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、標清攝像設備升級到高清攝像設備后，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注意的事項。

2．攝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，先介紹一下光學系統(tǒng)單透鏡成像的基本原理。凸透鏡的光學成像計算公式見式（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．攝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，標有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，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，水平視場角比標清大，畫面包容的景物多，景深比標清小很多，所以聚焦時要格外仔細。高清拍攝靜態(tài)鏡頭時，應把變焦距攝影鏡頭變焦至某擋焦距處(即適當景別)，當作定焦距鏡頭使用，具體使用哪一擋焦距拍攝，就應直接在該擋焦距狀態(tài)下精確調焦，直到尋像器中被攝主體的影像最清晰時為止，或直至調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焦距離值時為止。

標清拍攝靜態(tài)鏡頭時，往往習慣于先將變焦環(huán)變焦至最大焦距處精確調焦，然后再將其變至預選短焦距處拍攝，這種方法不適合高清攝像的調焦要求。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，容易在調焦完畢后的變焦過程中，使調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，開關標有T、W標記，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，標有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為成像尺寸高度或寬度，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，開始和結束時要慢一些，中間稍快一些；（2）推拉要有目的，當廣角拍攝時，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的關系

鏡頭的光圈是控制光線透過鏡頭，進入機身內(nèi)感光面光量的裝置。進光量通過在鏡頭內(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識，（參見圖5）表示鏡頭的進光量，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，進光量越多，光圈系數(shù)（擋數(shù)）增加或減少1擋，進光量差2倍。

逆光拍攝注意事項：（1）如放在自動擋，將導致拍攝主體面部看不清，導致曝光不足，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，不用時應關閉。例如索尼PMW-580攝像機斑馬紋可設置50%-107%，設置為70%時，在鏡頭前放一塊中灰板,調整光圈的開合,當畫面中的中灰板出現(xiàn)斑馬紋,說明當前曝光正常。100%是指純白,沒有細節(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）。當人物臉部的高光部分，如臉龐、額頭、鼻頭剛好進入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。景深與相關因素的關系見圖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??；光圈越小，景深越大；

圖7 景深與相關因素的關系

（2）鏡頭焦距：鏡頭焦距越長，景深越??；焦距越短，景深越大；

（3）拍攝距離：距離越遠，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，第一款攝像機為標準4：3格式，水平清晰度為500 線；第二款攝像機為標準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)。

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

以上所述高清本身特定的技術條件，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。可在聚光燈前加柔光紙使光線變?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，但高清電視照明必須要注意影調與色調的階調變化，著力于立體感、層次感、空間感的表達，這是高清照明區(qū)別于標清照明的顯著特點。

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，鏡頭又分為標準鏡頭、廣角鏡頭和長焦鏡頭等。當視場角與人眼的視覺特性很接近時，稱為標準鏡頭。便攜式攝像機標準鏡頭一般為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，此鏡頭可用于遠距離拍攝物體。

當前國內(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)，計算結果如下：

從結果來看，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，以防積累的灰塵進入轉動間隙，造成鏡頭磨損；

（2）鏡頭在購買時，最好配置相應的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）鏡頭使用完應放置在防潮環(huán)境，可以放置在標準空調環(huán)境或干燥箱內(nèi)。