丁涛 吴红伟 徐州广播电视台

1．概述

随着广播电视事业的发展，观众在对节目内容要求的同时，对图像质量提出了更高的要求,高清摄像机已广泛用于电视台、商业传媒、文化演出市场等场所。但是，许多摄像记者从模拟、标清摄像设备升级到高清摄像设备后，对高清镜头在拍摄高清节目中如何正确使用还不熟悉。本文介绍了摄像机镜头的基本原理、用途分类及其在高清拍摄时应注意的事项。

2．摄像机镜头成像基本原理

为了了解摄像机镜头成像的基本原理，先介绍一下光学系统单透镜成像的基本原理。凸透镜的光学成像计算公式见式（1-1）。

式中u为物距 v是像距 AB为物高 A’B’为像高放大率：M= A’B’/ AB=v/u=f/u-f, 当u>>f，m≈f/u。单透镜成像原理图如图1所示。

图1 单透镜成像原理

图2 组合透镜成像原理

在实际使用中，组合透镜成像计算公式见式（1-2）。组合透镜成像原理如图2所示。

根据公式(1-2)可以看出，在变焦时，物距不变，被摄物体可变大或变小，通过改变f1、f2或d，以改变等效焦距。

3．摄像机镜头的组成及拍摄中的注意事项

摄像机的镜头由聚焦组、变焦组、补偿组、光圈和倍率镜组成，镜头组成如图3所示。聚焦组完成对物体的聚焦，清晰成像。变焦组主要作用是改变焦距来改变像的大小，补偿组是在变焦过程中，保持图像画面不变。固定组是保证镜头的最后一个透镜表面到成像器件有一定距离，以便安置分光棱镜。可以在固定组中，添加倍率组，以便扩展成像。聚焦方式包括手动、自动和遥控三种方式，在镜头控制手柄下部FOCUS位置有拨动开关，标有Manu、Servo，见图4。拨到SERVO状态后，控制手柄没有安装到REMOTE口时，摄像机自动聚焦，如有控制手柄接入FOCUS REMOTE口，聚焦组镜头将由伺服手柄遥控。

图3 镜头组成

图4 镜头聚焦方式选择

由于在不同拍摄场合的聚焦精度不一样，聚焦操作应注意以下事项：

（1）长焦拍摄时，对聚焦要求较高；

（2）拍摄物距很小时，聚焦要求也很高；

（3）光圈开得很大时，对聚焦要求很高；

（4）拍摄运动物体时，随着物距变化，聚焦也要随之变化；

（5）高清摄像机的焦点不易对准，是一个普遍问题。

高清的焦点难以聚实，是因为高清的分辨率高，水平视场角比标清大，画面包容的景物多，景深比标清小很多，所以聚焦时要格外仔细。高清拍摄静态镜头时，应把变焦距摄影镜头变焦至某挡焦距处(即适当景别)，当作定焦距镜头使用，具体使用哪一挡焦距拍摄，就应直接在该挡焦距状态下精确调焦，直到寻像器中被摄主体的影像最清晰时为止，或直至调焦基线所指示的刻度值刚好等于用皮尺所直接测量出的调焦距离值时为止。

标清拍摄静态镜头时，往往习惯于先将变焦环变焦至最大焦距处精确调焦，然后再将其变至预选短焦距处拍摄，这种方法不适合高清摄像的调焦要求。因为变焦距镜头在变焦时，普遍存在着微量的像面漂移现象，不同焦距处的最佳焦点位置未必精确一致，此外，使用推拉式变焦距镜头时，容易在调焦完毕后的变焦过程中，使调焦位置在无意中被误触动而改变。因此，高清摄像时，为了获得被摄主体的最清晰影像，就必须在所用焦距状态下直接精确调焦后拍摄，否则将影响画面的清晰度。

摄像机的变焦有两种方式，镜头控制手柄上有一个翘翘板变焦开关，开关标有T、W标记，如图5所示。

按压T（推），焦距增加，按压W（拉），焦距减小。变焦方式分手动、自动、遥控三种方式。在镜头控制手柄下部ZOOM位置有拨动开关，标有Manu、Servo。拨到Servo状态后，控制手柄没有安装到REMOTE口时，摄像机将由镜头控制手柄，如有控制手柄接入ZOOM REMOTE口（参见图4），变焦组镜头将由伺服手柄遥控。

图5 镜头变焦方式选择

摄像机拍摄图像时，图像的尺寸不仅取决于镜头的成像尺寸，还取决于成像器件的大小。成像尺寸确定以后，镜头具有一个确定的视野。镜头对这个视野的高度和宽度的张角称为视场角。在变焦过程中，视场角α∞H/2f（见图6），H为成像尺寸高度或宽度，f为焦距。

工作距离：视场=焦距：CCD大小

（1）f↑m↑像高↑α↓

（2）f↓m↓像高↓α↑

（3）变焦的范围及其表示：以富士镜头为例，例如HA18X7.6BERD HA为高清系列，变焦范围为7.6mm-136.8mm, 最短焦距是7.6mm，变焦倍率为18倍，B是B4接口，E为扩展镜头, RD为全伺服（电子伺服）, RM为半伺服（机械），倍率镜X2变焦范围将扩大1倍，变为15.2mm-273.6mm。

变焦操作要注意的问题：（1）推拉要均匀，拍摄静止画面，开始和结束时要慢一些，中间稍快一些；（2）推拉要有目的，当广角拍摄时，要把观众的注意力引到某一主角上，采用推，要交代主题和周围环境相对位置时，要拉出来；（3）推镜头时，焦距越长，聚焦要求越高；（4）广角拍摄距离较近时，会产生畸变。

图6 视场角与H和f的关系

镜头的光圈是控制光线透过镜头，进入机身内感光面光量的装置。进光量通过在镜头内部加入多边形或者圆形、面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量。光圈的计算公式为F=f/D,F为光圈系数，f为焦距，D为相对孔径。相对孔径（一般摄像机控制手柄和镜头上一般都有标识，（参见图5）表示镜头的进光量，相对孔径＝焦距/镜头口径（最大光圈），即焦距和镜头口径的比值。 相对孔径的倒数＝光圈系数（光圈值）， 例如,某镜头焦距是50mm ,光圈4，一般写作f/4,其有效孔径是50/4＝12.5mm。

镜头的光圈系数（挡数），排列顺序一般是：1.4、2.0、2.8、3.5、4.0、5.6、8.0、11、16等，镜头系数（挡数）越小，光圈越大，进光量越多，光圈系数（挡数）增加或减少1挡，进光量差2倍。

逆光拍摄注意事项：（1）如放在自动挡，将导致拍摄主体面部看不清，导致曝光不足，这时要把光圈拨动开光拨到手动控制，即AUTO-Manual，调大光圈或者给主体打光；（2）手动光圈确定F值时，顺光情况下，测光为1.4，手动减一挡，逆光加一挡，在拍人脸特写时，不要改变；（3）斑马纹开关的使用，作为曝光值的辅助指示,打开75%的视频信号在寻像器的设置，如果出现斜条纹，说明曝光正常。注意在打开此项功能时，影响聚焦，不用时应关闭。例如索尼PMW-580摄像机斑马纹可设置50%-107%，设置为70%时，在镜头前放一块中灰板,调整光圈的开合,当画面中的中灰板出现斑马纹,说明当前曝光正常。100%是指纯白,没有细节的纯白。通常来讲，70%的主要用于将主体人物脸部作为曝光依据（特别是摄影灯照射下的采访镜头）。当人物脸部的高光部分，如脸庞、额头、鼻头刚好进入70%的范围时，斑马纹刚好出现，这时拍摄的人物画面效果最好。100%可用在拍摄高亮画面且需要保留细节的情况，比如背光景物或冬天雪景，100%的过曝光部分跟主体进行对比。

高清拍摄过程中要特别注意景深的变化。景深是在镜头聚焦完成后，在焦点前后都能形成清晰图像的距离。景深与光圈、镜头焦距成反比、与拍摄距离成正比。景深与相关因素的关系见图7。

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

（2）近距离景深公式：ΔL≈2Fδ（M+1）/M^2 (2-2)

δ-容许弥散圆直径，F-镜头的拍摄光圈值，f-镜头焦距，L-对焦距离

M为放大倍率

通常后景深略大于前景深，在放大率很小或拍摄距离很远时，后景深是前景深的2倍。拍摄时需要注意以下几点：

（1）光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；

图7 景深与相关因素的关系

（2）镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；

（3）拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

举例，比较两款CCD尺寸都为2/3英寸的摄像机，第一款摄像机为标准4：3格式，水平清晰度为500 线；第二款摄像机为标准16：9格式，水平清晰度为1080线。计算出两款摄像机的允许弥散圆直径为：

第一款摄像机允许弥散圆直径δ=W/（R×H/V）=8.8/（500×4/3） =0.013（mm）

第二款摄像机允许弥散圆直径δ=W/（R×H/V）=14.7/（1080×16/9） =0.007（mm）

式中W为CCD像面的水平宽度，H/V为CCD像面的宽高比，R为水平清晰度线数。

将结果带入景深公式（2-2），可以看出高清摄像机景深比标清小，约是它的1/2，这是拍摄标清和高清时要注意的地方。

以上所述高清本身特定的技术条件，决定了高清电视照明的特殊要求，其特点是：

（1）光线要柔和。照明时应采用软光照明，尽量少用硬光。特别是用于人物脸部的光线，最好采用柔和的散射光。可在聚光灯前加柔光纸使光线变柔。

（2）布光要匀。演区的光线要均匀。在布光时，不同方向的光线照向演区时，同一方向光线的照度要一致，以保证摄像机变换机位连续拍摄时，前后画面影调的一致性。因此，电视照明的均匀性是指演区的照度和反差的一致性。

（3）光比小。光比是被摄对象面光与逆光、被摄对象面光与背景光的照度比值。高清电视照明的光比一般为2：1～3：1，但随着光线角度的不同、需要突出的重点，应增大或缩小光比。高清电视照明的光比要小，是与电影照明相比较而言的。

（4）透视感强。即画面的透视感要强，透视感与很多因素有关，但高清电视照明必须要注意影调与色调的阶调变化，着力于立体感、层次感、空间感的表达，这是高清照明区别于标清照明的显著特点。

4．镜头的分类及选配

镜头按照产地分类主要是日系镜头和德系镜头。日系镜头的色彩还原性比较好，德系镜头的层次感比较强。市场上国产镜头也逐渐有一定的市场，价格比较低廉。常见的镜头卡口包括：4/3，AR，FD/FL，B4, PL, MD/MC，FX/XA，EF，SA，A，E, C/Y，Kyocera/Yashica AF，K/PK/RK，M42，Mamiya，OM，F，R，Kyocera Contax-N等等。佳能和富士广播级摄像机镜头的接口有卡口和旋口两种。常用的大多为B4 2/3英寸卡口。索尼的4K摄像机F55为E卡口，松下4K摄像机VARICAM-LT是EF卡口，两者都可选配PL卡口，安装PL镜头。

根据视角分类，镜头又分为标准镜头、广角镜头和长焦镜头等。当视场角与人眼的视觉特性很接近时，称为标准镜头。便携式摄像机标准镜头一般为25mm，视角在30度以上；广角镜头是视角60度以上的镜头，现在广角可以做到90度以上，焦距约4毫米，可提供较宽广的视景；长焦镜头视角小于40度，现在可以做到1度以内，焦距是几米甚至几十米，此镜头可用于远距离拍摄物体。

当前国内广电高清镜头主要使用富士和佳能两个品牌，表1是富士和佳能镜头性能及适用场景的比较。

表1 富士和佳能镜头性能及适用场景的比较

遥控聚焦、变焦 SM 手动/伺服模块可互换L手动聚焦，手动变焦4 S 伺服光圈L手动光圈T数字伺服（用于便携式）空白 模拟伺服（用于便携式）E数字伺服驱动D 5 V 内置图像稳定器（用于便携式）SC 电影镜头D 用于DIGISUPER系列演播室/外景镜头 AF自动聚焦功能7 ITS-ME/RE广播级遥控镜头，2倍倍率手动/电动8 ITS/KTS 业务级遥控镜头6

5. 镜头的选配

选择镜头时，要了解摄像机镜头的型号命名的含 义： 如 富 士 镜 头 HA18X7.6BERD-S6B 1：1.8/7.6-137mm，对照表1，可以看出HA用于2/3”摄像机，18为变焦倍数， B为B4卡口，E带倍率镜，RD全伺服控制，相对孔径1：1.8，7.6为最短焦距，137为最大焦距。

选择镜头的原则：主要是焦距的计算，镜头的焦距，视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算，计算公式见式(3-1)。

式中f：镜头焦距，h：图像的宽度（被摄物体在ccd靶面上成像宽度），H：被摄物体宽度，D：被摄物体至镜头的距离，u：图像高度（被摄物体在ccd 靶面上成像高度），U： 被摄物体高度。

按 16：9计 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

当拍摄100米距离的物体时，被摄物体高1.8m，需要显示在2/3”成像器上高度为2/3h（约5.2mm），以上数值代入公式(3-1)，计算结果如下：

从结果来看，镜头最大焦距要满足288mm。在满足焦距的同时，选配镜头时，还要注意要选择合适的卡口适配器。

6. 镜头的清洁和保养

（1）按使用频率，一个月考虑清洁一次，以防积累的灰尘进入转动间隙，造成镜头磨损；

（2）镜头在购买时，最好配置相应的UV镜，起到防紫外线、防尘和防潮作用，还可以防止物理损伤；

（3）镜头使用完应放置在防潮环境，可以放置在标准空调环境或干燥箱内。