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CCD摄像机中的高速电子快门
时间:2007-2-26 浏览次数:11512 来源:电视摄影教程

      快门是照相机(或摄影机)所特有的用来控制曝光时间的一种装置。如果将照相机(或摄影机)中的曝光时间的含义运用于摄像机中。摄像机的曝光时间.则可称为快门速度.就是同一像素相继二次读出电荷的时间周期.也就是像素积累电荷所需的时间。对于传统的真空管式摄像机,根据电视扫描制式的不同,PAL制的快门速度为1/25s(s表示秒).NTSC制的快门速度为1/30s。对于CCD摄像机,其基本的快门速度应为1/50s(PAL制)或1/60s(NTSC制)。
    1.在CCD摄像机中采用高速电子快门的主要目的
    传统的真空管式摄像机由于快门速度较低,加之摄像管的惰性较大,因此.在拍摄高速运动物体时,很难准确“冻结”物体的变化动作。这样在重放时,特别是慢动作或“定格”(静帧)重放时,画面的轮廓往往模糊不清,动态分辨力不高。
    有两条途径可以提高画面的轮廓清晰度和动态分辨力:一是提高快门速度,二是降低摄像管的惰性。
    由于CCD摄像机中的摄像器件是依靠时钟脉冲来读取电荷的.这一点决定它本身的惰性很小。另外,CCD摄像机的基本快门速度略高于真空管式摄像机.因此.采用高速快门的CCD摄像机其动态分辨能力要高于真空管式摄像机.这是CCD摄像机的一大优点。尽管如此,在拍摄高速运动的物体时.如果CCD摄像器件还是采用摄像管的基本快门速度来拍摄高速运动的物体,它的动态分辨能力仍然难以满足实际需要,因此对于CCD摄像机,只有提高其快门速度才能实现。CCD摄像器件对像素电荷的读取是采用时钟脉冲在场逆程期间进行的,这一点使得CCD摄像机.可以非常方便地通过加装高速电子快门的办法来提高其动态分辨能力,这就是目前生产的CCD摄像机多采用高速快门的主要原因和目的。
    采用高速电子快门之后.不仅使CCD摄像机在拍摄高速运动物体时图像的细节更加丰富。而且显著地提高了重放时.特别是慢镜头和定格(静帧)重放画面的清晰度。
    2.高速电子快门的工作原理
    目前除帧转移方式的CCD摄像机仍然使用机械快门来清除垂直拖尾现象外.在帧一行间转移方式和行间转移方式的CCD摄像机中.均使用了操作更为方便、并且控制范围更大的电子快门。实现高速电子快门的基本构思是,将成像区积累信号电荷的场正程时间分为两部分:前一部分时间积累的信号电荷被无效地释放掉,不形成信号输出,后一部分时间积累的电荷被有效地利用起来.形成信号输出。以帧一行间转移方式为例。其无效电荷的释放是在前一部分积累时间结束后.由读出脉冲和高速反向移位脉冲将整个成像区的像素电荷统一移至“过流溢出”区域来实现的。具体地说,若通过电子快门(或旋钮),选择的高速快门时间为1/t秒,则在场正程开始后.成像区的CCD像素按照正常的帧一行间转移方式积累电荷,当积累
时间至(1/50-1/t)秒(PAL制)时,成像区积累的电荷便在读出脉冲的控制下,被快速送至垂直移位寄存器.随即在高速反向移位脉冲的控制下.再将垂直移位寄存器的电荷移至“过流溢出”区域。在剩余的场正程时间(1,t)秒(PAL制)内,成像区的CCD像素又开始重新积累电荷,直至场正程结束。在场消隐期间.再按照正常的帧一行间转移方式将有效电荷转移和读出。可见.有效电荷的积累时间就是CCD摄像机的曝光时间。显然,曝光时间的长短与读出脉冲的位置有关。帧一行间转移方式CCD摄像机中读出脉冲的位置是受所选择的快门速度的控制,快门速度愈高,其读出脉冲相对于场正程前沿的右移量愈大.则无效电荷的积累时间愈长;有效电荷的积累愈短,曝光时间愈短,反之,则曝光时间愈长。
    3.高速电子快门的使用
    目前.CCD摄像机种类繁多。型号各异,不同类型的CCD摄像机所设置的电子快门的级数和速度往往并不相同。如有的只设有标准、1/1000s,有的则设有标准、1/120s、1/250s、1/500s、1/1000s、1/2000s、1/4000s等,有的甚至更多、更高。具有高速电子快门的CCD摄像机均有一个高速电子快门按键(或旋钮),摄像机上一般用英文(HIGH SPEED SHUTFER)标注,各级快门速度一般在电子寻像器中有相应的数字显示。选择快门速度时,只要重复按动高速快门选择键.则快门的速度就会按一定的顺序改变,如果寻像器里显示的数字为“1/1000'’.则表示摄像机的曝光时间为1/1000s。
    尽管高速电子快门的使用可以提高CCD摄像机的动态分辨能力.但同时也会带来一些缺点,这些缺点主要有:
    (1)使用高速电子快门时,由于CCD像素积累有效电荷的时间减少了。因此。摄像机视频信号的输出电子必然降低(图像变暗),导致摄像机的灵敏度下降,快门速度愈高,灵敏度下降愈严重。当然灵敏度的下降完全可以采用增大光圈和提高增益的办法来补偿.但同时却使图像的景深缩小和信噪比下降。
    目前,部分CCD摄像机在灵敏度、信噪比、分解力等性能指标方面已超过了同档次的真空管式摄像机。
    (2)使用高速电子快门拍摄运动物体时,由于运动物体每一场中均有一段时间没有用来进行有效电荷的积累,因此,在重放时,必然会造成运动物体动作的不连续。即产生类似“动画”的效果。快门速度愈高,重放速度愈慢,“动画”效果愈明显。
    (3)在使用高速电子快门时,我们应首先考虑所用摄像机的灵敏度和所摄环境的照度.然后再根据拍摄内容和实际需要,选择恰当的快门速度。当摄像机和被摄物之间有相对运动.但拍摄内容无特殊需要,而且环境照度较低时,应采用标准速度快门拍摄.以提高摄像机的灵敏度。如果环境照度较高,则可采用较高的高速快门速度进行拍摄.这样在拍摄完后用具备超静止前进和慢动作的录像机重放快速动作的场面时,画面仍然非常清晰。假如拍摄内容在重放时需呈现清晰的动作变化过程.则在环境照度允许的情况下.可以采用较高的快门速度进行拍摄。例如在拍摄体育运动项目时,若采用较高的快门速度,则在重放,特别是慢动作以及定格(静帧)重放时,可以得到轮廓清晰的运动画面。
    当环境照度很高,并已超出摄像机的正常工作范围时。在无中性滤色镜情况下.当光圈调整至最小(F16)仍然不能使照度降低到摄像机所要求的照度范围:或因拍摄艺术造型的需要.不允许采用较小的光圈拍摄时,就可采用高速快门来衰减镜头的进光量。快门速度愈高.对入射光的衰减越大。为了使用方便,有些摄像机设有EEI(扩展电子光圈)电路。当环境照度较高时,摄像机内部的CCD便自动启动电子快门在0~1/250s之间连续进行调整.以减小镜头的入射光。
    注意:
    在以荧光灯照明的拍摄场合,为了避免画面出现黑场,应采用高于1/100s(PAL制)或1/125s(NTSC制)的高速快门拍摄。

 
 
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