第二章电视传像基本原理

1、第二章电视传像基本原理 第二章 电视传像基本原理 主要内容： n图像传送及接收扫描原理 n电视图像扫描技术 n视频图像信号 n数字化 第二章电视传像基本原理 2.1 电视系统组成原理 n色的问题已经解决，着手考虑系统，怎 样把复杂的图形、变化的图象传送出去。 第二章电视传像基本原理 2.1.1 顺序传送原理 n光线的强弱 电压高低 n各处强度并不相等，既是时间的函数， 又是空间的函数（四维，三组）： 亮度 L = fL（x，y，z，t） 色调 H = fH（x，y，z，t） 饱和度 S = fS（x，y，z，t） n先考虑黑白平面图象（三维，一组）： L = fL（x，y，t） n没法用“一个

2、”时变电压来表示。 第二章电视传像基本原理 一、分解为象素 n好在图象可以由有 限个点组成 物质是不连续的，由 颜料的颗粒决定 人眼分辨率不高，不 必重现无数个点 n广播电视约40-50万 个点 第二章电视传像基本原理 设计系统 n光电管产生电压，发光管显示 第二章电视传像基本原理 二、顺序传送 n每个象素一条信道不现实 n视觉有惰性，轮流传送，轮流复制 这样空间的象素被分布到时间上了 第二章电视传像基本原理 n转换开关应当同步，保证象素一一对应 在相应的位置做上记号？ n传送原理：把图象分解为象素，顺序传送 n黑白只需一个信号电压 彩色信号有三路电压：R、G、B？ L、H、S？ 第二章电视传

3、像基本原理 改进 n上述系统太粗糙、太慢： 光电管 摄象管 发光管 显象管 同轴开关 同步机控制电子束 转换 电子束扫描 第二章电视传像基本原理 2.1.2 光电转换原理 一、摄象 以光导管为例： 某些材料在光 照下能改变电 阻率 第二章电视传像基本原理 n电子束扫过各个象素，光照不同，电导 不同，电流不同，R上电压降不同。 n接收机按照这个信息重新描画出图象 n上面的信号亮度越大，电压反而越低， 叫负极性视频信号 第二章电视传像基本原理 CCD 摄像 n用半导体材料制成许多像素 n在光照下各像素积累电荷 n用移位寄存器的方法将电荷顺序读出 n（详见第五章） 第二章电视传像基本原理 二、显象

4、用来复制图象 n电子枪：按亮度信号发射电子，产生象素 n偏转线圈：按次序将象素在空间排列 n荧光屏：受激发光 n与音频信号 相比，多了 空间信息， 需正确排列。 第二章电视传像基本原理 2.1.3 彩色摄象与重现 三要素不好拍摄，拍三基色 第二章电视传像基本原理 彩色显象 n形成三色分象 n合成彩图 投影电视 第二章电视传像基本原理 彩色显象管 n三支电子枪，按各自信号发射，打各自的粉 n用荫罩板防止互相干扰 品字型荫罩管 第二章电视传像基本原理 一字型荫罩管 第二章电视传像基本原理 2.2 电视扫描原理 n拾取象素的次序有许多方式，电视系统 采用匀速、单向、直线扫描 （雷达系统采用圆周扫描）

5、 n电子束垂直运动：场扫描(V) vertical n电子束水平运动：行扫描(H) horizontal n水平、垂直联合运动形成光栅 第二章电视传像基本原理 电子束偏转 加电磁力 n电场力-称为静电偏转 n磁场力-称为磁偏转方式 显像管中采用磁偏转方式。即在显像管管颈 外面套上一对使电子束产生水平（行扫描） 运动的偏转线圈和一对使电子束产生垂直 （场扫描）运动的偏转线圈。 第二章电视传像基本原理 偏转线圈 第二章电视传像基本原理 以行扫描为例 磁场 电子束 负最大 最左边 渐小 向中 O 正中间 渐大 向右 正最大 最右边 第二章电视传像基本原理 2.2.1 逐行扫描 n每帧图象分解为若干（

6、Z）行 从上到下逐行扫过 n所以Tv = Z TH fH = Z fv 第二章电视传像基本原理 扫描光栅 第二章电视传像基本原理 扫描参数 n我国规定：行逆程占18% 场逆程占8% n当扫描行（Z）足够多，扫描线近似水平 n要使图象连续 25帧/秒 要使图象不闪烁 40-50次/秒 每秒总信息量5040万！ 第二章电视传像基本原理 2.2.2 隔行扫描 n要达到一定的清晰度，要40-50万个象素 n要人眼看起来不闪烁，要重复40-50次/秒 n能不能让25帧图象闪烁50次？ 隔行扫描 未必要从上到下挨个传送 例：抄文件，先写1、3、5、7、9行 再写2、4、6、8、10行 第二章电视传像基本原

7、理 隔行扫描优点 n大面积闪烁 行间闪烁 节省带宽一半，各国无例外采用 n为了保证隔行扫描的正确性，每帧应分解 为奇数行 Z = 2n + 1 第二章电视传像基本原理 隔行扫描光栅 n为什么要奇数行，讨论每场光栅的起点： 从水平方向看 每场开始处必定偏离半行 从垂直方向看 第二场整行开始处，离屏幕顶部迟半行时间的高度 第二章电视传像基本原理 隔行扫描缺点 n行间闪烁：高亮度、近距离、大视野尤著 n并行 真并：垂直同步不良时 假并：看垂直运动物体时 n垂直边沿锯齿化：看水平运动物体时 n爬行：传输失真时 第二章电视传像基本原理 上一课主要内容 n彩色传输方法（分解为三基色） n 电视系统基本原理

8、：分解为像素，顺序 传送 n摄像、显像基本原理 n电子束扫描 n逐行扫描 n隔行扫描（优缺点？） 第二章电视传像基本原理 2.2.3 同步与消隐 n电视信号组成： 图象信号 黑白信号 消隐信号 同步信号 第二章电视传像基本原理 一、消隐信号 n作用：消去电子束回头时的轨迹，以免干扰 n方法：加周期性的黑电平，使电子束截止 我国规定：每秒25帧（50场），每帧625行 算出：每场20ms 逆程占 8%1600s 每行64 s 逆程占18%12s 第二章电视传像基本原理 二、同步信号 n扫描后，象素按时间轴排列，何处“另 起一行”，何处“另起一页”？ n如果做不到，则图象扭曲、翻滚、甚至 不成图象

9、 （一千块儿童智力拼图？） 第二章电视传像基本原理 不同步图象举例 n例一：垂直扫描正确，水平扫描太快； n例二：水平扫描正确，垂直扫描太快； n例三：行频正确，相位差180度； n例四：场频正确，相位差180度； n例五：水平、垂直都差180度。 第二章电视传像基本原理 第二章电视传像基本原理 所以必须严格同步 n最好用同一条信道传送同步信号，要与图象、 消隐信号有区别：幅度10：7 n行、场还要有区别：宽度4.7s、160s 第二章电视传像基本原理 n波形如图 微分后得行同步 积分后得场同步 n问题一：场同步期间无行同步 解决方法：在场同步上开槽 第二章电视传像基本原理 n问题二：奇偶场积

10、分波形不对称 解决方法：开双倍的槽，加前后均衡 微分脉冲多了一倍，但离行同步位置较远， 没有影响。 第二章电视传像基本原理 有开槽和均衡脉冲积分器输出 第二章电视传像基本原理 三、黑白全电视信号 黑白图象（亮度）信号 行同步 全电视信号 复合同步脉冲 开槽的场同步 前后均衡脉冲 行消隐 复合消隐 场消隐 第二章电视传像基本原理 正极性黑白全电视信号 白电平 黑电平 同步电平 第二章电视传像基本原理 2.3 电视图象的基本参量 n以上研究的是基本原理 n下面研究技术细节 第二章电视传像基本原理 2.3.1 几何特征 n人眼的黄斑区：水平20，垂直15 n所以电视图象幅型比：4 ：3 n考虑双眼视

11、场左右叠加 下一代电视幅型比：16 ：9 n电视屏幕以最大偏转角对角线尺寸表示 如：31cm(12”)、64cm(25”)、74cm(29”) 第二章电视传像基本原理 图形的失真 n非线性失真 n几何失真（枕形、桶形） n其他干扰 第二章电视传像基本原理 2.3.2 场扫描频率 依据人眼视觉惰性决定 n残留时间0.1秒 f 10Hz n临界闪烁频率40-50Hz f 50Hz （越大越好） n要节省传输频带 （越小越好） n要减少电源干扰 与电源同步 历史遗迹，现在不必要也不可能 第二章电视传像基本原理 2.3.3 扫描行数及有关参数 系统有“分解力” 图象有“清晰度” 客观能力 主观感受 行

12、数越多，象素越细，越清楚。 到底要多少才能满足人眼的需要？ 第二章电视传像基本原理 一、垂直分解力 n与扫描行数有关，但不相等。 逆程占去一些，正程不全有效 第二章电视传像基本原理 n内容是随机的，取统计系数k n垂直清晰度（按我国标准）： M = k(1+)Z 0.75(1-8%)625 = 431（线） 576个象素 第二章电视传像基本原理 二、水平分解力 n水平扫描是连续的，理论上有无限象素 n但：电子束有一定截面，不能无穷小 花纹越小频率越高，信道带宽有限 n选水平清晰度与垂直清晰度相当最为合理 N = KM = 4/3 M 4/3 431 = 575（线） n实际电子束截面与信道带宽

13、未必相符 n折合到数字电视水平象素应为760个 实际SDTV是720 576 第二章电视传像基本原理 三、扫描行数 Z 清晰度 信号带宽 不呈正比 n视角 15，视力分辨角1-1.5 要600-900线 n照顾带宽，选625行（美国525行） 清晰度达96% nHDTV选1125、1250行 （1080个有效像素） 第二章电视传像基本原理 四、图象信号最高频率 n设图象是以最大分辨力的黑白小点组成 求信号频率 n方法：找周期（以我国为例） 行频：25帧/秒 625行 = 15625Hz 行周期：1/15625 = 64s 分辨力：N = 575 即288个周期，在正程 Td = (1-18%)

14、TH/288 = 0.18 s 所以：fmax = 1/Td = 5.55MHz n我国规定BW = 6MHz，分辨力稍大于垂直方向。 （实际不一定达到） 第二章电视传像基本原理 2.3.4 亮度与色度的非线性失真 n因为系统（主要是显象管电子枪）失真 n黑白显象管造成亮度非线性失真 亮度层次的几何阶梯的级差发生变化 n彩色显象管造成色度非线性失真 因为三基色未必相同，失真不同，影响比例！ 总量代表亮度 比例代表色度 第二章电视传像基本原理 例 n白色：F=1/3R+1/3G+1/3G 平方失真：1/9 ：1/9 ：1/9，只影响亮度 n饱和黄色：F=1/2R+1/2G+0B 1/4 ：1/4

15、 ：0，只影响亮度 n不饱和黄色：F=2/5R+2/5G+1/5B 4/25 ：4/25 ：1/25，还影响饱和度 n橙色：F=2/3R+1/3G+0B 4/9 ：1/9 ：0，还影响色调 第二章电视传像基本原理 n结论：色度图中，颜色向边线顶角移动 n所以黑白电视系统必须对亮度进行校正 n彩色电视系统必须对三基色分别校正 因为人眼对色调变化特别敏感， 彩色校正要求很严格 第二章电视传像基本原理 2.4 视频图象信号 n“视频”（Video)的名称相对于 “音频”(Audio) n“AV”这个名词就是指音视频 n这里从最简单的图形开始研究 第二章电视传像基本原理 2.4.1 波形 n1.全黑高

16、电平（直流） n2.全白低电平（直流） n3.上白下黑横条50Hz方波 n4.四条黑白横条100Hz方波 n5.左白右黑竖条15625Hz方波 n6.四条黑白竖条31250Hz方波 n7.亮度递减的竖条行频及高次谐波 第二章电视传像基本原理 规律 横条越多，场频的高次谐波越多 竖条越多，行频的高次谐波越多 n8.既有水平变化，又有垂直变化： 场频为包络、行频为载波的调幅波？ 第二章电视传像基本原理 频谱 周期性函数离散频谱 n1.2图：直流 n5.6.7图：行频及高次谐波 n3.4图：场频及高次谐波 n8图：把场频及谐波调制到行频及谐波上 第二章电视传像基本原理 电视图象信号是一簇簇以行频谐波

17、为 中心的离散谱线。中间有空隙！ 第二章电视传像基本原理 变异 n垂直方向变化不大，三角形较瘦 n水平方向变化不大，簇数减少（不到6MHz） n活动图象：严格地说不是周期函数（P75） 但活动速度远小于扫描速度，频谱结构类似 n隔行扫描：两场有点差异，有一点25Hz谱线 第二章电视传像基本原理 2.4.2 亮度、色差信号 彩色图象信号： n用分光系统分别拍摄Ro、Go、Bo信号 拍摄方法相同，频谱相同 n经校正后称R、G、B（表示电压了） n但是不能直接传送它们。 第二章电视传像基本原理 一、兼容问题 n黑白机能接受彩色电视信号兼容 n彩色机能接受黑白电视信号逆兼容 n所以 1.不能传输R、G

18、、B 2.要使黑白机能工作，必须有亮度（Y）信号 3.另外两个彩色信息要在原有的带宽内传输 用R？G或B？ 第二章电视传像基本原理 n单人沙发不可能坐三个人，挤个小孩或许行 n找带宽小的信号： 花纹越小，分辨率越高，频率越高 人眼对黑白分辨率高对彩色分辨率低（P15）， 找不含亮度的信号，可降低带宽 第二章电视传像基本原理 二、恒定亮度原理与高频混合原理 n亮度（Y）信号带宽优先，希望彩色亮度由 它“恒定”不受其他信号干扰 恒定亮度原理 n小花纹不用着色（人眼看不清） 大面积着色原理 n小的黑白花纹（高频）也是由RGB产 生，让R = G = B = Y 高频混合原理 第二章电视传像基本原理

19、上一课主要内容 n扫描行数的选择 n图像信号最高频率 n非线性失真 n图像信号波形、频谱 n恒定亮度原理、大面积着色原理、高频 混合原理 n亮度、色差信号 第二章电视传像基本原理 三、亮度信号与色差信号 n亮度：Y = 0.30R + 0.59G + 0.11B n色差：R-Y=R-（0.30R+0.59G+0.11B） =0.70R - 0.59G - 0.11B G-Y= - 0.30R+0.41G - 0.11B B-Y= - 0.30R - 0.59G+0.89B n带宽：1.3-1.5MHz 1MHz时95%的人认为“可以” n只要三个独立信号，第四个是多余的。 第二章电视传像基本原理 n色差信号的优点：带宽窄，恢复三基色易 R=（R-Y）+Y 接收机中 G=（G-Y）+Y B=（B-Y）+Y n因为色差没有高频分量，所以高频时都是Y 高频混合 n低频（大面积）有色差，所以大面积有色 第二章电视传像基本原理 2.4.3 标准彩条信号 n彩色系统测试信号，检查系统工作是否正常 n三基色、三补色、黑白，按亮度排列 n幅度规范：100 0 100 0 黑白范围 彩色范围 n三基色波形