电视传像基本原理与电视信号

1、第2章 电视传像基本原理与电视信号 图2-1 无线电视广播系统原理方框图 本章讨论电视传送系统中用到的光电、电光变换、电子扫描和全电视信号。 2.1 电视传像基本原理电视传像基本原理 一、像素的概念和顺序传像原理一、像素的概念和顺序传像原理 1. 像素像素：就是组成图像的元素，即基本单位。利用人眼分辨力有限的特性，将一幅电视图像分解为许许多多个像素组成，电视系统能够分解的像素数越多，图像就越清晰、细腻。 2 . 顺序传像原理顺序传像原理： 同时传像：每个像素要占用一个传输通道，技术上不可行。 顺序传像：利用人眼的视觉惰性，将活动图像分解为一连串的静止图像，静止图像再分解为像素，只要在足够短的时

2、间里，发送端依次对一幅图像所有像素的亮度信息（指黑白图像）进行光电转换，接收端再依次重现相应亮度的像素，就可完成活动图像的传输。图2-2是顺序传像系统的原理图。 要求：传送速度足够快； 转送准确：收、发同步。 图2-2 图像顺序传送原理 二、光电转换与电光转换二、光电转换与电光转换 1. CCD摄像机与光电转换摄像机与光电转换 光电转换过程也就是摄像过程，其工作原理与所使用的摄像材料有关。摄像材料可分为两大类，即摄像管和CCD器件。 摄像管曾有过辉煌的历史，但在二十世纪八十年代之后，以CCD为代表的摄像器件进入实用阶段，这种摄像器件无需电子束的扫描就能实现光电转换，而且在体积、重量、功耗等性能

3、方面都明显优于摄像管。目前，CCD摄像机已逐步取代了摄像管摄像机。下面我们介绍CCD的光电转换原理。 （1 1）CCDCCD的电荷存储功能的电荷存储功能 CCD（Charge Coupled Device）是电荷耦合器件的英文简称。CCD是一种MOS集成电路器件，其单元结构如图2-3 所示。在P型（或N型）半导体硅衬底上有一层很薄的二氧化硅绝缘层，绝缘层上按一定排列方式沉积了一组金属铝电极。 CCD器件具有电荷存储功能。在外界光照射下，CCD中的硅衬底会产生电子空穴对，这时若在铝电极上加一个正电压，它所形成的电场就会穿过二氧化硅层排斥硅衬底中的多数载流子（空穴），并吸引少数载流子（电子）。于是

4、，就在硅和二氧化硅的界面附近得到了一个存储少数载流子（电子）的势阱。铝电极上的电压越大，势阱越深，可存储的电荷量越多，这就是CCD器件的电荷存储功能。 图 2-3 CCD单元的结构及电荷存储原理示意图 （2 2）信号电荷的注入）信号电荷的注入 CCD感光面的光敏材料在受光照时激发出自由电子空穴对，注入到P型衬底。其中，多数载流子空穴被排斥走，少数载流子电子被电场吸引到势阱中，形成电荷包。电荷包中电荷的数量与该处的光照强度成正比，这样就把景物的亮暗变成了电荷包中的电荷多少，完成了光像到电像的转换。 （3） CCD的电荷转移功能的电荷转移功能 CCD器件的电荷转移功能无需电视束扫描，而是在外加时钟

5、脉冲信号的驱动下，利用势阱中的电子有向势阱深处移动的特点完成的。 图2-4表示了一个四相CCD中电荷的转移现象。 在图2-4（a）中，1是2 V， 24是10 V, 所以24下面的势阱很深， 电荷存在里面。 在图2-4(b)中， 2由10 V变为2 V， 2下面的势阱变浅， 所有的电荷转移到3、 4下面的势阱中， 结果如图2-4(c)所示。 在图2-4(d)中， 1由2 V变为10 V， 原来在3、 4下面的势阱中的电荷向右转移分布到3、 4、 1下面的势阱中， 结果如图2-4(e)所示， 这个过程使得24下面的势阱中的电荷转移到了3、 4、 1下面的势阱中。 CCD中的电荷就这样在四相时钟的

6、驱动下向前转移。图 2-4 四相CCD电荷的转移 2 V 10V 10 V 10 V 2 V 10 V(a)1234122 V 102 10 V 10 V 2 V 2 V123412(b)2 V 2 V 10 V 10 V 2 V 2 V123412(c)10 V 2 V 10 V 10 V 210 2 V12341210 V 2 V 10 V 10 V 10 V 2 V123412(d)(e) 2. 显像管与电光转换 电光转换过程也就是显像过程，是在显示装置上完成的，目前用于电光转换的显示器件主要有CRT、LCD、PDP等几种，本章介绍的CRT（Cathode-Ray Tubes，阴极射线管

7、）是一种传统的图像显示器件，它就是我们常说的显像管。下面以黑白CRT显像管为例，介绍其基本结构和工作原理。 （1）基本结构：如图2-5所示。 管体真空玻璃管； 管内电子枪和荧光屏；电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、加速极、聚焦极、阳极等构成。荧光屏的玻璃内侧涂有荧光粉，在电子的轰击下能发光，其发光强度与电子束能量成正比。 管外偏转线圈，可提供偏转磁场，使电子束实现水平和垂直方向的扫描。 图2-5黑白显像管结构示意图 （2）工作原理：工作时，图像信号加在显像管的控制栅极和阴极之间，这时电子束将受到图像信号的调制，即电子束的强弱将随图像信号的大小而变化。 另一方面，在偏转磁场的控制下，电子束将从按从左

8、到右，从上到下的顺序依此扫描整个荧光屏，而且扫描过程与摄像端完全同步。于是，对应于某个特定时刻的图像信号，电子束会撞击在荧光屏的某个特定位置上，而且在这一位置上荧光粉的发光亮度也正比与此时此刻图像信号的大小。 这样一来，就把不同时刻的图像信号大小转换成荧光屏上不同位置的亮度大小，在完成时间-空间转换的同时，实现了电光转换过程，即将一帧时间域的图像信号在屏幕上变成了一幅平面的光学图像。 2.2 电子扫描电子扫描 在顺序传像系统中，构成一幅画面的所有像素在进行光电转换、传输、以及电光转换时都要按照一定的规律进行，实现这一规律的过程就称为扫描。 电视系统中的扫描包含于两个过程之中，即发送端光电转换过

9、程中的扫描和接收端电光转换过程中的扫描。在这两个过程中，扫描规律必须严格一致，即同步。同步有两方面含义，一是同频，即收发两端的扫描速度相同；二是同相，即收发两端的时空对应关系要一致。 电视系统应用的扫描是线性扫描，即扫描轨迹是直线型的，即对每一幅画面来说，扫描自上而下一行一行进行，每一行从左到右进行。扫描完第一幅画面之后再扫描第二幅，如此循环进行。 扫描过程的实现通常使用电子方法。在以前的摄像管摄像机中，扫描由电子束完成；另外，在CRT（阴极射线管）显示器中，扫描也是靠电子束完成的。不过，在目前使用较多的CCD摄像机以及一些新型显示装置中，扫描过程已不再需要电子束的参与，而是靠脉冲电路的控制实

10、现。 一、电子束的偏转一、电子束的偏转 原理：当偏转线圈中通过电流时，会产生磁场，磁场的方向决定于电流方向由右手定则判定；如果电子束穿过磁场，则在磁场里的作用下要发生偏转，其偏转方向由左手定则判定。因此，流过偏转线圈中的电流的幅度和方向，决定了电子束偏转角度的大小和方向。 偏转线圈：如图2-6 所示。 行偏转线圈：产生垂直方向磁场，使电子束水平偏转。 场偏转线圈：产生水平方向磁场，使电子束垂直偏转。图2-6 偏转线圈结构 二、逐行扫描二、逐行扫描 以电子束扫描为例，当线圈中分别流过如图2-6 所示的行、场锯齿波扫描电流时就会产生相应的垂直方向与水平方向的偏转磁场,在这两个磁场的共同作用下,使电

11、子束作水平与垂直方向的扫描运动。 电子束扫描轨迹的集合称为光栅。逐行扫描中，所有帧的光栅应重合，因此要求帧扫描周期TZ为行扫描周期TV的整数倍。TZ=ZTH，Z为每帧的扫描行数。 电视标准规定： 行逆程系数=THR/TH/=18% 帧逆程系数 =TZR/TZ=8% 在行、帧逆程期间，应利用消隐脉冲截止扫描电子束，使逆程扫描线消失，否则会降低图像质量。 图 2-6 逐行扫描电流和光栅 (a) 行扫描电流； (b) 帧扫描电流； (c) 扫描光栅 tiH(a)t1(b)THFTHt6iZt0t6TZFTZRTZ(c)t1t0t2t3t4THRt5t3t2t4t5t 存在问题：为了使显示端显示的电视

12、图像没有闪烁感，逐行扫描方式下电视图像的传送速率一般应达到50帧/秒，即帧频为50Hz；为了保证图像清晰度，Z需要在600行左右，这样一来，对传输通道的带宽要求很高，同时也使电视设备复杂化，因此，为了在不增加图像信号带宽的情况下，有效克服闪烁现象，电视系统采用了隔行扫描方式。目前传统的电视系统采用的都是隔行扫描方式。 三、三、隔行扫描隔行扫描 将一帧图像分成两场来扫，第一场（奇数场）扫1，3，5，7奇数行，第二场（偶数场）扫2，4，6，8偶数行，fV=2fZ。参见图2-7和图2-8(以一帧光栅由11行组成为例,为简化,忽略行、场扫描逆程时间）。 光栅：相邻两场的光栅应均匀嵌套，相邻两帧的光栅应

13、重合。Z为奇数。fH/fV=Z/2=(2n+1)/2=n+1/2 图2-7 隔行扫描示意图 图2-8 隔行扫描光栅及行、场扫描电流波形(a)每帧光栅;(b)行扫描电流波形;(c)场扫描电流波形 缺点： （1）行间闪烁； （2）并行现象（真实并行和视在并行） ； （3）垂直边沿锯齿化现象。 当隔行数越多时，缺点越明显。所以在电视系统中采用2：1隔行扫描。 2.3 电视图像的基本参量电视图像的基本参量 我国电视标准规定： 一帧扫描总行数为625行，其中，帧正程575行，帧逆程50行； 采用隔行扫描方式，每场扫描312.5行，场正程287.5行，场逆程25行； 场频为50Hz，与电网频率相同； 行频

14、为15625Hz，行周期为64s ，行正程时间为52s ，行逆程时间为12s ； 电视图像的宽高比为4:3。 垂直分解力M=k1(1-)Z，取k1=0.75,M431行。 水平分解力N=KM，K为电视图像的宽高比。 一、图像的宽高比一、图像的宽高比 根据人眼的视觉特性， 视觉最清楚的范围是垂直视角为15， 水平视角为20的一个矩形视野， 因而电视接收机的屏幕通常为矩形， 矩形画面的宽高比为4 3。 矩形屏幕的大小用对角线长度表示， 并习惯用英寸作单位， 一般电视机的35 cm（14英寸）、 51 cm（20英寸）、 74 cm（29英寸）等都是指屏幕对角线长度。 为增强临场感与真实感， 还可加

15、大幅型比， 例如， 高清晰度电视或大屏幕高质量电视要求水平视角加大， 观看距离约为屏高的三倍， 宽高比定为16 9。 二、场频二、场频 选择场扫描频率主要应考虑不能出现光栅闪烁。 为了不引起人眼的闪烁感觉， 场频应高于48 Hz。 随着场频的提高，图像信号的频带也将相应增加，二者必须兼顾。 场频的选择还要考虑交流电源对电视图像的影响。 电视接收机电源滤波不良或因杂散电源磁场的影响， 交流电源干扰混入视频信号中， 当电源频率与场频不同时， 干扰图形将是移动的， 以两个频率的差频向上或向下滚动， 俗称“滚道”；当电源频率与场频相同并与电源同步时， 这些干扰在图像上是固定不动的， 只要不太大， 眼睛

16、是感觉不出来的。 交流电源干扰若加在行锯齿波上， 会造成光栅扭曲。 当场频与电源频率不同时， 光栅不但扭曲而且摆动。 因此在制定电视标准时都规定场频与本国的电网频率相同。 在我国电视标准中， 场频选为50 Hz。 随着新型荧光粉的出现， 电视屏幕亮度不断提高， 一些高亮度的画面常会引起闪烁感觉， 而现代接收机生产工艺水平已能消除电源干扰， 所以将来会采用比50 Hz更高的场频。 三、行数三、行数 由分辨力公式 式中， L表示眼睛与图像之间的距离， d表示能分辨的两点间最小距离， 对于正常视力的人， 在中等亮度情况下观看静止图像时， 为11.5。 设Z为每帧扫描行数， h为屏幕高度， 则有 ，

17、代入上式得 。 取标准视距L为屏幕高度h的46倍， 并取为1时， 则可算得应该取的扫描行数在860570行之间。 目前世界上采用的标准扫描行数有625行和525行， 我国采用625行。 3438( )dLhdZ3438hZL 在20世纪50年代， 电视机以12英寸和14英寸为主, 所以行数选择了625行。 随着大屏幕电视的发展， 625行的标准明显偏低， 在高清晰度电视中， 为了获得临场感和真实感， 扫描行数已增加到1200行以上。 场频已经确定为fV=50 Hz， 由于采用隔行扫描， 则帧频fZ=25 Hz， 也就是说， 一帧扫描时间TZ=40 ms。 当扫描行数选定为Z=625后， 行扫描

18、时间TH=TZ/Z=40 ms/625=64 s， 行频fH=fZZ=25 Hz625=15 625 Hz。 四、系统分解力与图像清晰度四、系统分解力与图像清晰度 电视系统传输图像的质量与系统分解力有关,所谓分解力是指电视系统传送图像细节的能力。而图像清晰度是观察者主观感觉到图像细节清晰的程度。分解力与清晰度二者是紧密相关的,是从主、客观两个方面对同一个问题的阐述和评价。 1.垂直分解力垂直分解力 图像垂直分解力取决于系统沿垂直方向所能分解黑白相间的条纹数,它受扫描正程行数Z的限制。 图2-9 垂直分解力与扫描的关系(a)原图像; (b)经摄制传输最终显示图像 实际上,这种黑白相间的、整齐排列

19、的图像是罕见的,一般图像内容都具有随机性,从平均的角度看,垂直分解力介于正程的扫描行数Z和一半有效行数之间,如果垂直分解力以M表示时,则 M=k1(1-)Z 式中, k1是一个小于1的系数,我国电视系统常取K=0.75。将我国的电视参数Z=625代入上式,可求得 M=0.75575=431 2. 水平分解力水平分解力 图2-10(a)是一幅由许多黑白相间的条纹所组成的图像,与之对应的电视图像信号将是图(b)所示的许多矩形脉冲波。图(b）的波形是在电子束截面积很小,相对于图像细节变化可以忽略不计时,才会得到的波形。图(c）的波形是在电子束截面积与条纹宽度可比拟的情况，图像信号将变成正弦波，幅度也

20、将减小。当电子束截面积比条纹宽度小得多时，幅度将明显减小，造成重现图像边沿模糊，细节不清，水平分解力下降。 这种分解力受电子束直径大小限制的现象，称为孔阑效应。 图210 垂直条纹及相应信号波形(a)垂直条纹图像;(b)电子束截面积相对可忽略的情况;(c)电子束截面积与条纹宽度可比拟的情况 实践证明,水平分解力与垂直分解力相当时,系统传输的图像质量最佳。考虑到电视图像的宽高比（4/3或16/9),则水平分解力N为 N=KM ,K为电视图像的宽高比。 当然,要求电视信道的带宽必须适应N的要求。 2.4 黑白全电视信号的组成黑白全电视信号的组成 一、一、 主体信号主体信号图像信号图像信号 1. 图

21、像信号及其特征图像信号及其特征 图像信号是由摄像管将明暗不同的景像转变而得的电信号。 图像信号具有如下特征: (1)含直流,即图像信号具有平均直流成分,其数值确定了图像信号的背景亮度。由于亮度只有正值，所以图像信号是单极性信号。图像信号分正极性和负极性：全黑色对应的电平最高，纯白色对应的电平最低，这种信号电平与图像亮度成反比的图像信号称为负极性图像信号。反之，称为正极性图像信号。如图2-11所示。 (2)对于一般活动图像,相邻两行或相邻两帧信号间具有较强的相关性。 图211图像信号 (a)正极性; (b)负极性亮度递减信号; (c)一般的负极性图像信号 二、辅助信号二、辅助信号 1. 复合消隐

22、信号复合消隐信号（分为行消隐信号和场消隐信号） 作用：在行、 场扫描逆程发出消隐信号令扫描电子束截止， 消除了显像管在行、 场扫描逆程期间产生的回扫线。 电平：一般与图像信号的黑电平相同，也可“更黑”一些。 特点：宽度应等于或稍宽于扫描逆程时间。 行消隐信号的宽度为12 s， 场消隐信号的宽度为25TH+12 。因为采用隔行扫描， 奇数场的场消隐起点与前面的一个行消隐差半行， 偶数场的场消隐起点与前面的一个行消隐相差一行, 如图2-12所示。 行消隐信号和场消隐信号合在一起称为复合消隐信号。 TH25TH 12 s(a)TH12 s25TH 12 s12 s(b)2HT图 2-12 复合消隐信

23、号 (a) 奇数场； (b) 偶数场 2. 复合同步信号（分为行同步信号和场同步信号）复合同步信号（分为行同步信号和场同步信号） 作用：行同步脉冲的前沿表示行扫描逆程的起点，作为下一行的开始）；场同步脉冲的前沿表示场扫描逆程的起点，作为下一场的开始）。 特点：行同步信号的脉冲宽度为4.7 s， 行同步脉冲前沿滞后行消隐脉冲前沿1.5 s， 如图2-13（a）所示。场同步信号的脉冲宽度为2.5TH=160 s ， 行、 场同步信号合在一起称为复合同步信号。 复合同步信号的波形如图2-13（b）所示， 奇数场的最后一个行同步脉冲的前沿与场同步脉冲的前沿相距TH2， 而偶数场最后一个行同步脉冲的前沿

24、与场同步的前沿间距为TH， 所以行同步脉冲的位置在奇数场和偶数场中有半行之差， 这样保证了隔行扫描的要求。 电平：同步脉冲与消隐脉冲及图像信号的组合是采用电平叠加方法，即依靠电平差别组合的。它们以消隐电平（黑电平）为基准，图像信号叠加在消隐电平的一侧，同步信号叠加在另一侧，处于比消隐电平还要黑的范围。 2.5TH2.5TH偶 数 场奇 数 场奇 数 场1.5 s4.7 s12 s(a)(b)图 2-13 行同步信号和复合同步信号 (a) 行同步信号； (b) 复合同步信号 3. 开槽脉冲开槽脉冲 作用：为了保持行同步信号的连续性，保证场同步期间不丢失行信息。若在场同步信号期间行同步信号中断，容

25、易造成行不同步。 特点：在场同步信号内每隔半行开一个小凹槽，形成了五个开槽脉冲。 利用凹槽的后沿作为行同步信号的前沿。开槽脉冲的宽度为4.7s，间隔等于TH2。相对于槽脉冲而突起的脉冲称齿脉冲，其宽度为27.3s，如图2-13所示。 行、 场同步脉冲合在一起成为复合同步信号， 由于行、 场同步脉冲的宽度相差很大， 因此可以用微分电路得到行周期的正负 尖脉冲， 用正尖脉冲去同步行扫描发生器。 可以用积分电路抑制行同步信号而取出场同步信号去控制场扫描发生器， 实现接收机行、 场扫描的同步。 如图2-14所示, 由于奇数场和偶数场的场同步信号的前沿和前面一个行同步信号的间距分别为TH和TH2， 因此通过积分电路后， 奇数场、 偶数场同步信号的积分波形不一样， 若用