电视传像基本原理

1、2. 电视传像的基本原理电视传像的基本原理 电视系统：摄像、传输、显像组成电视系统：摄像、传输、显像组成 本章讨论：电视系统组成原理、扫描原理、本章讨论：电视系统组成原理、扫描原理、图像基本参量、传送彩色图像时信号的选图像基本参量、传送彩色图像时信号的选择及有关原理。择及有关原理。2.1 电视系统组成原理电视系统组成原理 2.1.1 图像顺序传送原理图像顺序传送原理 1. 图像的表示法：亮度图像的表示法：亮度L、色调、色调H、饱和度、饱和度S 对于黑白图像在二维空间平面图像：对于黑白图像在二维空间平面图像： 2. 图像的顺序传送图像的顺序传送 一幅图像由许多像素构成，要同时把他们的一幅图像由许

2、多像素构成，要同时把他们的变化有甲地传到乙地几乎是不可能的。变化有甲地传到乙地几乎是不可能的。 合理的解决方法是：把各个像素的变化按照合理的解决方法是：把各个像素的变化按照一定顺序转变为电信号，按照顺序传送。在一定顺序转变为电信号，按照顺序传送。在接受端，再按照同样顺序将各个电信号在相接受端，再按照同样顺序将各个电信号在相应的位置上转变为光。只要速度快，人眼的应的位置上转变为光。只要速度快，人眼的视觉惰性和发光材料的余辉特性会使有同时视觉惰性和发光材料的余辉特性会使有同时发光的感觉。发光的感觉。 手动扫描手动扫描 收发端的同步：顺序传送要求迅速、准确，收发端的同步：顺序传送要求迅速、准确，每个

3、像素的几何位置要一一对应，不能错位，每个像素的几何位置要一一对应，不能错位，否则收端将分辨不出原画面。否则收端将分辨不出原画面。 3. 扫描扫描 行扫描：自左至右的扫描行扫描：自左至右的扫描 场扫描：自上而下的扫描场扫描：自上而下的扫描 将空间、时间函数将空间、时间函数L=fL(x,y,t)变成变成 时间函数的时间函数的电信号电信号UL=f(t) ,这就实现了平面图像亮度的顺这就实现了平面图像亮度的顺序传送。序传送。 逐行扫描对图像进行垂直空间抽样逐行扫描对图像进行垂直空间抽样， 逐场扫描对图像进行时间轴抽样，逐场扫描对图像进行时间轴抽样， 再按行、场顺序依次发送就成为视频信号。再按行、场顺序

4、依次发送就成为视频信号。 2.1.2 光和电的转换原理光和电的转换原理 1. 摄像摄像 （第四章讲（第四章讲CCD） 2.1.3 彩色图像的摄取与重现彩色图像的摄取与重现 1.彩色图像的摄取彩色图像的摄取 彩色图像的重现彩色图像的重现图图25蔭罩式彩色显像管简图蔭罩式彩色显像管简图 图图26蔭罩板的作用示意图蔭罩板的作用示意图2.2 电视扫描原理电视扫描原理 2.2.1 逐行扫描逐行扫描 行偏转线圈中有行偏转电流，产生水平方行偏转线圈中有行偏转电流，产生水平方向的偏转磁场。场偏转线圈中有场偏转电向的偏转磁场。场偏转线圈中有场偏转电流，产生垂直方向的偏转磁场。流，产生垂直方向的偏转磁场。 电子束

5、在行、场偏转磁场的共同作用下，电子束在行、场偏转磁场的共同作用下，一行接一行的扫描方式叫逐行扫描。一行接一行的扫描方式叫逐行扫描。 行扫描：电子束在水平方向上的扫描行扫描：电子束在水平方向上的扫描 行正程扫描：电子束在水平方向上自左端至行正程扫描：电子束在水平方向上自左端至右端的扫描。右端的扫描。 行逆程扫描：电子束在水平方向上自右端至行逆程扫描：电子束在水平方向上自右端至左端的快速返回扫描。左端的快速返回扫描。 只有行扫描时只有行扫描时 只有场扫描时只有场扫描时 行扫描电流的电子束在水平方向上的运动速行扫描电流的电子束在水平方向上的运动速度远大于场扫描电流电子束在垂直方向上的度远大于场扫描电

6、流电子束在垂直方向上的运动速度，所以在屏幕上出现了稍微倾斜的运动速度，所以在屏幕上出现了稍微倾斜的直线光栅。直线光栅。 一场一场 有有6行行 消除了逆程回扫线消除了逆程回扫线 625行时，光栅近似为水平直线行时，光栅近似为水平直线 逆程期间不传送图像，让电子束截止逆程期间不传送图像，让电子束截止 ，称为，称为消隐消隐 正程扫描时间要大于大于逆程扫描时间正程扫描时间要大于大于逆程扫描时间 行扫描逆程系数（行扫描逆程系数（18%）：= =THr/TH 其中：其中： THr 行扫描逆程时间行扫描逆程时间 TH 行扫描总时间行扫描总时间 场扫描逆程系数（场扫描逆程系数（8%） ：= =TVr/TV 其

7、中：其中： TVr场扫描逆程时间场扫描逆程时间 TV场扫描总时间场扫描总时间 2.2.2 隔行扫描隔行扫描v1. 隔行扫描的提出隔行扫描的提出v根据人眼的视觉惰性和分辨能力根据人眼的视觉惰性和分辨能力v保证人眼的舒适度和观看的清晰度保证人眼的舒适度和观看的清晰度v隔行扫描的原理：一帧图像两场扫描隔行扫描的原理：一帧图像两场扫描v帧频概念：隔行扫描时，帧扫描频率是场频的帧频概念：隔行扫描时，帧扫描频率是场频的1/2v2. 隔行扫描光栅的形成隔行扫描光栅的形成v奇数行隔行扫描需满足要求：奇数行隔行扫描需满足要求：v（1）下一帧扫描起始点应与上一帧起始点）下一帧扫描起始点应与上一帧起始点相同，以便保

8、证各帧扫描光栅重叠相同，以便保证各帧扫描光栅重叠v（2）相邻两场扫描光栅必须均匀镶嵌，以）相邻两场扫描光栅必须均匀镶嵌，以获得最高清晰度获得最高清晰度v因此行频因此行频 与场频与场频 存在下列关系：存在下列关系：HfVf211222HVfznnfv式中，式中，n为正整数，为正整数， 为扫描行数，为扫描行数，且为奇数且为奇数21znv偶数行偶数行 隔行扫描未被采用原因是技术实现隔行扫描未被采用原因是技术实现比较困难。比较困难。v3. 隔行扫描的缺点隔行扫描的缺点v（1）行间闪烁效应）行间闪烁效应v（2）并行现象）并行现象v（3）特定条件下的）特定条件下的“锯齿化锯齿化”现象现象 2.2.3 扫描

9、的同步扫描的同步v1.扫描的同步扫描的同步v解决方法：加入同步脉冲解决方法：加入同步脉冲v2.消隐脉冲与复合同步脉冲消隐脉冲与复合同步脉冲v复合同步脉冲只要经过简单的微分电路和复合同步脉冲只要经过简单的微分电路和积分电路，就可以分别得到行同步脉冲和积分电路，就可以分别得到行同步脉冲和场同步脉冲场同步脉冲v3.开槽场同步脉冲与均衡脉冲开槽场同步脉冲与均衡脉冲v开槽场同步脉冲提出原因：场同步期间没开槽场同步脉冲提出原因：场同步期间没有行同步信号，影响在整个扫描过程中的有行同步信号，影响在整个扫描过程中的严格同步严格同步v两场的同步脉冲的起始点的时间差异两场的同步脉冲的起始点的时间差异 的消的消除除

10、v在场同步脉冲前、后的窄脉冲分别称为前在场同步脉冲前、后的窄脉冲分别称为前均衡脉冲与后均衡脉冲均衡脉冲与后均衡脉冲v黑白全电视信号黑白全电视信号 2.3 电视图像的基本参量电视图像的基本参量v2.3.1 图像的几何特征图像的几何特征 v一般用扫描非线性系数一般用扫描非线性系数 来度量非线性畸变来度量非线性畸变的程度的程度HVv行、场扫描非线性系数分别用行、场扫描非线性系数分别用 和和 表示，表示，计算如下：计算如下：maxminmaxmin()/2Hddddmaxminmaxmin()/2Vhhhhv我们用几何畸变系数表示光栅几何畸变的我们用几何畸变系数表示光栅几何畸变的程度。实验表明当它小于

11、程度。实验表明当它小于3%时，畸变不显时，畸变不显著著v2.3.2 图像的连续性与场频的确定图像的连续性与场频的确定v选择场扫描频率时应考虑到不出现光栅闪选择场扫描频率时应考虑到不出现光栅闪烁、不易受干扰、传送活动图像时有连续烁、不易受干扰、传送活动图像时有连续感觉、图像信号占用频带不应过宽等方面感觉、图像信号占用频带不应过宽等方面 电源频率和场频为差频时：滚道电源频率和场频为差频时：滚道v2.3.3 扫描行数及有关参数的确定扫描行数及有关参数的确定v1. 清晰度与分解力清晰度与分解力v（1）垂直分解力）垂直分解力v分解力：电视系统传送图像细节的能力分解力：电视系统传送图像细节的能力v标称分解

12、力：扫描行数标称分解力：扫描行数v垂直分解力垂直分解力扫描行数扫描行数v分解图像的有效行数为分解图像的有效行数为(1)Z(1)eiMK KZeKv垂直分解力垂直分解力M表示：表示：iKv 凯尔系数凯尔系数 隔行因子隔行因子 最佳情况：左侧，（最佳情况：左侧，（a）（）（b）对应。）对应。 最坏情况：一条灰色竖条。最坏情况：一条灰色竖条。 中间情况：右侧，不准确重现黑白条纹，垂中间情况：右侧，不准确重现黑白条纹，垂直分解力是有效行数的一半。直分解力是有效行数的一半。 考虑到图像内容的随机性，垂直分解力介于考虑到图像内容的随机性，垂直分解力介于是有效行数和一半有效行数之间。是有效行数和一半有效行数

13、之间。 凯尔等人研究：垂直方向上，能分解到凯尔等人研究：垂直方向上，能分解到0.64Z的水平条纹数。的水平条纹数。 6250.64=400线，我国取线，我国取0.76625=475v（2）水平分解力）水平分解力v通道的通频带宽度将限制图像的水平分解通道的通频带宽度将限制图像的水平分解力力v分解力受到电子束孔径（直径）大小限制分解力受到电子束孔径（直径）大小限制（主要因素）的现象，称为孔阑效应。（主要因素）的现象，称为孔阑效应。v实验证明：水平分解力实验证明：水平分解力 与垂直分解力相当与垂直分解力相当时图像质量为最佳时图像质量为最佳(1)eNKMKKZv适应这一要求的水平分解力为：适应这一要求

14、的水平分解力为：v其中其中K为光栅的宽高幅型比为光栅的宽高幅型比v2.图像信号的最高频率图像信号的最高频率电视通道的频带电视通道的频带宽度宽度v沿水平方向扫过一个像素所需的时间为：沿水平方向扫过一个像素所需的时间为：(1)(1)(1)HtHdHFTTtNNNfNf Z扫描扫描 正程时间正程时间水平分解力水平分解力行扫描周期行扫描周期行扫描逆程系数行扫描逆程系数帧扫描频率帧扫描频率每场扫描行数每场扫描行数v图像信号的最高频率为下式：图像信号的最高频率为下式：max122(1)FdNf Zftv逐行扫描，逐行扫描， ：VFff2VFff2max1(1)2(1)eVfKKf Z2max1(1)4(1

15、)eVfKKf Zv隔行扫描，隔行扫描， ： 我国电视标准下，我国电视标准下， K=4/3，50Hz，625行。行。 等，信号带宽为等，信号带宽为5.6MHz，所以规定通频带为，所以规定通频带为6MHz。v3. 扫描行数扫描行数Z的确定的确定v为兼顾经济指标和清晰度，我国采用的标为兼顾经济指标和清晰度，我国采用的标准是准是Z=625行行v当行数当行数Z确定后，行频也就确定了，即：确定后，行频也就确定了，即：25 62515625()HFff ZHzv对高清晰度电视来说，屏幕尺寸和幅型比对高清晰度电视来说，屏幕尺寸和幅型比加大的同时，相对观看距离减小了，必须加大的同时，相对观看距离减小了，必须增

16、加扫描行数增加扫描行数v2.3.4 图像亮度与色度的非线性失真图像亮度与色度的非线性失真v1. 亮度的非线性失真亮度的非线性失真1010Ek L0E0Lv摄像管输出电压摄像管输出电压 与被摄取景物亮度与被摄取景物亮度 关系：关系：比例常数非线性系数v且对一般摄像管且对一般摄像管11v在显象管端也存在上述类似的非线性关系在显象管端也存在上述类似的非线性关系v显象管屏幕上显示的亮度显象管屏幕上显示的亮度 与所加电压与所加电压 之之间的关系：间的关系：dL0L3k333dLk EEv式中式中 为比例常数；为比例常数； 是显象管电是显象管电光转光转换特性的非线性系数，一般在换特性的非线性系数，一般在2

17、3之间之间v于是我们得到显象管屏幕显示的亮度于是我们得到显象管屏幕显示的亮度 与被与被摄取景物亮度摄取景物亮度 之间的关系：之间的关系：dL332332 31 2 333203210dLk Ek k Ek k kL 32 3321k k kk 123s 0sdLkLv令令v则则123s ，不等于1，是非线性失真。v为了校正这种由光电转换所产生的非线性为了校正这种由光电转换所产生的非线性失真，一般在发端采取了预失真措施，使失真，一般在发端采取了预失真措施，使传输通道的传输通道的 等于等于 ，从而使整个电，从而使整个电视系统的视系统的 值等于值等于1，这时系统的总传输特，这时系统的总传输特性是线性

18、的。这种预失真方法称为性是线性的。这种预失真方法称为 校正校正2131/ v2. 图像的亮度层次图像的亮度层次v图像中最亮部分到最暗部分之间能分辨的图像中最亮部分到最暗部分之间能分辨的亮度层次越多，图像就越清晰、逼真亮度层次越多，图像就越清晰、逼真v3. 彩色的非线性失真彩色的非线性失真v用彩色三角形说明色度非线性失真用彩色三角形说明色度非线性失真 1）被摄彩色为基色光，色度不变；）被摄彩色为基色光，色度不变； 例如：例如： 2）被摄彩色为）被摄彩色为C白白，色度不变；，色度不变； 例如：例如： 3）被摄彩色为三角形内任意颜色，色度坐标）被摄彩色为三角形内任意颜色，色度坐标移动，有彩色失真；移

19、动，有彩色失真； 例如：例如： 色度失真要限制在人眼色差辨别阈的容限内。色度失真要限制在人眼色差辨别阈的容限内。2.4 视频图像信号视频图像信号v视频图像信号是指经扫描、光视频图像信号是指经扫描、光电转换过电转换过程由光转变成的电信号，或再经程由光转变成的电信号，或再经 校正和线校正和线性组合等处理过程而形成的视频信号性组合等处理过程而形成的视频信号v2.4.1 黑白图像信号黑白图像信号v1. 黑白图像信号波形黑白图像信号波形v负极性图像信号负极性图像信号v同步和消隐比黑电平高同步和消隐比黑电平高v比黑还黑比黑还黑 2. 黑白图像信号频谱黑白图像信号频谱 1） 黑白条时的傅氏级数黑白条时的傅氏

20、级数 2）倾斜条纹时的傅氏级数）倾斜条纹时的傅氏级数 主谱线：以行频为间隔的频谱线主谱线：以行频为间隔的频谱线 副谱线：以场频为间隔的频谱线副谱线：以场频为间隔的频谱线 以以 行频为间隔的频谱结构行频为间隔的频谱结构 以以nfH为中心频率的谱线群结构为中心频率的谱线群结构 （上图的细节）（上图的细节） 总之，从电视图像信号的频谱分析来看，总之，从电视图像信号的频谱分析来看，其能量主要分布在以行频及其各次谐波频其能量主要分布在以行频及其各次谐波频率为中心的较窄范围内，余下的较大空隙率为中心的较窄范围内，余下的较大空隙可利用来传送彩色信息。这就为在不扩展可利用来传送彩色信息。这就为在不扩展传输频带

21、的情况下实现彩色电视提供了理传输频带的情况下实现彩色电视提供了理论依据论依据v2.4.2 亮度信号、色差信号及其组成原理亮度信号、色差信号及其组成原理v1. 恒定亮度原理与高频混合原理恒定亮度原理与高频混合原理v恒定亮度原理：重现图像的亮度只由传送恒定亮度原理：重现图像的亮度只由传送亮度信息的亮度信号决定亮度信息的亮度信号决定v高频混合原理在高频混合原理在:从信号频带来看，为传送从信号频带来看，为传送代表亮度信息的信号应占有全部视频带宽，代表亮度信息的信号应占有全部视频带宽，而传送代表色度信息的信号可用较窄的频而传送代表色度信息的信号可用较窄的频带，这样在接收端所恢复的三个基色信号带，这样在接

22、收端所恢复的三个基色信号就只包含较低的频率分量，它们的高频部就只包含较低的频率分量，它们的高频部分都用同一亮度信号的高频部分来补充分都用同一亮度信号的高频部分来补充v2. 亮度信号和色差信号亮度信号和色差信号v经过转换并代表彩色三个基本参量的新的经过转换并代表彩色三个基本参量的新的传输信号需满足：传输信号需满足：v（1）为获得兼容性，必须传送一个与黑白）为获得兼容性，必须传送一个与黑白电视相同的亮度信号。彩色全电视信号应电视相同的亮度信号。彩色全电视信号应保持与黑白电视信号相同的频带宽度保持与黑白电视信号相同的频带宽度v（2）需要传送两个代表色度的信号。根据）需要传送两个代表色度的信号。根据恒

23、定亮度原理，它们不应包含有亮度信息；恒定亮度原理，它们不应包含有亮度信息；同时根据高频混合原理，色度信号可以采同时根据高频混合原理，色度信号可以采用窄带传输用窄带传输v（3）在传输黑白图像时，三个基色信号相）在传输黑白图像时，三个基色信号相等，即：等，即：R=G=B，根据上一条件，这时两个，根据上一条件，这时两个代表色度的信号应当等于零代表色度的信号应当等于零v（4）代表色度的两个信号是互相独立的）代表色度的两个信号是互相独立的v（5）三个基色信号与三个传输信号之间的）三个基色信号与三个传输信号之间的转换关系要简单转换关系要简单v于是现行彩色电视系统选用一个亮度信号于是现行彩色电视系统选用一个

24、亮度信号和两个色差信号。所谓色差信号是指由基和两个色差信号。所谓色差信号是指由基色信号和亮度信号之差组成的信号色信号和亮度信号之差组成的信号v它们与三个基色信号之间的关系为：它们与三个基色信号之间的关系为：0.300.590.11YRGB()(0.300.590.11 )0.700.590.11()(0.300.590.11 )0.300.590.89()(0.300.590.11 )0.300.410.11R YRRGBRGBB YBRGBRGBG YGRGBRGB0.590.11()()()0.300.300.300.59()()()0.110.110.300.11()()()0.590.

25、59RYGYBYBYRYGYGYRYBY v在三个色差信号中只有两个是独立的，它在三个色差信号中只有两个是独立的，它们之间的关系为：们之间的关系为：v通常选通常选Y、（、（R-Y）、（）、（B-Y）作为传输信号）作为传输信号v在接收端，为了恢复重现图像所需的三基在接收端，为了恢复重现图像所需的三基色信号，可先按上式由（色信号，可先按上式由（R-Y）和（）和（B-Y）信）信号组成（号组成（G-Y），然后由下式得到三个基色），然后由下式得到三个基色信号：信号：()()()RYYRBYYBGYYGv用信号表示式实现恒定亮度和高频混合原用信号表示式实现恒定亮度和高频混合原理理()()0.300.11(

26、)()0.590.59dttdttdtttRRYYBBYYGRYBYY v因显象管的因显象管的 系数等于系数等于1，所显示的亮度将，所显示的亮度将正比于以下信号：正比于以下信号：0.300.590.110.30()0.300.30()0.11()0.590.11()0.11ddddttttttttYRGBRYYRYBYYBYYY v可见，不论可见，不论 和和 怎样变化或混怎样变化或混有干扰信号，都不会影响亮度，亮度只由有干扰信号，都不会影响亮度，亮度只由亮度信号亮度信号 决定。于是实现了恒定亮度决定。于是实现了恒定亮度()tRY()tBYtY010601160106011601060116()

27、()()dddRRYYRYBBYYBYGGYYGYv若取色差信号的频带为若取色差信号的频带为01MHz，而亮度信，而亮度信号的频带为号的频带为16MHz，则恢复的三个基色信，则恢复的三个基色信号将分别为：号将分别为：v可见，重现的彩色图像的三基色信号只包可见，重现的彩色图像的三基色信号只包含含01MHz的频率分量，而的频率分量，而16MHz的范围内的范围内为来年高度信号分量，实现了高频混合原为来年高度信号分量，实现了高频混合原理理v3. 不同彩色时亮度信号与色差信号值举例不同彩色时亮度信号与色差信号值举例（不讲）（不讲）v4. 转换特性的非线性对实现恒定亮度原理的转换特性的非线性对实现恒定亮度原理的影响（了解结论）影响（了解结论）v结论：色差信号在传输中引起的变化以及结论：色差信号在传输中引起的变化以及