电视图像的传送原理

1、第2章 电视传像根本原理 2.1 电视传像原理 2.2 电视图像根本参数 2.3 黑白全电视信号的组成 思索题和习题 2.1 电视传像原理 电视广播用无线电波传送活动图像和伴音。 传送伴音要把随时间变化的声能变成电信号传送出去， 接纳机再把电信号转换为声音。 传送活动图像要在发送端把亮度信息从空间、 时间的多维函数变成时间的单变量函数电信号。 人眼的分辨力是有限的， 当人眼看图像上两个点构成的视角小于1时， 眼睛已不能将这两点区分开来。 根据这一视觉特性， 我们可以将一幅空间上延续的黑白图像分解成许多小单元， 这些小单元面积相等、 分布均匀， 明暗程度不同。 大量的单元组成了电视图像， 这些单

2、元称为像素。 报纸上的照片就是这样构成的， 在近间隔仔细察看时， 画面由许多小黑点组成；当分开一定间隔观看时， 看到的是一幅完好的照片。 单位面积上的像素数越多， 图像越明晰。 一幅高质量的图像有几十万个像素。 要用几十万个传输通道来同时传送图像信号是不能够的。 由于人眼的视觉惰性， 可以把图像上各像素的亮度信号按从左到右、 从上到下的顺序一个一个地传送。 电视接纳机按发送端的顺序依次将电信号转换成相应亮度的像素， 只需在视觉暂留的0.1 s时间里完成一幅图像一切像素的电光转换， 那么人眼觉得到的将是一幅完好的图像。 利用人眼的视觉惰性和有限分辨力， 活动图像可分解为一连串的静止图像， 静止图

3、像又可分解为像素， 只需在 时间里， 发送端依次对一幅图像一切像素的亮度信息进展光电转换， 接纳端再依次重现相应亮度的像素， 就可以完成活动图像的传输。 这种将图像分解成像素后顺序传送的方法叫做顺序传送原理。 利用视觉惰性， 我们同样可以把延续动作分解为一连串稍有差别的静止图像。 电影就是每秒放映24幅稍有差别的静止画面来得到活动图像的， 电视那么是采用每秒传送25幅稍有差别的电视画面来得到延续动作的效果的。 2.1.1 逐行扫描 在电视发送端用摄像器件实现光电转换， 在接纳端用显像管实现电光转换。 涂在玻璃屏上的荧光粉在电子束的轰击下会发光。 荧光屏的发光强弱取决于轰击电子的数量与速度， 只

4、需用代表图像的电信号去控制电子束的强弱， 再按规定的顺序扫描荧光屏， 便能完成由电到光的转换， 重现电视图像。 显像管中的电子束扫描是经过程度偏转线圈和垂直偏转线圈来实现的。 在程度偏转线圈所产生的垂直磁场作用下， 电子束沿着程度方向扫描， 叫做行扫描。 同时在垂直偏转线圈所产生的程度磁场作用下， 电子束沿垂直方向扫描， 叫做场扫描。 假定在程度偏转线圈里经过如图2-1(a)所示的锯齿形电流， t1t2期间电流线性增长时， 电子束在垂直偏转磁场的作用下从左向右作匀速扫描叫做行扫描正程， t2时辰正程终了时， 电子束扫到屏幕的最右边。 t2t3期间偏转电流快速线性减小， 电子束从右向左迅速扫描，

5、 叫做行扫描逆程， t3时辰逆程终了时， 电子束又回扫到屏幕的最左边。 电子束在程度方向往返一次所需的时间称为行扫描周期TH。 行扫描周期TH等于行正程时间THF和行逆程时间THR之和。 行扫描周期的倒数就是行扫描频率fH。 图 2-1 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 假定在垂直偏转线圈里经过如图2-1(b)所示的锯齿形电流， 电子束在程度偏转磁场的作用下将产生自上而下， 再自下而上的扫描， 这样便构成帧扫描正程和逆程。 帧扫描的周期TZ等于帧正程时间TZF和帧逆程时间TZR之和。 帧扫描周期的倒数就是帧扫描频率fZ。 帧扫描频率fZ远低于行扫

6、描频率fH。 假设把行偏转电流iH和帧偏转电流iZ同时分别加到程度和垂直偏转线圈里， 那么， 在程度偏转磁场和垂直偏转磁场共同作用下， 电子束同时沿程度方向和垂直方向扫描， 在屏幕上就显示出如图2-1c所示的光栅。 由于行扫描时间比帧扫描时间短得多， 整个屏幕高度有600多条扫描线， 因此电视机的扫描线看起来是程度直线。 这种扫描方式从图像上端开场， 从左到右、 从上到下以均匀速度按照顺序一行紧跟一行地扫完全帧画面， 称为逐行扫描。 逆程扫描线会降低图像质量， 故在行、 帧逆程期间用消隐脉冲截止扫描电子束， 使逆程扫描线消逝。 为了提高效率， 正程扫描时间应占整个扫描周期的大部分， 电视规范规

7、定了行逆程系数和帧逆程系数： 在逐行扫描中， 一切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， TZ =ZTH，fH=ZfZ。 2.1.2 隔行扫描 为了保证电视图像有足够的明晰度， 扫描行数需在600左右； 为了保证不产生闪烁觉得， 帧扫描频率应在48 Hz以上， 这样图像信号的频带就会很宽， 使设备复杂化。 隔行扫描在不添加带宽的前提下， 保证有足够的明晰度又防止了闪烁景象。 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

8、两场扫描， 一切像素全部扫完。 偶数场扫描线正好嵌在奇数场扫描线的中间， 如图2-2c所示。 我国电视规范规定， 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50 Hz， 不会有闪烁景象， 一帧由两场复合而成， 每帧画面仍为625行， 图像明晰度没有降低， 而频带却紧缩了一半。 图2-2a是行扫描电流波形， 图2-2b是场扫描电流波形。 为了简化， 图中未画出行、 场扫描的逆程时间。 一帧光栅由9行组成， 图2-2c中奇数场光栅用实线表示， 偶数场光栅用虚线表示。 奇数场终了时正好扫完第5行的前半行， 偶数场一开场扫第5行的后半行， 偶数场第一整行(

9、第6行)起始时垂直方向正好扫过半行， 插在第1行和第2行的中间， 构成隔行扫描。 由此可见， 隔行扫描要将偶数场光栅嵌在奇数场光栅中间， 每帧的扫描行数必需是奇数。 图 2-2 隔行扫描电流和光栅 (a) 行扫描电流； (b) 场扫描电流； (c) 扫描光栅 隔行扫描存在以下缺陷： (1) 行间闪烁效应 从电视图像整体来看， 隔行扫描后图像场频坚持在50 Hz， 高于临界闪烁频率， 观看时不会觉得到闪烁。 但当图像中有一行亮线时， 每秒只出现25次， 低于临界闪烁频率， 就会感到闪烁， 这叫行间闪烁。 (2) 并行景象 并行景象有真实并行和视在并行。 在隔行扫描中， 要求行、 场扫描频率坚持一

10、定的关系， 否那么两场光栅不能均匀相嵌。 不均匀的极端是奇、 偶两场光栅重合， 称为真实并行， 这时图像明晰度会降低一半。 当图像上有一物体垂直方向运动速度恰好是一场时间下移一行的间隔时， 该物体后一场图像与前一场一样， 当察看者的视野随运动物体挪动时， 看起来是两行并成了一行， 图像明晰度下降， 这被称为视在并行。 (3) 垂直边沿锯齿化景象 当图像上有物体程度方向运动速度足够大时， 因隔行分场传送， 相邻两行在时间上相差， 结果运动物体图像垂直边缘出现锯齿。 锯齿深度就是物体在一场时间内程度方向挪动的间隔。 2.2 电视图像根本参数 2.2.1 图像宽高比 图像宽高比也称幅型比。 根据人眼

11、的视觉特性， 视觉最清楚的范围是垂直视角为15， 程度视角为20的一个矩形视野， 因此电视接纳机的屏幕通常为矩形， 矩形画面的宽高比为43。 矩形屏幕的大小用对角线长度表示， 并习惯用英寸作单位， 普通家用电视机的35 cm14英寸、 46 cm18英寸、 51 cm20英寸、 74 cm29英寸等都是指屏幕对角线长度。 观看电视的最正确间隔分别为2 m、 2.5 m、 3m、 4 m， 眼睛应与荧光屏中心处在同一程度线。 为加强临场感与真实感， 还可加大幅型比， 例如， 高明晰度电视或大屏幕高质量电视要求程度视角加大， 观看间隔约为屏高的三倍， 幅型比定为169。 2.2.2 场频 选择场扫

12、描频率主要应思索不能出现光栅闪烁。 人眼的临界闪烁频率与屏幕亮度、 图像内容、 观看条件以及荧光粉的余辉时间等要素有关， 为了不引起人眼的闪烁觉得， 场频应高于48 Hz。 随着屏幕亮度的提高， 屏幕尺寸的加大， 观看间隔的变近， 场频应相应提高。 场频的选择还要思索交流电源对电视图像的影响。 电视接纳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， 都会使图像产生一种垂直方向的明暗变化， 或呈现为一二条程度暗条。 当电源频率与场频一样并与电源同步时， 这些干扰在图像上是固定不动的， 只需不太大， 眼睛是觉得不出来的； 当电源频率与场频不同时， 干扰图形将是挪动的， 以两个

13、频率的差频向上或向下滚动， 俗称“滚道。 交流电源干扰假设加在行锯齿波上， 会呵斥光栅扭曲。 当场频与电源频率不同时， 光栅不但扭曲而且摆动。 因此在制定电视规范时都规定场频与本国的电网频率一样。 在我国电视规范中， 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觉得， 而现代接纳机消费工艺程度已能消除电源干扰， 所以未来会采用比50 Hz更高的场频。 2.2.3 行数 在1.2.3节中得到分辨力公式 式中， L表示眼睛与图像之间的间隔， d表示能分辨的两点间最小间隔， 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

14、为每帧扫描行数， h为屏幕高度， 那么有 ， 代入式1-2得 。 取规范视距L为屏幕高度h的46倍， 并取为1时， 那么可算得应该取的扫描行数在860570行之间。 目前世界上采用的规范扫描行数有625行和525行， 我国采用625行。 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。 随着大屏幕电视的开展， 625行的规范明显偏低， 在高明晰度电视中， 为了获得临场感和真实感， 扫描行数已添加到1200行以上。 场频曾经确定为fV=50 Hz， 由于采用隔行扫描， 那么帧频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=62

15、5后， 行扫描时间TH=TZ/Z=40 ms/625=64 s， 行频fH=fZZ=25 Hz625=15 625 Hz。 图像信号 CCD传感器的每个像素的输出波形只在一部分时间内是图像信号， 其他时间内是复位电平和干扰。 为了取出图像信号并消除干扰， 就要采用取样坚持电路。 每个像素信号被取样后， 用一电容把信号坚持下来， 直到取样下一个像素信号。 以下图是相关双取样电路CDS， Correlated Double Sampling， 图中SHP是复位电平取样脉冲， 它对复位电平进展取样， 用来消除直流成分。 SHD是信号取样脉冲， 它对取样后的复位电平和信号同时取样。 由于取样后的两个信

16、号中有一样的干扰波形， 因此将有一样干扰波形的两个信号送到差分放大器中相减， 就可得到不带干扰的输出信号。 在CCD传感器的输出信号中含有多种热杂波， 这些杂波在差分放大器输入的两路信号中根本一样， 经过差分放大器后， 热杂波将被抑制。 图 相关双取样电路 经相关双取样后得到的图像信号反映了实践景物的亮度。 由于图像内容是随机的， 相应的电压波形也是随机的， 所以摄取一幅从白到黑10个灰度等级竖条的图像， 每行产生的图像信号电压波形就是10阶梯从低到高的。 纯白对应的电平最低， 全黑对应的电平最高。 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， 信号电平与图像亮度成正比的

17、图像信号称为正极性图像信号。 消隐信号和同步信号 显像管电子束在行、 场扫描正程期间重现图像信号， 在行、 场扫描逆程期间构成回扫线。 由于摄像机在行、 场扫描逆程发出消隐信号令电视接纳机显像管电子束截止， 所以消除了显像管在行、 场扫描逆程期间产生的回扫线。 消隐信号分为行消隐信号和场消隐信号。 行消隐信号的宽度为12 s， 场消隐信号的宽度为25TH+12 s。 由于采用隔行扫描， 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同称为复合消隐信号。 图 2-12 复合消隐信号 (a) 奇数场；

18、(b) 偶数场 电视接纳机显像管要正确地重现摄像机摄取的图像， 接纳机与摄像机的扫描必需同步， 即扫描的频率和相位完全一样。 摄像机每读出一行图像信号后， 送出一个行同步信号， 接纳机那么利用这个行同步信号去控制本机的行扫描逆程起点。 行同步脉冲的前沿表示上一行的终了， 下一行的开场。 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2-11a所示。 摄像机每读完一场图像信号后， 送出一个场同步信号， 接纳机就利用该场同步信号去控制本机的场扫描逆程起点。 场同步脉冲的前沿表示上一场的终了， 下一场的开场。 场同步信号的脉冲宽度为2.5TH， 行、 场同步信

19、号合在一同称为复合同步信号。 复合同步信号的波形如图2-11b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。 图 2- 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 假设接纳机的场频稍高或稍低于场同步信号， 就会使重现图像向下或向上挪动， 挪动速度取决于接纳机与场同步信号场频之差。 当接纳机的场频为25 Hz, 即电视信号规范场频的一半时，屏幕上出现上、 下两个一样的图像而屏幕中部那么是一条程度黑带， 是占2

20、5行的场消隐信号。 假设接纳机的行频稍高于行同步信号， 屏幕上会出现一条条向右下方倾斜的黑白相间的条纹； 假设接纳机的行频稍低于行同步信号， 屏幕上会出现一条条向左下方倾斜的黑白相间的条纹。 3 开槽脉冲和平衡脉冲 在场同步信号期间行同步信号中断， 容易呵斥行不同步。 为了坚持行同步信号的延续性，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， 构成了五个齿脉冲。 利用凹槽的后沿作为行同步信号的前沿。 凹槽叫做开槽脉冲， 其宽度为4.7 s， 其间隔等于TH2。 齿脉冲宽度为27.3 s， 如图2-13所示。 行、 场同步脉冲合在一同成为复合同步信号， 如图2-13b所示。 由于行

21、、 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， 实现接纳机行、 场扫描的同步。 图 2-14 未加平衡时奇数、 偶数场的积分波形 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， 因此经过积分电路后， 奇数场、 偶数场同步信号的积分波形不一样， 假设用此波形的某一电平去同步场扫描电路， 那么两场的同步会出现时间误差t。 偶数场在t1时同步而奇数场在t2时同步， 影响了接纳机隔行扫描的准确性， 导致扫描光栅的并行和垂直

22、分辨力的降低。 为了消除奇数偶数两场的时间误差， 在场同步信号前后假设干行内将行同步脉冲的频率提高一倍。 为了使频率提高后的行同步脉冲的平均电平不变， 将这些脉冲的宽度减少为原来的一半， 在场同步信号的前后各有五个脉冲分别称为前平衡脉冲和后平衡脉冲。 场同步内的开槽脉冲频率提高一倍是由于同样的缘由， 这样， 在奇数场和偶数场的场同步期间， 以及前后假设干行的同步脉冲波形会完全一样， 结果奇数场和偶数场的积分波形也完全一样。 图 2-15 黑白全电视信号 (a) 奇数场信号； (b) 偶数场信号 图 2-15 黑白全电视信号 (a) 奇数场信号； (b) 偶数场信号 全电视信号 黑白全电视信号由

23、图像信号、 消隐信号和同步信号叠加而成， 如图2-15所示。 同步脉冲叠加在消隐脉冲之上， 消隐脉冲的作用是封锁电子束, 消除回扫线。 消隐电平相当于图像信号的黑色电平， 同步脉冲电平比消隐电平还高， 不会在接纳机屏幕上显示出来。 利用同步脉冲的高电平， 可以把同步脉冲切割出来， 去控制扫描振荡器。 同步脉冲的前沿是扫描逆程开场的时间， 消隐脉冲的前沿比同步脉冲提早一点可以确保逆程被完全消隐掉。 全电视信号的幅度比例按规范规定是同步信号电平为100%， 黑电平与消隐电平为75%， 白电平为10%12.5%， 图像信号介于白电平和黑电平之间， 统称为灰色电平。 2.3电视图像的根本参数 2.3.

24、1 图像的尺寸与几何外形 1帧型和帧型畸变 2图像的几何类似性 由于电子束是在扫描正程期间传送图像信号的，因此在正程期间要求扫描速度均匀，这就要求流过偏转线圈的电流线性良好，否那么重现图像将产生非线性失真。 假设原图像为方格信号，当行、场扫描电流波形均为线性变化的锯齿波时，重现图形无失真，仍为方格图形。当行、场扫描电流只需有其中之一失真，显示的图形将出现非线性失真，图2-17(b)和(c)分别表示行、场扫描电流其中之一出现非线性失真的情况。假设二者同时失真，将显示出复杂的失真图形。 行、场扫描电流幅度缺乏时同样会产生失真。 我国广播电视扫描参数 扫描方式：隔行扫描。 行频 fH ：15625H

25、z；场频 fV ：50 Hz帧频25 Hz；行周期TH：64s场周期TV：20ms行正程时间THS：52s场正程时间TVS：18.4 ms行逆程时间THR：12s场逆程时间TVR：1.6 ms每帧扫描行数Z：625行每帧显示行数Z/：575行每场扫描行数：312.5行每场显示行数：287.5行2.3.3扫描行数及有关参数确定1 图像的分解力明晰度与信号带宽 广播电视的扫描参数是在参数确定时的现有技术条件的制约下，根据人们对电视图像明晰度的要求，经过折衷思索而确定的。扫描参数一经确定，其图像的明晰度和图像信号带宽亦随之确定了。电视图像的分解力通常用能分辨黑白相间线条的线数来表示。例如，说500线

26、明晰度，那么表示可以分辨黑白相间的线条的总数为500条，即黑白相间的线条个250条。电视的分解力分为垂直方向分解力和程度方向分解力。 1垂直分解力M 电视图的垂直分解力受每帧扫描行数Z的限制，实践上是受每帧显示行数Z/的限制。理想条件下，M= Z/。但在实践上M与当时的图像形状和扫描线的相对位置有关如图示，圆点表示正在扫描的电子束，那么总是有MZ/。 由于扫描线具有一定的宽度电子束具有一定的截面积，所以再现图象可以完全恢复第一列和第三列的原图形，而第二列那么完全复不能恢复了，第四列可以部分恢复。这种极端的情形在实践的图象是很少见的，普通的图像总是具有一定的随机性，所以垂直分解力M介于有效扫描行

27、数Z/到Z/的一半之间，可以用一个小于一的系数k与Z/的乘积来表示：M= kZ/。通常k=0.76，那么M=427线。 由此可见，我国广播电视的垂直明晰度大于400线。VHS家用录像机为200左右，S-VHS在400线左右，VCD在280左右。 2程度分解力N 程度分解力N是指图像在程度方向上可以区分出垂直的黑白相间的线条数目。电子束在垂直方向上扫描是一行一行进展的，相邻两行互不重叠，那么垂直方向上象素是不延续的，程度方向每一行的扫描那么是延续进展的。由于扫描电子束具有一定的截面，对于竖直的黑白相间的线条扫描时，在黑白的交界处，转换图像信号的电平不能突变。假设图象的细节比电子束的直径更小，那么

28、会完全反映不了这种细节的变化，即存在孔阑效应 。 从提高程度分解力的观念上看，电子束截面的直径 d 越小图像的程度分力就会越高，但是电子束截面的直径太小画面转换的效率将会降低，所以电子束截面的直径d普通以扫描的行距相等为宜，孔阑效应此时的程度分辨力与垂直分辨力一样单位长度上，实验证明此时的图像质量最正确。在画面宽高比为4:3时， 线。 3图像信号的带宽 任何景物都有一定的背景亮度，反映在图像信号上就是信号的直流分量，也就是说图像信号最低频率是直流。可见只需知道了图像信号的最高频率，就可以确定图像信号的带宽。 图像信号的最高频率应出如今传输一幅全是细节图象的情况下，且图像细节相当于一个像素，与一

29、个扫描点相当，我们可用图像信号的带宽计算图来讨论。 图像信号的带宽计算图 电视的程度分解力为N，那么在行扫描正程时电子束扫过每个象素的时间为td=THS/N。由于存在孔阑效应，所以摄像输出的信号近似为正弦波，周期为2 td，因此图像信号的最高频率fmax为思索题和习题 1. 填空题 (1) 在程度偏转线圈所产生的_磁场作用下， 电子束沿着 _方向扫描， 叫做行扫描。 (2) 在垂直偏转线圈所产生的_磁场作用下， 电子束作_方向扫描， 叫做场扫描。 (3) 电子束在程度方向往返一次所需的时间为行扫描周期(TH)。 行扫描周期TH等于_和_之和。 (4) 行扫描周期的倒数是_。 (5) 帧扫描频率

30、fZ远_于行扫描频率fH。 (6) 电子束从图像上端开场， 从左到右、 从上到下以均匀速度按照顺序一行紧跟一行地扫完全帧画面， 称为_扫描。 (7) 电视规范规定了行逆程系数=_， 帧逆程系数= _。 (8) 在逐行扫描中， 每帧的扫描行数Z为_。 (9) 我国电视规范规定， 每秒传送_帧， 每帧图像为_行， 每场扫描_行， 每秒扫描_场。 (10) 隔行扫描要求每帧的扫描行数必需是_。 (11) 隔行扫描存在_效应、 _景象和_现象等缺陷。 (11) 行消隐信号的宽度为_， 场消隐信号的宽度为_。 (12) 行同步信号的脉冲宽度为_， 行同步脉冲前沿滞后行消隐脉冲前沿_。 (13) 场同步信号的脉冲宽度为_TH