见图1-13）的主要特点是经济、小巧、操作简便，一般价格较低。它们主要应用于对图像质量要求不高的场合，目前除了家庭使用外，还广泛应用于工业、商业、交通等单位监视。目前常用的DV及硬盘数字掌中宝摄像机都属于这种类型。

（二）专业级摄像机（业务级摄像机）

图1-14  专业级摄像机

专业级摄像机（见图1-14）因其多应用于广播电视以外的专业领域，如教育领域、部队科教宣传方面、工业生产领域、医疗卫生领域等而得名。其与广播级摄像机在指标上不一定有明显差距，只是采用的元器件的质量等级不同。专业级摄像机一般比较轻便，价钱也相对略为便宜，图像质量略低于广播级摄像机。

目前SONY的DVCAM系列摄像机、松下（Panasonic）的DVCPRO系列摄像机、JVC的专业DV格式摄像机等都属于这一级别的摄像机。近年来随着CCD和CMOS等摄像器件的质量、技术水平的提高，高档业务级摄像机在性能、指标的很多方面均已超过过去广播级领域使用的模拟摄像机。在清晰度、信噪比、灵敏度等重要指标上，已和广播使用的数字摄像机没有多大区别，只是色彩还原性、自动化方面还略逊于广播用数字摄像机。专业级摄像机也可用于新闻采访和在演播室制作艺术要求不高的节目。

一些具有特殊用途的摄像机，如医疗用X光摄像机、带有夜视功能的监视摄像机、水下拍摄使用的摄像机、拍摄体育运动的高速摄像机等，它们的图像质量上虽然明显低于高档专业用摄像机，但它们有其特殊的功能要求，也属于专业级摄像机的范畴。

（三）广播级摄像机

图1-15  松下AJ-D908MC 广播级摄像机

广播级摄像机（见图1-15）广泛应用于广播电视领域，图像质量非常高，性能全面，适合于各级电视台在演播室和现场节目制作的场合下使用。其图像质量好，几乎无任何失真，色彩逼真，在允许的工作温度范围内，图像质量变化很小。在工作环境恶劣的情况下，如寒冷、酷热、潮湿等条件下，也能拍出令人满意的电视画面。但相对于其他级别的摄像机，广播级摄像机价格昂贵，体积较大，重量也比较重。

目前索尼的数字BATECANM系列、BETACAMS-X系列摄像机，松下的DVCPRO-50系列摄像机，JVC的数字D-9格式的摄像机都属于此类。

随着摄像机朝着高质量、小型化、自动化、数字化方向的发展，以上三种级别的摄像机之间的差别越来越小。近年来，随着人们对广播电视的信号质量要求的不断提高以及科学技术的快速发展，高清晰度电视设备应运而生，目前已应用在广播电视领域。

二、按制作方式分类

按照电视节目制作方式，电视摄像机可以分为ENG用、EFP用、ESP用三类。

（一）ENG（电子新闻采集）

图1-16  ENG摄像机

ENG（ElectronicNews Gathering,电子新闻采集）方式是以一台摄像机为工作单位，拍摄采集新闻节目素材。ENG用摄像机（见图1-16）工作于复杂多变的环境中，要求体积小，便于携带，对非标准的照明情况有良好的适用性，在恶劣环境中（如工作温度大范围的变化）具有很好的安全稳定性。在调试操作使用中具有很大的方便性，自动化程度高，在实际操作中调整方便，通常为便携式摄录一体机。它们的图像质量比演播室用摄像机要低，价格也相对便宜。

近年来，随着卫星发射技术的快速发展，SNG（SatelliteNewsGathering）---“卫星新闻采集”应运而生。SNG是新一代的电子新闻采集系统(ENG)，它以卫星通信系统作为传输平台，电视台或其它新闻传媒机构，在新闻现场所采集到的视频及音频信号，通过SNG系统处理后，发射到同步通信卫星再转送回电视台或新闻机构总部，电视台或新闻总部可以直接转播或经过编辑后播出。SNG它不受地域限制，可以通过卫星实现在两点和多点间高清、实时传送活动图像、语音及数据等形式的信息。由于应用了最新的卫星通信技术和设备，因而SNG在形式上打破了以往ENG传统的微波传送方式，而可以根据需要做成便携式系统(Flyaway)和车载式系统。SNG还突破了原来传统ENG的地形和应用区域限制，使各传媒机构能够更快更方便更经济地采集和转播突发性以及重要的新闻事件。如图1-17为“3G+卫星双模视频会议系统”。

图1-17  3G+卫星双模视频会议系统

（二）EFP（电子现场制作）

EFP（ElectronicField Production电子现场制作）方式（见图1-18）是以一整套设备连接为一个拍摄和编辑系统进行现场拍摄和现场编辑的节目生产方式。EFP也是电视技术迅速发展的产物，是一种适用于“台外”作业的电视节目生产方式。它必须具备的技术条件是一整套设备系统，包括两台以上的摄像机，一台以上的视频信号（图像）切换台（见图1-19），一个音响操作台及其他辅助设备（灯光、话筒、录像机运载工具）等。EFP摄像机的图像质量高于ENG，与演播室使用的摄像机很相近，但体积小一些，能满足轻便型现场节目制作的需求。

图1-18    三讯道EFP系统

图1-19  广播级箱载移动现场制作切换系统

（三）ESP（电子演播室制作）

图1-20  广西电视台演播室摄像机

图1-21  广西电视台演播室摄像机工作现场

ESP（ElectronicStudio Production 电子演播室制作）方式摄像机（见图1-20）追求高清晰度、较高的信噪比和较高的图像质量，常使用较大尺寸的成像器件；但对摄像机的体积几乎没有要求，常使用长焦距、大口径镜头，因此体积大，重量重，常安装在专用的大机型机座上。ESP摄像机主要在演播室内使用（见图1-21），演播室的照明强度、色温等都是有利于摄像机工作的最佳环境，因此拍摄画面质量非常高。

ESP摄像机通常是电视台里质量最好的机器，但价格也较昂贵。EFP用摄像机信号质量与ESP相近，但体积更小，便于携带。

近年来，随着摄像机朝着高清晰度、高质量、小型化、自动化、数字化等方向的迅速发展，以上三种级别摄像机之间的界限越来越不明显。

三、按摄像器件分类（光电转换器件）

根据摄像机使用的光电转换器件不同，摄像机可以分为摄像管摄像机、CCD摄像机和CMOS摄像机三大类。

（一）摄像管摄像机

摄像管摄像机（见图1-22）工作性能不稳定，且体积较大，拍摄图像信号质量不高，已经逐渐退出历史舞台被CCD和CMOS摄像机所取代。

图1-22  1989年生产的日立Z31A摄像管摄像机

（二）CCD（电荷耦合器件）摄像机

这种摄像机（见图1-23）主要以CCD为感光成像元件，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。CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和重现。其主要特点是：体积小重量轻；功耗小，工作电压低;抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；灵敏度高，噪声低，动态范围大；响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小、无残像、价位较高。

图1-23  3CCD1/3英寸松下摄像机

（三）CMOS（互补金属氧化物半导体）摄像机

图1-24  索尼 HXR-MC1500C高清专业摄像机CMOS成像器件

这种摄像机（见图1-24）主要以CMOS为感光成像元件，CMOS指互补金属氧化物半导体，是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制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件，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，再通过芯片上的模——数转换器(ADC)将获得的影像讯号转变为数字信号输出。CMOS与CCD主要有以下不同：①信号读取速度快；②集成性高；③耗电低，更加节能；④成像过程中产生的噪声高，由于CMOS图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。

CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别。CCD只有少数几个厂商例如索尼、松下等掌握这种技术。而且CCD制造工艺较复杂，采用CCD的摄像头价格都会相对比较贵。事实上经过技术改造，目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD，所以很多摄像头生产厂商都采用了CMOS感光元件。成像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。但CMOS由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。

目前的情况是，许多低档入门型的数码相机使用廉价的低档CMOS芯片，成像质量比较差。普及型、高级型及专业型数码相机使用不同档次的CCD，个别专业型或准专业型数码相机使用高级的CMOS芯片。代表成像技术未来发展的X3芯片实际也是一种CMOS芯片。CCD与CMOS孰优孰劣不能一概而论，但一般而言，普及型的数码相机中使用CCD芯片的成像质量要好一些。

由两种感光器件的工作原理可以看出，CCD它的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。 在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器;CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄像头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠以“数码相机”之名。一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。

四、按摄像器件数量分类

（一）三管或三片式摄像机

结构复杂、体积大、价格高，能产生三基色信号，图像质量好，技术指标高，主要用于广播级和专业级领域。

（二）二管或二片式摄像机

体积、价格和技术性能介于三管或三片式摄像机和单管或单片式摄像机之间，由于其图像质量无法与三管（片）摄像机相比，而体积的轻巧程度又无法与单管（片）摄像机相比，因而二管（片）摄像机很难在市场占有一席之地，只是一种过渡机型。

（三）单管或单片式摄像机

结构简单、体积小、价格低，图像质量能满足非专业需要，主要用于家庭、监视器等非专业领域。

五、按摄像器件尺寸分

摄像器件的尺寸越大，拍摄图像信号质量越好，但机器的体积也越大。有5/4in（英寸）、1in、2/3in、1/2in、1/3in、1/4in等种类。家用摄像机的成像器件尺寸相对较小，如1/3in、1/4in；专业广播级摄像机成像器件尺寸相对较大如2/3in等。

六、按功能分类

（一）普通摄像机

图1-25 索尼HXC-D70全高清3 片式2/3英寸CMOS摄像机

普通摄像机（见图1-25）只有摄像功能，使用时需与录像机组成摄录一体机或通过摄像电缆与便携式录像机链接，也可以在演播室与切换台等设备配合使用。

（二）摄录一体机

是摄像机与录像机结合成一体的电视设备。根据结合程度又可分为可分离摄录一体机和完全一体化摄录一体机两类。可分离摄录一体机的摄像机可与某些格式的专用录像机构成摄录一体机，也可配摄像机附加器单独作摄像机使用，多用在广播电视专业领域，完全一体化摄录一体机多用于家用摄录机。

七、按信号处理方式

按信号处理方式可以分为模拟摄像机和数字摄像机。目前模拟摄像机已被数字摄像机所淘汰，数字摄像机已占领市场。

八、按清晰度等级分类

（一）标准清晰度摄像机

主要是指现行电视体制下的摄像机清晰度一般在250电视线——850电视线之间。

（二）高清晰度摄像机

主要是指高清晰度电视体制下的摄像机，清晰度一般在1000线以上。目前我国广播电视系统正在向高清晰度发展，高清晰度摄像机已大量使用，标清晰度摄像机处于被逐渐淘汰趋势。