《视频技术基础》第二章.ppt

电视成像原理与视频信号的产生 2 1概述 要实现图像信息的传输 需要将景物的光图像转换成图像电信号 1 光 电转换过程是依靠摄像器件 含光学镜头 完成的 2 像素 将一幅空间上连续的黑白图像分解成许多小单元 称为像素 3 扫描 将图像分解成像素后顺序传送 摄像管 光电转换原理示意图 摄像管成像的机理 利用光电导材料将光像变成电荷像 再通过电子束扫描拾取电荷 变成图像信号 无光照射时 光敏半导体材料体电阻很大 有光照射到靶面外层 光敏半导体材料的电阻变小 且变化量与光通量成正比 利用这一特性 通过镜头在靶面外侧形成的光学图像 变成光敏材料的电阻构成了电荷像 由于靶平面的横向电阻远远大于靶剖面的纵向 光传播方向 电阻 靶面的电荷不会横向扩散 利用有一定截面积的电子束扫描靶的内侧 靶面被分解成若干独立的单元象素 每个象素可等效一个光敏电阻和一个电容 电荷被存储在等效电容中 当电子束射向靶且扫过靶上的某一象素时 等效电容上的电荷通过电子束 阴极 信号电极 外接负载电阻RL 靶压电源放电 在负载电阻RL形成视频信号输出 象素的等效电容在未被扫描期间完成的是充电过程 在电子束扫描期间完成的是放电过程 CCD图像传感器 1970年出现电荷耦合器件 ChargeCoupledDevices CCD 1987年报告了第一代广播用CCD摄像机 相继出现SDTV和HDTV的CCD摄像机 CCD传感器是一种低电压自扫描器件 重量轻 隔行析像好大大改善了成像系统的垂直分辨率 CCD图像传感器工作原理 1 光 电转换 光敏区 感光区 在光照下产生光电子 将像素的明暗程度转换成相应数值的光电荷量 2 电荷转移 存储区接收感光区产生的光电荷 3 自扫描 不依靠外加磁场 由加在CCD电极上的时钟脉冲控制 对应于各像素的光电荷按顺序转换成电信号输出 形成视频信号 CCD器件的基本结构信息存储 P型半导体基片 UG Uth M O S 金属电极 反型层 光敏面 光 SiO2 电荷转移 耦合 光敏单元 光 电荷转移单元 完成光 电转换 完成电信号传输 1 2 3 4 1 22V10 2V10V10V2V2V 1 2 3 4 1 22V2V10V10V2V2V 电荷转移 耦合 电荷转移 耦合 1 2 3 4 1 210V2V10V10V10V2V 1 2 3 4 1 22V2V10V10V 10V2V Id RS UD R N P Si OG CR2 CR1 输出信号 A 信息拾取 VR 2 2CCD像感器的抽样原理 电子束扫描的摄像器件在水平方向上输出的信号是连续的 所输出信号的视频频带带宽决定于电视扫描制式 以后再讨论 CCD摄像器件存在一个读出转移过程 自扫描方式完成 光屏蔽 铝 行间转移型CCD摄像器件的结构 CCD的一个象素分成两个关键部分 一个光敏单元和一个离散分布垂直寄存器 寄存器不受光照射 在场扫描正程期间 光敏单元积累的电荷正比于投射到光敏面上的光子 在场消隐期 光敏单元的电荷迅速转移到相邻的垂直寄存器中 在下一个场正程期间 在光敏单元积累电荷的同时 垂直寄存器的电荷在行逆程逐行向水平移位寄存器转移 每个行周期只转移一行 从水平移位寄存器顺序读出一行象素电荷 输出视频图像信号 光学抽样分析 任何物体在某一方向上的光强分布都可以通过傅立叶变换分解成具有不同空间频率的周期性变化成分 即正弦波光栅 CCD像感器的光电变换实际是光敏单元对正弦波光栅的抽样 t uc 0 u t 0 x L 0 光学抽样分析 要求CCD光敏单元所进行的光 电转换必须满足抽样定理 即Fs 2F0Fs CCD光敏单元水平方向的重复频率F0 光信号的最高空间频率CCD的象素数是影响CCD摄像机分辨率的主要因素 面阵CCD摄像器件的三种基本结构 光敏区 存储区 a c 2 3CCD的光 电转换 a 帧转移型面阵CCD b 行间转移型面阵CCD c 帧行间转移型面阵CCD 感光区 存储区 FT方式 水平区 感光区 存储区 视频输出 1 FT CCD结构及其自扫描 典型的FT CCD FrameTransferCCD 它由四大部分组成 光敏区 感光区 存储区 水平移位寄存器 水平区 和读出区 读出放大器 光敏区与存储区的结构相同 只是前者感光 后者由于没有光敏层而不感光 要传输一幅平面图像 首先由CCD的光敏单元将连续的空间光学图像分解 然后将每个象素进行光电转换 将该象素所对应的电信号顺序转换出去 形成视频信号 在FT CCD结构中 电荷从上到下 从左到右的转移 它是由加在CCD各电极上的时钟脉冲控制完成的 所谓自扫描是相对电子束扫描而言的 在面阵CCD摄像器件的光敏单元中 电荷的转移是由加在CCD各电极上的时钟脉冲控制完成的 而这些时钟脉冲是与电子束扫描形成光栅的行 场同步脉冲同步的 CCD摄像器件的电信号读出是依靠电极上的时序脉冲完成的 不需外加偏转磁场 故称为CCD的自扫描 2 行间转移型 IT型 InterlineTransfer 如图所示 摄像器件的光敏成像部分和存储部分以垂直列相间的形式组合 在场正程期间 在成像列积累信号电荷 场消隐期间一次转移到相应的存储列上 存储列的信号在每一行消隐期间沿垂直方向下移一个单元 在行正程期间 由水平CCD移位寄存器逐像素读出信号 光敏区 存储区 行间转移型面阵CCD 3 帧行间转移型FIT CCD FrameInterlineTransferCCD 视频输出 光敏单元 光敏区 存储区 垂直移位寄存器 FIT CCD结构 2 3 2MOS型像传感器及其工作原理 互补型金属氧化物半导体 ComplementaryMetal Oxide SemiconductorCMOS CMOS图像传感器的特点 1 低电压工作和低功耗 2 与片上电子电路 如控制逻辑 定时 图像处理 DSP 接口电路 兼容 网络摄像机 网眼等 3 图像数据随机存取 4 低成本 体积小 性噪比 灵敏度较低 0 1 1Lx 空间分辨率 5 动态范围 光谱特性较差 CMOS图像传感器的工作原理 CMOS图像传感器的各个象素实质上是一个个的微型光敏二极管 在象素曝光期间 入射光照射光敏二极管VD而产生电荷并存储于电容器C上 在控制电压作用下 场效应管VT导通后 电容C上积累的电荷通过VT传送至垂直总线上的负载电阻RL并转换成电压信号 2 3 4彩色视频信号的产生 要获取彩色视频信号 不能简单采用单片的CCD像传感器 因为此时CCD像传感器在进行光电转换时只对光的强弱敏感 也就是说 它只能识别光强 不能识别波长或光谱 为了得到彩色视频信号 需要将景物的彩色分解成三种基色光后再分别投射到三片CCD像传感器上 再由CCD读出各自对应的三种基色信号 三片式CCD彩色摄像机结构框图 绿色滤色器 蓝色滤色器 红色滤色器 光敏单元 光敏单元和滤色器的排列关系 图像信号处理器 2 4逐行扫描与隔行扫描 2 4 1显象管扫描的光栅结构传统的显示器采用CRT cathoderaytube阴极射线管 显示 高速运动的电子束轰击屏幕上的荧光物质发光 荧光屏的发光强弱取决于轰击电子的数量与速度 只要用代表图像的电信号去控制电子束的强弱 在磁偏转电流的作用下 电子束有规律的自上而下扫描整个屏幕 便能完成由电到光的转换 显示出与景物一致的图像 CCD摄像器件与液晶显示器件的工作方式与显象管的工作方式有所不同 自扫描方式 1 概述 显像管中的电子束扫描是通过在水平偏转线圈和垂直偏转线圈中通过锯齿电流来实现的 行扫描 在水平偏转线圈所产生的垂直磁场作用下 电子束沿着水平方向扫描 叫做行扫描 场扫描 在垂直偏转线圈所产生的水平磁场作用下 电子束沿垂直方向扫描 叫做场扫描 光栅 电子束扫描在荧光屏上形成的发光轨迹 扫描线 逐行扫描与隔行扫描 在逐行扫描中 所有帧的光栅都应相互重合 这就要求帧扫描周期TZ是行扫描周期TH的整数倍 也就是说每帧的扫描行数Z为整数 隔行扫描就是把一帧图像分成两场来扫 第一场扫描1 3 5 奇数行 称为奇数场 第二场扫描2 4 6 偶数行 称为偶数场 每帧图像经过两场扫描 所有像素全部扫完 偶数场扫描线正好嵌在奇数场扫描线的中间 构成一幅 帧 完整图像 逐行扫描 一帧画面 图像 一次性完成扫描 隔行扫描 一帧画面 图像 分二场完成扫描 22 22 18 16 7 5 20 9 21 14 3 2 11 10 19 8 17 15 6 4 13 12 1 19 17 18 20 21 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 1 2 逐行扫描光栅 隔行扫描光栅 2 逐行扫描光栅的形成 a 行扫描电流 b 帧扫描电流 c 扫描光栅图2 1逐行扫描电流和光栅 行扫描行扫描正程 行扫描正程时间THt行扫描逆程 行扫描逆程时间THr行扫描周期 TH THt THr行扫描频率 fH 1 TH场扫描场扫描正程 场扫描正程时间TVt场扫描逆程 场扫描逆程时间TVr场扫描周期 TV TVt TVr场扫描频率 fV 1 TV电视标准规定了行逆程系数 和场逆程系数 在显象端 行场锯齿波是与发送端送来的行 场同步脉冲同步的 若用Z表示一帧的扫描行数 TV ZTH实验表明 只有当换幅频率 即帧频 才能得到比较好的图像质量 实际在屏幕上显示的扫描行数小于Z 3 隔行扫描光栅的形成 1 下一帧扫描起点与上一帧起点相同 以保证各帧扫描光栅重迭 2 相邻两场扫描光栅必须均匀镶嵌 以获得最高清晰度 由1 每帧扫描行数必须为整数 或相邻两场行数之和为一整数 由2 而各场扫描电流又都是一样 则每场均须包含半行 每帧应包含奇数行 这时 两场扫描的起始点不相重合 但两场光栅却能均匀镶嵌 7 5 9 3 2 11 10 8 6 4 12 1 11 10 9 8 7 6 5 4 3 1 2 理论上的理想情况 理论上的理想情况 隔行扫描应满足 1 下一帧扫描起点与上一帧起点相同 以保证各帧扫描光栅重迭 2 相邻两场扫描光栅必须均匀镶嵌 以获得最高清晰度 由1 每帧扫描行数必须为整数 或相邻两场行数之和为一整数 由2 每场均须包含半行 每帧扫描行数应为奇数行 这时 两场扫描的起始点不相重合 但两场光栅却能均匀镶嵌 帧扫描与场扫描的关系在隔行扫描中 一帧图像由两场组成 显然帧周期TF可表示为 在隔行扫描中 为了保证两场扫描线在空间上均匀镶嵌 为此按我国广播电视标准 n 312 Z 625行 fv 50HZfH 15625HZ 每场312 5行 我国电视标准规定 每秒传送25帧 每帧图像为625行 每场扫描312 5行 每秒扫描50场 场频为50Hz 不会有闪烁现象 一帧由两场复合而成 每帧画面仍为625行 图像清晰度没有降低 而频带却压缩了一半 2 4 2隔行扫描与逐行扫描的比较 隔行扫描 为了保证电视图像有足够的清晰度 扫描行数需在600左右 我国标准为625行 每幅图像约44万像素 为了保证不产生闪烁感觉 帧扫描频率应在48Hz以上 这样图像信号的频带就会很宽 11MHz 使设备复杂化 采用隔行扫描的目的 为了既保证图像的清晰度 又压缩信号频带宽度 Z 625 视频带宽的计算 1 采用逐行扫描方式TF TV帧扫描正程的行数为Z 1 考虑到CCD的光学开口率小于1 光学图像的细节不可能正好落在CCD的光敏单元上 应乘以小于1的克尔系数K1 图像垂直方向的有效行数 分辨率 应为Z 1 K1 扫描光栅的幅型比为K 可以认为水平方向的图像分辨率与垂直方向是一致的 水平方向可能分解的象素数 即列数 为Z 1 K1 K因为一对黑白象素在光电转换后对应一个正弦波周期 所以水平方向的正弦波周期数 行扫描正程时间其中 TF 帧周期 水平方向可分解的正弦波的最小周期视频信号的最高频率 按我国广播电视标准 取K1 0 76 幅型K 4 3 帧频fF 50HZ 扫描行数Z 625 视频信号的最低频率是直流分量 光电转换后产生的视频信号的带宽 11 10264228MHZ 2 采用隔行扫描方式帧周期与场周期的关系是 2 隔行扫描的优缺点 优点 既保证了图像的清晰度 又压缩信号频带宽度 缺点 1 行间闪烁效应 2 由于系统的不稳定出现并行现象时 两场光栅不能均匀相嵌 垂直分解力下降 图像清晰度下降 3 动态垂直分解力降低 运动物体的图像出现左右 扭动 的垂直边沿锯齿化现象 图像边缘闪烁 4 隔行扫描产生的视频信号对于压缩处理和后期视频制作带来了困难 2 5视频信号与电视图像的基本参数 2 5 1扫描参数幅型比K 宽 高 4 3 2 1隔行扫描 帧频 帧周期 场频 场周期 帧周期与场周期的关是 每帧扫描行数 Z 625行 每帧有效扫描行数 575行 行扫描周期 TH TZ Z 40ms 625 64 s 行频 fH fZ Z 25Hz 625 15625Hz 2 5 2清晰度与分解力图像的清晰度 人眼主观感觉到的图像细节的清晰程度 图像的分解力 电视系统分解象素的能力 1 垂直分解力M电视系统沿图像的垂直方向上能分解的象素数 电视系统的垂直分解力决定于图像的每帧有效扫描行数 考虑图像的边缘与水平扫描线不可能完全重合需要引入小于1的克尔系数 取值为0 76 对于逐行扫描的情况 考虑隔行扫描电视系统的由于并行现象 垂直分解力会下降 引入隔行因子 取值0 6 0 7 M的单位为线2 水平分解力N电视系统沿图像的水平方向上能分解的象素数 电视系统的水平分解力主要与视频信号带宽有关 与传输通道和设备的通频带宽有关 频带越宽 图像的水平分解力越高 一般取图像的水平分解力与垂直分解力相当 3 分解力的测量方法电视测试卡测试方法 人眼测试 示波器测试1MHz相当80TVL数字测量方法 2 5 3图像对比度 灰度 1 图像的对比度 图像中最大亮度 图像中最小亮度 环境亮度图像的对比度或 2 电视图像的灰度 灰度 图像从亮到暗之间的亮度层次 用灰度等级表示 图像中能分辨的灰度等级越多 图像越柔和 逼真 反之赝像感就越强 一般来说 图像的对比度越大 图像的灰度层次也就越丰富 由人眼的视觉特性可知 人眼对亮度的分辨级数 灰度 受到对比度灵敏度阈值的限制 以此可得到人眼可以分辨的亮度层次 设图像中的最小亮度为Lmin L1 能分辨的第二级亮度L2为 设图像中的最小亮度为Lmin L1 能分辨的第二级亮度L2为第三级亮度为第n级亮度Ln为图像对比度对上式两边取对数可得因为 上式表明 人眼能分辨的亮度层次与对比度灵敏度阈值有关 与图像对比度有关 由前面讨论可知 景物的对比度一般不超过100 白石膏与黑板 要不失真地传输景物的图像 就要求显示的图像对比度也应为100 实际受到各种条件限制 一般在30 40 若取 c 40 计算出 数字图像的量化精度问题 数字图像量化只需6bit 64灰度级 考虑量化噪声和数字图像处理精度问题 采用8bit 256灰度级量化 2 6 1视频图像信号 1 图像信号 亮度信号 电平高低反映图像的亮度 幅度 70 灰度条阶梯波 白黑 L0 一行黑白全电视信号 峰值白电平 黑电平 0 50mV 消隐电平 0电平 行同步信号 2 同步信号 作用 确保收发二端扫描同步 方法 用发端的信号去控制显示端的扫描电流脉冲 磁偏转 使二者同频同相 幅度 30 3 消隐信号 作用 使得发端行 场逆程期间不传图像信号 接收端行 场逆程期间不产生回扫线 方法 使逆程期间的信号幅度为0 黑电平 位置脉冲宽度幅度周期行消隐 行逆程期12 s064 s行同步 行消隐期4 7 s 0 364 s滞后行消隐前沿1 5 s场消隐 场逆程期1 6ms020ms场同步 场消隐期160 s 0 320ms滞后场消隐前沿160 s 一行黑白电视信号 图像信号 消隐脉冲 同步脉冲 采用时分混合方法可以合成在一起 采用幅度分离的方法可以方便地分离图像和同步脉冲 4 均衡脉冲和开槽脉冲 在隔行扫描的电视系统中 将一幅 一帧 图像分为二场进行扫描 如一行黑白全电视信号类似 场扫描也分成场正程和场逆程 场消隐 在场逆程期间行同步信号不能丢失 另外还需均衡脉冲和开槽脉冲 其作用后面讨论 这样构成场电视信号 下图所示为相邻两场黑白电视信号的波形 336 23 5 奇数场 偶数场 场扫描控制电子束在垂直方向的运动 在场正程期间所传输的信号仍然是行扫描的波形 场同步脉冲与行同步脉冲幅度相同 宽度不一样 电路根据脉冲宽度分离出场 行同步脉冲 确定场 行扫描的起始时间 场同步脉冲宽带为2 5H 每帧图像扫描625H 每场为312 5H 逆程时间 消隐脉冲宽度 25H 正程时间287 5H 场逆程期间行同步信号仍然要保留 场消隐脉冲宽度为25H 严格地说是25H 1个行消隐时间 在25H期间 场同步脉冲 开槽脉冲占2 5H 后均衡脉冲 占2 5H 行同步脉冲 前均衡脉冲 对下一场而言 占2 5H 第1场是从整数行开始 半行结束 第2场是从半行开始 整数行结束 开槽脉冲的作用 在场逆程期间需要控制扫描电子束继续进行水平扫描 为了保持行同步信号的连续性 保证场同步期间行扫描的稳定 在场同步信号内开了五个小凹槽 叫做开槽脉冲 脉冲宽度为4 7 s 脉冲间隔等于TH 2 均衡脉冲的作用 场同步信号是采用积分电路分离出来的 相邻两场的开始扫描时间存在差异 前面已经提到 第1场是从整数行开始 半行结束 第2场是从半行开始 整数行结束 这样积分的起始电平不一致 导致积分后波形不一样 若用此波形的某一电平去同步场扫描电路 则两场的同步会出现时间误差 影响了隔行扫描的精确性 会出现并行现象 丢失垂直方向的细节信息 最终使垂直清晰度下降 为了保证隔行扫描的准确性 使两场扫描线均匀相嵌 在场同步脉冲前后各加5个窄脉冲 叫做均衡脉冲 其宽度为2 35 s 其周期等于TH 2 2 6 2黑白图像信号的频谱 图像具有空间相关性 相邻两行图像内容和相邻两场的图像内容差别不是很大 它具有周期性特点 周期信号的频谱是离散的 是以行频及其各次谐波为主谱线 以场频及其谐波为副谱线且位于主谱线两侧的离散频谱结构 分析视频图像信号频谱的意义 以上对视频图像的频谱分析表明 视频信号的能量主要集中在行频及各次谐波附近 两相邻谐波之间有较大的空隙 随着行频谐波次数的增加 信号能量逐渐减小 这些频谱的空隙在同时制彩色电视中用来传输彩色信息 这就是频谱交错技术的基础 作业 P782 62 7 2 6 3基色信号 亮度信号与色差信号 1 基色信号R G B三路基色信号产生原理与黑白视频信号相同 光 电转换 其时域波形与黑白视频信号类似 幅度取决于景物的三色分量 在彩色电视系统中 如果传输三路基色信号所需通道带宽将是传送黑白电视信号的三倍 这种方法显然是不合理的 要实现兼容 彩色信号必须有一种信号与黑白电视系统相同