光电成像技术Chapter9-电视型光电成像系统与特性分析

1、下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理1第八章第八章 电视型光电成像系统与特性分析电视型光电成像系统与特性分析下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理2电视型光电成像系统与特性分析电视型光电成像系统与特性分析 完整的电视型光电成像器件应包含完整的电视型光电成像器件应包含基本模块基本模块和和附加模块附加模块两大部分。两大部分。其中基本模块包括其中基本模块包括摄像机、发摄像机、发送系统、接收系统和显示器等；送系统、接收系统和显示器等；附加模块包括附加模块包括视频视频记录、视频处理等。记录、视频处理等。 基本工作原理：基本工作原理：接收端：用摄像机拍摄外界接收端：用摄像机拍摄外界景物，

2、由摄像成像器件的景物，由摄像成像器件的光电转换光电转换作用将景物图像作用将景物图像信息按一定规律变换成相应的电信号，并经处理后信息按一定规律变换成相应的电信号，并经处理后通过无线电或有线信道传送出去；通过无线电或有线信道传送出去；接收端：通过接收端：通过接收机接收视频信号，由显示装置的接收机接收视频信号，由显示装置的电光转换电光转换作用作用将视频信号按对应的空间关系重现原始景物图像。将视频信号按对应的空间关系重现原始景物图像。 微光像增强技术微光像增强技术+电视技术电视技术=微光电视技术微光电视技术。下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理3 电视系统的组成电视系统的组成：开路电视系统：

3、开路电视系统：电视系统借助发射电视系统借助发射端与接收端的天线，端与接收端的天线，传送全电视信号高传送全电视信号高频电磁波。用于广播频电磁波。用于广播电视和军用微光电视电视和军用微光电视系统。系统。闭路电视系统：闭路电视系统：电视系统直接用电缆或光缆作为视频通电视系统直接用电缆或光缆作为视频通道来传送视频信号。军用微光电视多采用此类系统，该道来传送视频信号。军用微光电视多采用此类系统，该系统设备简单、经济可靠、调整使用方便，保密性好。系统设备简单、经济可靠、调整使用方便，保密性好。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理4一、黑白图像的传送

4、原理一、黑白图像的传送原理1. 图像的分解图像的分解 电视图像是二维平面图像，由像素组成。黑白电电视图像是二维平面图像，由像素组成。黑白电视传输的图像是只有亮度差异的像素集合，可表示为视传输的图像是只有亮度差异的像素集合，可表示为空间和时间的函数：空间和时间的函数： 画面像素数目越多则电视图像越逼真，但是像素画面像素数目越多则电视图像越逼真，但是像素数的增加受人眼分辨力以及视频制式等因素的限制。数的增加受人眼分辨力以及视频制式等因素的限制。由前面的知识基本工作原理可知：由前面的知识基本工作原理可知：被传送的图像分解被传送的图像分解成许多像素，并将其同时转变成电信号，再由信号通成许多像素，并将其

5、同时转变成电信号，再由信号通道传送到接收端，在屏幕上转换成光信号，重现原始道传送到接收端，在屏幕上转换成光信号，重现原始景物图像。景物图像。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理, ,Lf x y t下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理5 实际传送：实际传送：图像信号（视频信号）是每个像素在图像信号（视频信号）是每个像素在电子束扫描后形成的时间序列脉冲，因此是按时间顺电子束扫描后形成的时间序列脉冲，因此是按时间顺序传送的，即：把传送的图像上个像素的亮度按一定序传送的，即：把传送的图像上个像素的亮度按一定顺序转变成电信号然后依次发送，相当于各像素的亮顺序转变成电信号然后依次发

6、送，相当于各像素的亮度变换成度变换成以时间为单变量的函数以时间为单变量的函数： 接收端：接收端：显示屏上显示屏上按同样的顺序将各个电按同样的顺序将各个电信号转换为相应位置上信号转换为相应位置上的光信号重现原始景物的光信号重现原始景物图像。图像。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理 , ,Lf x y tfx ty ttf t下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理6 图像信号的传输原理：图像信号的传输原理： 发送端：发送端：需要传送的光学图像作用于一个由许多需要传送的光学图像作用于一个由许多独立的光电元件组成的光电板上，形成与光学图像亮独立的光电元件组成的光电板上，形成与光学

7、图像亮度分布一一对应的电子图像；度分布一一对应的电子图像； 接收端：接收端：具有相同数目的发光元件组成发光板，具有相同数目的发光元件组成发光板，当传送通道由开关当传送通道由开关S1依次接通依次接通A、B、C时，时，S2开关开关也依次接通；像素也依次接通；像素1、2、3传送到接收端并显示传送到接收端并显示在发光板上；再依次在发光板上；再依次传送后续像素到接收端传送后续像素到接收端并显示在相应位置上。并显示在相应位置上。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理7 传送图像信号的开关要求：传送图像信号的开关要求： 信号传送过程中，要求开关速度必须

8、足够快，以信号传送过程中，要求开关速度必须足够快，以至于在第一个像素引起的视觉刺激消失之前，最后一至于在第一个像素引起的视觉刺激消失之前，最后一个像素已产生视觉刺激，这样发光板上才能得到一副个像素已产生视觉刺激，这样发光板上才能得到一副完善的图像。完善的图像。 实际的电视系统中，传送过程借助于实际的电视系统中，传送过程借助于同步扫描同步扫描实现。实现。2. 扫描扫描 扫描就是扫描就是图像分解和复合的过程图像分解和复合的过程。所谓扫描所谓扫描就是就是把图像像素的光信号转变为时间序列的电信号过程，把图像像素的光信号转变为时间序列的电信号过程，以及将时间序列的电信号重现为光学图像的过程。以及将时间序

9、列的电信号重现为光学图像的过程。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理8 电视中采用的扫描方式：电视中采用的扫描方式：P368-370（1） 逐行扫描逐行扫描（2） 隔行扫描隔行扫描电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理(1) (1) 逐行扫描逐行扫描逐行扫描的优点：逐行扫描的优点：图像质量好，扫描电路简单。图像质量好，扫描电路简单。缺点：缺点：要求带宽很宽。要求带宽很宽。 所以，逐行扫描只适用于所以，逐行扫描只适用于工业电视工业电视和未来的和未来的高清晰度电高清晰度电视视。下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理9电视系

10、统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理隔行扫描的优点：隔行扫描的优点：解决了频带宽度与清晰度之间的矛盾，减低了电视成本解决了频带宽度与清晰度之间的矛盾，减低了电视成本.缺点：缺点：并行现象：并行现象：由于扫描电流不稳定和正程线性不好引起。由于扫描电流不稳定和正程线性不好引起。行间闪烁：行间闪烁：由于每行的亮度以帧频重现，仔细观察比较由于每行的亮度以帧频重现，仔细观察比较亮的线时会感到闪烁。亮的线时会感到闪烁。隔行扫描的关键是隔行扫描的关键是如何使奇偶场如何使奇偶场互相恰好地交织互相恰好地交织，如果，如果隔行不好就会产生并行现象，导致图像质量下降。隔行不好就会产生并行现象，导致图像质量下降。

11、下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理10 隔行扫描时，电子束扫完第隔行扫描时，电子束扫完第1行后回到第行后回到第3行的开行的开始位置接着扫，直至第始位置接着扫，直至第625行的前半行；该场即为奇行的前半行；该场即为奇数场。奇数场扫完后接着扫偶数场，第数场。奇数场扫完后接着扫偶数场，第1行的后半行、行的后半行、2、4、 624，这样就完成了一帧，这样就完成了一帧(frame)的扫描。由的扫描。由此可以看到，隔行扫描的一帧图像由两部分组成：一此可以看到，隔行扫描的一帧图像由两部分组成：一部分是由奇数行组成，称部分是由奇数行组成，称奇数场奇数场，另一部分是由偶数，另一部分是由偶数行组成，称

12、为行组成，称为偶数场偶数场，两场合起来组成一帧两场合起来组成一帧。因此在。因此在隔行扫描中，无论是摄象机还是显示器，获取或显示隔行扫描中，无论是摄象机还是显示器，获取或显示一幅图像都要一幅图像都要扫描两遍才能得到一幅完整的图像扫描两遍才能得到一幅完整的图像。 每帧行数：每帧行数：625，但显示的只有，但显示的只有575，每帧，每帧312.5，显示显示287.5。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理11 在隔行扫描中、扫描的行数必须是奇数。在隔行扫描中、扫描的行数必须是奇数。 如前所述，如前所述，一帧画面分两场一帧画面分两场，第一场扫描总

13、行，第一场扫描总行数的一半，第二场扫描总行数的另一半。隔行扫描要数的一半，第二场扫描总行数的另一半。隔行扫描要求第一场结束于最后一行的一半，不管电子束如何折求第一场结束于最后一行的一半，不管电子束如何折回，它必须回到显示屏顶部的中央，这样就可以保证回，它必须回到显示屏顶部的中央，这样就可以保证相邻的第二场扫描恰好嵌在第一场各扫描线的中间。相邻的第二场扫描恰好嵌在第一场各扫描线的中间。正是这个原因，才要求总的行数必须是奇数。正是这个原因，才要求总的行数必须是奇数。行频、场频、帧频：行频、场频、帧频： 每秒钟扫描多少行称为行频每秒钟扫描多少行称为行频fH；每秒钟扫描多少；每秒钟扫描多少场称为场频场

14、称为场频ff；每秒扫描多少帧称帧频；每秒扫描多少帧称帧频fZ。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理12二、黑白电视的全电视信号二、黑白电视的全电视信号(图像信号+消隐信号+同步信号)1. 图像信号图像信号 经过摄像机的光经过摄像机的光电转换，将平面图象亮度信号转电转换，将平面图象亮度信号转换成电平随时间变化的电信号换成电平随时间变化的电信号, ,称其为图象信号称其为图象信号/ /视频视频信号。图像信号的频谱宽度是信号。图像信号的频谱宽度是6MHz6MHz。2. 消隐信号消隐信号 在行、场扫描在行、场扫描逆程期间传送一个矩形脉冲逆程期间传

15、送一个矩形脉冲，当接，当接收机接收到此脉冲后，用它去控制收机接收到此脉冲后，用它去控制显象管显象管的阴极，使其的阴极，使其在行、场扫描逆程期间在行、场扫描逆程期间处于截止状态处于截止状态，从而消除行、场，从而消除行、场扫描逆程期间的回扫线。把行扫描逆程期间传送的脉冲扫描逆程期间的回扫线。把行扫描逆程期间传送的脉冲称为称为行消隐脉冲行消隐脉冲，把场扫描逆程期间的脉冲称为，把场扫描逆程期间的脉冲称为场消隐场消隐脉冲脉冲。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理133. 同步信号同步信号 同步信号同步信号使接收机中的显像管电子束扫描与摄像器件使接

16、收机中的显像管电子束扫描与摄像器件的扫描严格同步，在消隐信号中，有一个窄脉冲信号，接的扫描严格同步，在消隐信号中，有一个窄脉冲信号，接收机接收到次脉冲信号立即使显像管回扫。收机接收到次脉冲信号立即使显像管回扫。 同步脉冲信号控制同步脉冲信号控制摄像机中偏转电流的频率与相位信摄像机中偏转电流的频率与相位信息息。其中控制行扫描同步的称为。其中控制行扫描同步的称为行同步信号行同步信号，控制场扫描，控制场扫描同步的称为同步的称为场同步信号场同步信号。接收机接收到同步信号后，可用。接收机接收到同步信号后，可用它控制其扫描器偏转电流的频率与相位，从而使之与发送它控制其扫描器偏转电流的频率与相位，从而使之与

17、发送端摄像机的偏转电流频率和相位端摄像机的偏转电流频率和相位严格相同严格相同，即，即同频、同相、同频、同相、波形相似波形相似。 行频：行频：62562525=15625Hz25=15625Hz；场频：；场频：50Hz50Hz；帧频：；帧频：25Hz25Hz。 黑白电视的全电视信号由黑白电视的全电视信号由图象信号、复合消隐信号以图象信号、复合消隐信号以及复合同步信号共同组成。及复合同步信号共同组成。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理14复合同步信号：复合同步信号： 接收端接收到全电视信号，先设法将复合同步信号分离，接收端接收到全电视信号

18、，先设法将复合同步信号分离，然后将行同步、场同步信号分离然后将行同步、场同步信号分离。 由于行同步、场同步的脉冲宽度相差很大（约由于行同步、场同步的脉冲宽度相差很大（约45倍），倍），所以可以用简单的微分电路和积分电路将它们分开。所以可以用简单的微分电路和积分电路将它们分开。 另外，为了使场同步期间不会失去行同步脉冲而造成每另外，为了使场同步期间不会失去行同步脉冲而造成每场行同步混乱，可在场同步场行同步混乱，可在场同步开槽开槽；开槽的上升沿（槽后沿）；开槽的上升沿（槽后沿）正好处在原来应该在此出现同步脉冲上升沿（前沿）的位置。正好处在原来应该在此出现同步脉冲上升沿（前沿）的位置。 开槽方式：开

19、槽方式：在奇数场的场同步脉冲上开在奇数场的场同步脉冲上开2个个、在偶数场、在偶数场的场同步脉冲上开的场同步脉冲上开3个个宽度均为宽度均为4.7s的槽，槽的后沿应在原的槽，槽的后沿应在原行同步脉冲上升沿的位置。采用微分电路，在场同步开槽的行同步脉冲上升沿的位置。采用微分电路，在场同步开槽的后沿后沿(上升沿上升沿)位置处就获得了相应的行同步尖脉冲。位置处就获得了相应的行同步尖脉冲。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理154. 全电视信号全电视信号电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理 行消隐脉宽为行消隐脉宽为12s、行、行周期为周

20、期为64 s，行正程时间，行正程时间52 64 s ，场消隐脉宽为，场消隐脉宽为1612s、 周期为周期为20ms。下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理16三、彩色电视的全电视信号三、彩色电视的全电视信号1. 彩色三要素彩色三要素 任意一种彩色光，均可用任意一种彩色光，均可用亮度亮度、色调色调和和色饱和度色饱和度来表示，来表示， 它们又称作彩色三要素。它们又称作彩色三要素。 亮度是指亮度是指彩色光对人眼所引起的明亮程度。彩色光对人眼所引起的明亮程度。 当光当光波的能量增强时，亮度就增加；反之亦然。此外，亮波的能量增强时，亮度就增加；反之亦然。此外，亮度还与人眼的光谱响应特性有关，不同

21、的彩色光，即度还与人眼的光谱响应特性有关，不同的彩色光，即使强度相同，当照射同一物体时也会产生不同的亮度。使强度相同，当照射同一物体时也会产生不同的亮度。人眼对人眼对=550nm的光波，亮度感觉最灵敏。的光波，亮度感觉最灵敏。 色调是指色调是指光的颜色。红、橙、黄、绿、青、蓝、光的颜色。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别表示不同的色调。紫分别表示不同的色调。 它是彩色最基本的特性。它是彩色最基本的特性。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理17 色饱和度色饱和度是指彩色的纯度，即颜色掺入白光的是指彩色的纯度，即颜色掺入白光的程度或指颜色的深浅

22、程度。白光越多色饱和度越低，程度或指颜色的深浅程度。白光越多色饱和度越低，白光越少色饱和度越高。白光为零时，色饱和度为白光越少色饱和度越高。白光为零时，色饱和度为100%；只有白光，色饱和度为零。；只有白光，色饱和度为零。 通常，把色调与色饱和度通称为通常，把色调与色饱和度通称为色度色度，即色度，即色度学。学。2. 三基色原理和混色法三基色原理和混色法红、绿、蓝。红、绿、蓝。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理183. 亮度方程亮度方程 显像三基色（电视三基色）要混合成白光，所需显像三基色（电视三基色）要混合成白光，所需光通量之比是由所

23、选用的标准白光和所选三基色的不光通量之比是由所选用的标准白光和所选三基色的不同而决定的。目前彩色电视中，同而决定的。目前彩色电视中， PAL(Phase Altern-ationLine相位逐行倒相相位逐行倒相)制式制式显像三基色荧光粉的电显像三基色荧光粉的电视混色亮度方程为：视混色亮度方程为： Y=0.222R+0.707G+0.071B其中，其中，Y表示亮度，表示亮度，R、G、B表示三基色的三色系数，表示三基色的三色系数，它们的比值决定了待配彩色的色调。它们的比值决定了待配彩色的色调。 或者把亮度方程可改写成电压的形式，或者把亮度方程可改写成电压的形式， 即：即： EY=0.222ER +

24、0.707EG +0.071EB电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理194. 彩色图像的分解与重现彩色图像的分解与重现 电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理205. 黑白、彩色电视的兼容性黑白、彩色电视的兼容性（1）彩色电视应能接收黑白电视信号并显示图像；）彩色电视应能接收黑白电视信号并显示图像；（2）黑白电视应能接收彩色电视信号并显示黑白图像。）黑白电视应能接收彩色电视信号并显示黑白图像。为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，因此彩色电视系为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，因此

25、彩色电视系统应满足统应满足:(1) 必需采用与黑白电视相同的一些基本参数，如扫描方式、必需采用与黑白电视相同的一些基本参数，如扫描方式、扫描行频、场频、帧频、同步信号、图像载频、伴音载频扫描行频、场频、帧频、同步信号、图像载频、伴音载频等等。等等。(2) 需要将摄像机输出的三基色信号转换成需要将摄像机输出的三基色信号转换成一个亮度信号一个亮度信号，以及代表色度的以及代表色度的两个色差信号两个色差信号，并将它们组合成一个彩色，并将它们组合成一个彩色全电视信号进行传送。在接收端，彩色电视机将彩色全电全电视信号进行传送。在接收端，彩色电视机将彩色全电视信号重新转换成三个基色信号，在显象管上重现发送端

26、视信号重新转换成三个基色信号，在显象管上重现发送端的彩色图像。的彩色图像。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理216. 色度信号的编码色度信号的编码 重要条件之一就是要求彩色全电视信号和黑白电视信号都重要条件之一就是要求彩色全电视信号和黑白电视信号都同样占有同样占有6MHz的带宽。即：彩色电视一般不直接传送三个基的带宽。即：彩色电视一般不直接传送三个基色信号。色信号。 因为单从占用频带来看，为了保证图像清晰度，因为单从占用频带来看，为了保证图像清晰度， 每一基色每一基色信号带宽应与黑白图像信号相同，则三个基色所占频带总和为信号带宽应与黑

27、白图像信号相同，则三个基色所占频带总和为18 MHz， 因此，为了达到兼容目的，彩色电视中最好直接含因此，为了达到兼容目的，彩色电视中最好直接含有有仅代表亮度信息而不含色度信息的仅代表亮度信息而不含色度信息的亮度信号亮度信号， 然后再选择然后再选择两两种基色信号种基色信号。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理MHzMHzsTNtftTNTtSHddSHSHd66 . 51052258322126max，则的周期为图像信号最高频率对应是行正程时间；，扫描每行时间下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理22为什么是色差信号而不是三基色信号？为什么是色差信号而不是三基色信号？ 对于

28、彩色电视机而言，可将亮度信号与被选的两对于彩色电视机而言，可将亮度信号与被选的两种基色信号组合获得三基色信号送至彩色显像管。例种基色信号组合获得三基色信号送至彩色显像管。例如，选用如，选用Y、R、B三种信号，三种信号，G是可以通过亮度方程是可以通过亮度方程和已知二基色信号的值解得的。和已知二基色信号的值解得的。 但这样做有个很大的但这样做有个很大的缺点，即缺点，即亮度信号亮度信号Y已经代表了被传送彩色光的全部已经代表了被传送彩色光的全部亮度，而亮度，而R、B本身也含有亮度本身也含有亮度，这显然是多余的，这显然是多余的， 且且在传输过程中易干扰在传输过程中易干扰Y信号信号。为了克服这一缺点，。为

29、了克服这一缺点，一般不选基色本身作为色度信号，一般不选基色本身作为色度信号， 而是对基色信号进而是对基色信号进行编码，而从基色信号中减去亮度信号，编码后的信行编码，而从基色信号中减去亮度信号，编码后的信号称为号称为色差信号色差信号。例如，。例如，R-Y, B-Y, G-Y。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理237. 色同步信号色同步信号 在接收端，为了重新分离出两个色差信号在接收端，为了重新分离出两个色差信号R-Y和和B-Y，要用要用同步检波同步检波的方法。在进行同步检波时，必须首先恢复的方法。在进行同步检波时，必须首先恢复与发送端完

30、全同频同相的彩色副载波，否则将会产生彩色与发送端完全同频同相的彩色副载波，否则将会产生彩色的失真。因此：必须在传送电视信号的同时再传送一个附的失真。因此：必须在传送电视信号的同时再传送一个附加的信息作为基准信号，这信号即为加的信息作为基准信号，这信号即为色同步信号色同步信号。 色同步信号是由色同步信号是由一小串一小串彩色副载波群彩色副载波群组成，大约为组成，大约为1010个周期。色同步信号的个周期。色同步信号的频率频率即为彩色副载频即为彩色副载频 s s；而它的；而它的相位相位，则根据彩色电视的制式不同而不同。色同步信号则根据彩色电视的制式不同而不同。色同步信号在发送端在发送端被叠加在行消隐脉

31、冲中被叠加在行消隐脉冲中，作为彩色全电视信号的一部分传，作为彩色全电视信号的一部分传送。送。 在接收端，用电路的方法从中分离出色同步信号，并在接收端，用电路的方法从中分离出色同步信号，并作为接收机恢复彩色副载波的频率和相位的基准信号。作为接收机恢复彩色副载波的频率和相位的基准信号。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理248. 全电视信号全电视信号 彩色全电视信号是由亮度信号、色差信号、复合彩色全电视信号是由亮度信号、色差信号、复合同步信号、复合消隐信号及色同步信号共同步信号、复合消隐信号及色同步信号共五种信号五种信号所所组成。组成。 电

32、视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理25四、摄像机四、摄像机1. 摄像机的类型摄像机的类型按成像器件分：按成像器件分：真空管摄像机和固体摄像机真空管摄像机和固体摄像机(主流主流)。按用途分：按用途分：广播级摄像机、工业摄像机和家用摄像机。广播级摄像机、工业摄像机和家用摄像机。2. 摄像机的基本参数摄像机的基本参数 电视型光电成像系统的图像质量很大程度上取决电视型光电成像系统的图像质量很大程度上取决于摄像机的质量指标。于摄像机的质量指标。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理26技术参

33、数有：技术参数有：（1） 灵敏度。灵敏度。（2） 动态范围。动态范围。（3）分辨力。）分辨力。（4）信噪比。）信噪比。（5）灰度等级。）灰度等级。 把图像从最亮到最暗分成若干亮度等级，亮度等把图像从最亮到最暗分成若干亮度等级，亮度等级称为级称为灰度灰度。 图像上任一点的亮度应正比于被摄景物的亮度图像上任一点的亮度应正比于被摄景物的亮度(重现被摄物的灰度比重现被摄物的灰度比)。电视图像能重现被摄景物的。电视图像能重现被摄景物的灰度等级数目越多，系统图像越逼真灰度等级数目越多，系统图像越逼真,层次越丰富。层次越丰富。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理

34、光电成像原理27（6） 非线性失真。非线性失真。 所谓非线性失真，是指景物经过电视系统成像后所谓非线性失真，是指景物经过电视系统成像后所产生的几何畸变。主要是由于摄像机与显示器电子所产生的几何畸变。主要是由于摄像机与显示器电子偏转电场的不均匀，行、场扫描电流非线性，光学系偏转电场的不均匀，行、场扫描电流非线性，光学系统像差等因素造成。统像差等因素造成。（7） 惰性。快速运动目标或摄像机快速移动时成像惰性。快速运动目标或摄像机快速移动时成像模糊，主要由摄像机的惰性决定。模糊，主要由摄像机的惰性决定。3. 摄像物镜摄像物镜 摄像物镜将被摄景物的光学图像成像到摄像机的摄像物镜将被摄景物的光学图像成像

35、到摄像机的靶面上，对于微光电视摄像机的应用，需要考虑摄像靶面上，对于微光电视摄像机的应用，需要考虑摄像物镜的以下方面：物镜的以下方面：（1）相对孔径）相对孔径电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理28 微光电视中尽量选择大相对孔径的物镜，但是相微光电视中尽量选择大相对孔径的物镜，但是相对孔径大的物镜像差校正困难，成本也高。实际摄像对孔径大的物镜像差校正困难，成本也高。实际摄像物镜上标注相对孔径的倒数物镜上标注相对孔径的倒数（F数）：数）：1.4、2、2.8、4、5.6等（等（按按21/2的规律增大的规律增大），），F值值越大，相对孔径越越

36、大，相对孔径越小。小。（2） 成像尺寸与视场角成像尺寸与视场角 光电传感器靶面的有效尺寸决定成像尺寸。对于光电传感器靶面的有效尺寸决定成像尺寸。对于固体摄像机，当固体摄像机，当CCD尺寸确定后，物镜焦距确定系尺寸确定后，物镜焦距确定系统的观察视场角。统的观察视场角。（3）焦距、后截距和最近拍摄距离）焦距、后截距和最近拍摄距离 当物距固定时，焦距决定了像距的大小和像的放当物距固定时，焦距决定了像距的大小和像的放大率。大率。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理29 通常，按照焦距的长短通常，按照焦距的长短把摄像物镜镜头分为长焦把摄像物镜镜头

37、分为长焦距、中焦距和短焦距三类。距、中焦距和短焦距三类。长焦距镜头：长焦距镜头：焦距大于成像尺寸；焦距大于成像尺寸；中焦距镜头：中焦距镜头：焦距与成像尺寸相当；焦距与成像尺寸相当；短焦距镜头：短焦距镜头：焦距小于成像尺寸。焦距小于成像尺寸。 短焦距镜头短焦距镜头主要用于环境照明差、拍摄场面大主要用于环境照明差、拍摄场面大的场合，的场合，长焦距镜头长焦距镜头主要用于要求看清远处目标细节主要用于要求看清远处目标细节的场合；的场合；或者是或者是采用焦距连续可调的变焦镜头。采用焦距连续可调的变焦镜头。 后截距：后截距：所谓后截距，是指实际物镜系统的最所谓后截距，是指实际物镜系统的最后一面与成像面的距离

38、。后一面与成像面的距离。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理30 常用的摄像物镜标准接口常用的摄像物镜标准接口是是C-Mount和和CS-Mount，其结构和接口参数如图所示。，其结构和接口参数如图所示。 由于后截距固定，当摄影物距过近时，成像位置由于后截距固定，当摄影物距过近时，成像位置后移，透镜的调焦系统已难以调整使成像面落在传感后移，透镜的调焦系统已难以调整使成像面落在传感器靶面位置，因此实际的摄像物镜都规定一个最近物器靶面位置，因此实际的摄像物镜都规定一个最近物距，该最近物距称为距，该最近物距称为最近拍摄距离最近拍摄距离。 如果

39、需要摄取小于如果需要摄取小于最近摄像距离的景物时，最近摄像距离的景物时，可加接适当的近摄接圈可加接适当的近摄接圈来实现。来实现。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理31（4）透射比与光谱特性）透射比与光谱特性 摄像物镜的透射比摄像物镜的透射比是衡量光能量通过光学系统的是衡量光能量通过光学系统的程度，设计中考虑透镜片数的使用以及膜系设计。通程度，设计中考虑透镜片数的使用以及膜系设计。通常，定焦镜头透射比大于常，定焦镜头透射比大于0.9，而变焦镜头仅达到，而变焦镜头仅达到0.8。 摄像物镜的光谱特性：摄像物镜的光谱特性：摄像物镜也存在光谱分

40、布，摄像物镜也存在光谱分布，但是其但是其光谱透射比光谱透射比的变化在工作波段比较平坦，可以的变化在工作波段比较平坦，可以用用平均透射比平均透射比表示。如果工作波段较宽，在一些应用表示。如果工作波段较宽，在一些应用中必须考虑其光谱特性，即中必须考虑其光谱特性，即不同波段处不同波段处的光谱透射比。的光谱透射比。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理32（5）摄像物镜的分辨力与调制传递函数）摄像物镜的分辨力与调制传递函数MTF 摄像物镜的分辨力摄像物镜的分辨力是表征分辨图像细节的能力，是表征分辨图像细节的能力，通常以人眼看清对比度为通常以人眼看

41、清对比度为1的单位宽度包含的黑白条纹的单位宽度包含的黑白条纹的对数的对数(lp/mm)表示。表示。 摄像物镜的摄像物镜的MTF：表征摄像物镜分辨细节能力的表征摄像物镜分辨细节能力的更客观和科学的参数。更客观和科学的参数。摄像物镜的分辨力摄像物镜的分辨力N=Nv/2h=2Nv/3b （lp/mm ），其中其中是电视的分辨力（电视线是电视的分辨力（电视线TVL），），h、和、和b是电视图像是电视图像的高宽比（的高宽比（h:b=3:4）。通常以）。通常以400TVL的的MTF来衡量来衡量电视系统分辨力的好坏。电视系统分辨力的好坏。 受电视系统分辨力的限制摄像物镜的分辨力要求受电视系统分辨力的限制摄像

42、物镜的分辨力要求不是很高。不是很高。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理33（6）摄像物镜的几何畸变）摄像物镜的几何畸变 通常情况，畸变随视场减小而迅速减小，在广角通常情况，畸变随视场减小而迅速减小，在广角物镜中，畸变比较明显。在其他参数满足要求的情况物镜中，畸变比较明显。在其他参数满足要求的情况下，畸变应尽量小，一般小于下，畸变应尽量小，一般小于5%。（7）摄像物镜的杂散光）摄像物镜的杂散光 镜片表面的菲涅耳反射造成镜片之间的相互杂乱镜片表面的菲涅耳反射造成镜片之间的相互杂乱反射，这些反射光作为非理想成像的光投射到成像面反射，这些反射

43、光作为非理想成像的光投射到成像面上，形成杂散光。上，形成杂散光。杂散光杂散光将降低图像对比度，应尽量将降低图像对比度，应尽量减小镜片之间的反射。减小镜片之间的反射。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理34（8）景深、焦深和调焦）景深、焦深和调焦 通常情况，被摄景物有一定的纵深范围，为了使通常情况，被摄景物有一定的纵深范围，为了使目标及其前后景物都能清晰成像，摄像物镜还应有景目标及其前后景物都能清晰成像，摄像物镜还应有景深和焦深的要求。深和焦深的要求。 摄像物镜的实际应用中，摄像物镜的实际应用中，物距的变动将使成像超出景物距的变动将使成像

44、超出景深范围而使图像变模糊，此时深范围而使图像变模糊，此时需要改变镜头的像面位置，需要改变镜头的像面位置，使图像仍然落在焦深以内，使图像仍然落在焦深以内，这种用调节像面位置使得不同距离的景物在成像面保这种用调节像面位置使得不同距离的景物在成像面保持清晰图像的过程称为持清晰图像的过程称为调焦调焦。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理35（9）变焦物镜）变焦物镜 焦距连续可变的摄像物镜镜头兼容长焦距和短焦焦距连续可变的摄像物镜镜头兼容长焦距和短焦距的应用范围，设计时应满足如下要求：距的应用范围，设计时应满足如下要求：焦距变化时，成像面位置固

45、定不变；焦距变化时，成像面位置固定不变；各个焦距所对应的像质和照度分布应符合要求。各个焦距所对应的像质和照度分布应符合要求。变焦的基本原理：变焦的基本原理：当组成物镜系统的透镜间的距离当组成物镜系统的透镜间的距离d连续可变时，物镜连续可变时，物镜焦距也随着发生连续变化。焦距也随着发生连续变化。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理1212111,dffff f组合透镜的焦距公式下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理36三、电视信号的发送与接收三、电视信号的发送与接收1. 视频放大器视频放大器 视频放大器对三基色电信号进行放大并进行必要视频放大器对三基色电信号进行放大并进行必要

46、的校正和补偿。的校正和补偿。由于镜头、分光系统由于镜头、分光系统(三基色三基色)及摄像器件特性的非理及摄像器件特性的非理想性，经过光电转换产生的三基色电信号不仅很弱，想性，经过光电转换产生的三基色电信号不仅很弱，且存在图像细节弱、黑色不均匀、彩色不自然等缺陷，且存在图像细节弱、黑色不均匀、彩色不自然等缺陷，必须由专门的视频放大电路加以校正和补偿。必须由专门的视频放大电路加以校正和补偿。视频处理放大器主要包括：视频处理放大器主要包括：前置放大器。视频处理的第一级，对光电转换输出前置放大器。视频处理的第一级，对光电转换输出的微弱电信号进行放大，其质量对摄像机的各项指标的微弱电信号进行放大，其质量对

47、摄像机的各项指标都有直接影响，要求具有高增益、宽频带和高信噪比都有直接影响，要求具有高增益、宽频带和高信噪比.电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理37增益提升电路。根据摄像机增益选择，决定放大器的增益的选择。增益提升电路。根据摄像机增益选择，决定放大器的增益的选择。增益控制电路。控制增益控制电路。控制R和和B路放大器的增益，其中路放大器的增益，其中G路放大器增益路放大器增益固定，改变固定，改变RGB三路信号电平的相对比例，从而实现白平衡。三路信号电平的相对比例，从而实现白平衡。消除或校正图像中的黑斑消除或校正图像中的黑斑/白斑校正电路。

48、白斑校正电路。由于多种原因由于多种原因, 比如摄比如摄像机镜头的各区域亮度不均匀性扫描电子束在靶面边缘不能垂直上像机镜头的各区域亮度不均匀性扫描电子束在靶面边缘不能垂直上靶等原因靶等原因, 会使重现画面上出现黑斑效应。会使重现画面上出现黑斑效应。彩色校正电路。用电子方法弥补分色棱镜分光的不足，使摄像机彩色校正电路。用电子方法弥补分色棱镜分光的不足，使摄像机的分光特性尽可能接近理想。的分光特性尽可能接近理想。轮廓校正。使图像轮廓鲜明、细节清晰，提高重现图像的质量。轮廓校正。使图像轮廓鲜明、细节清晰，提高重现图像的质量。孔阑效应孔阑效应使图像信号出现过渡期使图像信号出现过渡期, 使输出波形轮廓不分

49、明使输出波形轮廓不分明, 影响图像影响图像清晰度。清晰度。 灰度校正电路。校正光电转换、传输和电光转换过程中非线性现灰度校正电路。校正光电转换、传输和电光转换过程中非线性现象。象。直流分量恢复。直流分量恢复。 由于视频通道部分往往采用交流放大器由于视频通道部分往往采用交流放大器, 它将使图像信它将使图像信号中的缓慢的低频分量丢失号中的缓慢的低频分量丢失, 因而丢失图像的背景亮度。因而丢失图像的背景亮度。 电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理382. 模拟视频信号的频谱及复用模拟视频信号的频谱及复用 电视系统信号占有电视系统信号占有06M

50、Hz的频带宽度，在此带的频带宽度，在此带宽内，电视信号的频谱具有相同的特点宽内，电视信号的频谱具有相同的特点(梳妆频谱梳妆频谱)：离散性：电视信号频谱是线状频谱而非连续频谱。离散性：电视信号频谱是线状频谱而非连续频谱。成群性：整个频谱由一个个谱线族构成。成群性：整个频谱由一个个谱线族构成。信号能量没有占满整个视频宽度，至少由三分之一信号能量没有占满整个视频宽度，至少由三分之一的空隙可以利用。的空隙可以利用。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理39 彩色电视系统利用电视信号频谱中的空隙安置色彩色电视系统利用电视信号频谱中的空隙安置色度信号

51、，使得亮度、色度信号共用一个频带，也便于度信号，使得亮度、色度信号共用一个频带，也便于实现黑白信号与彩色信号实现黑白信号与彩色信号兼容兼容。彩色电视的亮度信号与色差信号：彩色电视的亮度信号与色差信号：亮度信号亮度信号Y由三基色信号由三基色信号R、G、B组成；组成；色差信号色差信号(R-Y)、(G-Y)、(B-Y)是基色信号与亮度信是基色信号与亮度信号之差。号之差。 根据人眼对彩色细节的分辨力低于黑白细节的分根据人眼对彩色细节的分辨力低于黑白细节的分辨力这一特点，对色差信号进行频带压缩，然后用较辨力这一特点，对色差信号进行频带压缩，然后用较窄的频带传送（窄的频带传送（01MHz，PAL制式制式:

52、1.3MHz），而），而亮度信号仍是亮度信号仍是6MHz的频带。的频带。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理40电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理亮度亮度Y信号频谱信号频谱色度信号频谱色度信号频谱彩色视频信号频谱彩色视频信号频谱下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理41 传送白光时，传送白光时，RGB，色差信号为零，传送低，色差信号为零，传送低饱和度彩色时，色差信号也很小。三个色差信号具有饱和度彩色时，色差信号也很小。三个色差信号具有下列关系（下列关系（PAL制式）：制式）：0.222(R-Y)+0.707(G-Y

53、)+0.071(B-Y)0上式说明：色差信号互不独立，其中任何一个色差信上式说明：色差信号互不独立，其中任何一个色差信号都可由上式得到，例如号都可由上式得到，例如:（G-Y)=-0.222(R-Y)-0.071(B-Y)/0.707 由于由于(G-Y)幅值较小，作为传输信号抗干扰能力幅值较小，作为传输信号抗干扰能力低，所以低，所以选用选用(R-Y)、(B-Y)作为传输信号作为传输信号，到终端再，到终端再恢复恢复(G-Y)。因此，。因此，彩色亮度信号彩色亮度信号和和2个色差信号个色差信号共用共用一个黑白电视相同的频带一个黑白电视相同的频带亮亮/色共用频带或亮色共用频带或亮/色频色频分复用。分复用

54、。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理42如何将色差信号和亮度信号叠加在同一个频带内（频如何将色差信号和亮度信号叠加在同一个频带内（频谱间置或频谱交错）？谱间置或频谱交错）？ 色差信号经过压缩后的带宽只有亮度信号带宽的色差信号经过压缩后的带宽只有亮度信号带宽的1/41/5，因此可以利用，因此可以利用频谱搬移的方法频谱搬移的方法，将色差信号，将色差信号的频谱向高频方向搬移一定距离的频谱向高频方向搬移一定距离(色差信号在高频端色差信号在高频端)，使色差信号与亮度信号的谱线族正好使色差信号与亮度信号的谱线族正好错开半个行频错开半个行频距距离。

55、离。频谱搬移：频谱搬移： 色差信号的频谱搬移通过调幅方式实现：色差信色差信号的频谱搬移通过调幅方式实现：色差信号以调幅方式调制到一个载波上，使色差信号的频谱号以调幅方式调制到一个载波上，使色差信号的频谱能量搬移到此载波频率的两侧。载波频率能量搬移到此载波频率的两侧。载波频率fsc是行频是行频一半的奇数倍一半的奇数倍电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理214.43,2842HscffnMHzPALn其中对于制式下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理43亮度信号和已调色差信号的频谱间置示意图：亮度信号和已调色差信号的频谱间置示意图：电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原

56、理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理44 由由(R-Y)、(B-Y)恢复恢复(G-Y)后，将三个色差信号后，将三个色差信号分别与亮度信号相加，就可以恢复三个基色信号，即分别与亮度信号相加，就可以恢复三个基色信号，即 R(R-Y)+Y G(G-Y)+Y B(B-Y)+Y 由由R、G、B形成形成Y、(R-Y)、(B-Y)的电路称为的电路称为编编码矩阵电路码矩阵电路。 由由(R-Y)、(B-Y)形成形成(G-Y)的电路称为的电路称为G-Y矩阵电矩阵电路；由路；由Y和和(R-Y)、(G-Y)、(B-Y)形成形成R、G、B的电的电路称为基色矩阵电路；二者合称为路称为基色矩阵电路；二者合称为解

57、码矩阵电路解码矩阵电路。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理453. 视频正交平衡调幅（视频正交平衡调幅（PAL制式）制式） 对色差信号进行频谱搬移时采用的调幅方式为正对色差信号进行频谱搬移时采用的调幅方式为正交平衡调幅。交平衡调幅。 所谓正交平衡调幅，所谓正交平衡调幅，是指将两个色差信号分别对是指将两个色差信号分别对频率相同而相位交叉的两个副载波进行频率相同而相位交叉的两个副载波进行平衡调幅平衡调幅。 平衡调幅平衡调幅就是在普通调幅的基础上滤去载波成分，就是在普通调幅的基础上滤去载波成分，其目的是为了减小振幅，减轻副载波对屏幕图像的干

58、其目的是为了减小振幅，减轻副载波对屏幕图像的干扰扰。色度信号表示为：色度信号表示为：电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理cossinR YscB YscFEw tEw t下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理46 色差信号采用正交平衡调幅的原因有：色差信号采用正交平衡调幅的原因有：采用正交调幅可使两个已调的色差信号占据有相同采用正交调幅可使两个已调的色差信号占据有相同的频带，在接收端可利用同步检波技术将两个色差信的频带，在接收端可利用同步检波技术将两个色差信号分别解调出来；号分别解调出来；平衡调幅后色差信号没有副载波分量，可大大减小平衡调幅后色差信号没有副载波分量，可大大减

59、小色差信号对亮度信号的干扰。色差信号对亮度信号的干扰。色度信号可表示为：色度信号可表示为：式中，式中，sinsin项是初相位为项是初相位为0 0度的色副载波，度的色副载波，coscos项是初项是初相位为相位为9090度的色副载波。度的色副载波。电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理cossinR YscB YscFEw tEw t下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理47振幅与载波无关；振幅与载波无关；信号倒相，平衡调幅波也倒相（反相信号倒相，平衡调幅波也倒相（反相1800）；）；“正交正交”：两色差信号相位相差：两色差信号相位相差900。正交平衡调幅波的优缺：正交平衡调幅波

60、的优缺：发送端抑制了副载波，接收端要自行产生副载波才发送端抑制了副载波，接收端要自行产生副载波才能解调；能解调；为保证重现色调的准确性，要求收发两端副载波严为保证重现色调的准确性，要求收发两端副载波严格同步，相位不准，色调就畸变。格同步，相位不准，色调就畸变。正交平衡调幅波的优点：正交平衡调幅波的优点：电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理下午下午1时时50分分光电成像原理光电成像原理48电视系统的组成与工作原理电视系统的组成与工作原理EB-YR-Y平衡调幅器平衡调幅器B -Y平衡调幅器平衡调幅器加法器加法器900移相移相副载波副载波发生器发生器低通低通滤波器滤波器cos sctFB