第一章电视基础知识

概述

电视原理课程是从事电视工程、通信工程、信息工程专业需要学习的一门重要课程

所谓电视是指通过一个电信系统，将一个实际的或记录的活动景物在一定距离之外重现其图像的技术。电视是近100年来最伟大的发明之一，是现代电子技术的奇迹，它通过图像和声音把这个世界带入我们的家中。第1章电视基础知识1.1电子扫描

——成像的原理1.2黑白全电视信号——信号的内容1.3彩色的基本概念——三基三要概念

这一章着重讨论在电视系统中所用到的光电转换、电子扫描、全电视信号及彩色等有关共有的基础知识。1.1电子扫描

1.1.1像素⒈定义：把一幅图像按一行紧挨一行的顺序分解成许许多多的细小单元，这些组成画面的细小单元就称为像素。⒉像素的传送应该具有两个特点:⑴传送速度要快——时间特点。⑵传送位置要准——空间特点。⒊电子扫描：在电视系统中，将组成一幅图像的像素，按从左至右、自上而下的顺序转换成电或光信号的过程称为电子扫描。

1.1.2

光电与电光转换电视图像的形成,在发送端是摄像管作为光电转换器件,在接收端是显像管作为电光转换器件。

1.摄像管与光电转换摄像管主要由：

①镜头－②光电靶－③偏转线圈－④电子枪等组成。工作原理图：由光敏半导体材料构成暗亮tu

光敏半导体材料.....

2.显像管与电光转换显像管是接收端重现图像的器件,主要由：①电子枪－②真空玻璃壳－③荧光屏－④阴罩板－⑤高压嘴－⑥偏转线圈等组成。荫罩板

1.1.3

电子扫描

1.电子扫描运动在电视系统中,无论是摄像管还是显像管，其电子枪外面都装有偏转线圈——行线圈和场线圈。行线圈中流过行扫描电路产生的锯齿波扫描电流，产生垂直方向的偏转磁场。场线圈中流过场扫描电路产生的锯齿波扫描电流，产生水平方向的偏转磁场。在这两个磁场的共同作用下,使电子束同时作水平与垂直方向的扫描运动。如下图所示。图1―7扫描电流波形(a)行扫描电流波形;(b)场扫描电流波形

a~b时b~c时90°110°图1―8光栅形状(a)只有行扫描;(b)只有场扫描;(c)行、场扫描同时存在从上至下扫描结束称为一场偏转线圈实物全貌场偏转线圈行偏转线圈偏转线圈外视图偏转线圈内视图实际结构图显像管座磁环

图1―10扫描电流与重现图像的关系(a)线性扫描,图像无失真;(b)行扫描非线性,产生左伸、右缩的非线性失真;(c)场扫描非线性,产生上拉、下压的非线性失真扫描电流的非线性对显示图像的影响：图1―11扫描电流幅度不足时产生的失真

(a)行扫描幅度小(b)场扫描幅度小枕型失真、桶型失真S型失真

2.隔行扫描隔行扫描,就是在每帧扫描行数仍为625行不变的情况下,将每帧图像分为两场来传送,这两场分别称为奇数场和偶数场。奇数场传送1,3,5,…奇数行;偶数场传送2,4,6,…偶数行。图1―12隔行扫描光栅及电流波形

(a)每帧光栅;(b)行扫描电流波形;(c)场扫描电流波形隔行扫描方式要求每帧扫描总行数为奇数。

（11行）

1.2黑白全电视信号

1.2.1主体信号——图像信号

1.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来的电信号。它具有两个主要特征:

(1)图像信号是单极性的，含直流，具有平均直流成分,其数值确定了图像信号的背景亮度。

(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。由图1―13所示（P10）。单极性信号图1―13图像信号(a)正极性亮度递减信号;(c)一般的负极性图像信号黑

2.图像信号的基本参量

亮度、对比度和灰度是电视图像转换中三个重要参量。图像质量,主要由这三个量描述。①亮度——是指单位面积的光通量。亮度的单位通常是尼特(nit）。电视机标准图像输出情况下，最暗3nit，最亮80nit。摄像机的亮度用照度表示：单位是Lux（勒克斯）。彩色摄像机一般为0.1～2000Lux。通常是给出最低照度（灵敏度）0.1Lux。投影仪的亮度用流明表示：单位是ANSI(流明：单位时间内每平方米的光通量)。通常是给出最高亮度3000流明。

②对比度——是电视图像中客观景物最大亮度Bmax与最小亮度Bmin之比。当以K表示对比度时,有：(1―4)

调对比度，实际上就是调图像信号的幅度。

AV状态时，调对比度，屏幕光栅是否发生变化？

③灰度——图像的明暗层次。

1.2.2辅助信号

—本章难点——复合同步和复合消隐信号。

1.复合同步信号（行+场同步信号）

电视系统中,收、发端扫描必须严格同步,即收、发扫描对应的行、场起始和终止位置必须严格一致,否则就会出现画面不稳定现象。甚至完全失步。在发送端，同步信号是由专门的电路或“同步机”产生的。它一方面控制电视摄像机的行、场扫描，另一方面和图像信号、消隐信号混合形成全电视信号，发送出去，控制接收端的扫描。图1―14为收发两端行频相位不同步产生的行失步情况。图1―14(a)为发端图像。图1―14

(b)为相位不同步的情况。

2.复合消隐信号电子束从屏幕右边回到屏幕左边的逆程回扫期间，和电子束从屏幕下边回到屏幕上边的逆程回扫期间，希望它不要使屏幕发光，为此，在电子束逆程期间，传送一个黑色电平的信号电压，使电子束截止。这个信号电压叫做消隐信号。行消隐和场消隐混合在一起，组成一个复合消隐信号。

图1―15复合同步与复合消隐信号(a)复合同步信号;(b)复合消隐信号;(c)复合同步与复合消隐信号

3.槽脉冲分析后再回来由于场同步信号脉冲宽度比较宽（160us),在这段时间内，没有行同步信号，使行扫描失去了同步。为此，在场同步信号内开了几个小凹槽，使槽的后沿位于原来应该在此出现的行同步信号上升沿的位置上。凹槽宽度（4.7us）要窄，这样对接收端场同步信号的积分影响小。如下图所示。图1―16同步分离原理框图及波形(a)分离电路原理图;(b)各点波形图1―16同步分离原理框图及波形(a)分离电路原理图;(b)各点波形

4.均衡脉冲由于采用了隔行扫描，故有奇数场与偶数场之分。对于奇数场，它是在半行处结束，因此场同步信号应在半行时加入；对于偶数场，它是在一个整行后结束，因此场同步信号应在一个整行结束时加入。这样，相邻两场的场同步信号前面的行同步信号的位置是错开的，正好相差半个行周期。如下图所示。(a)复合同步信号;(b)积分输出波形;图1―17复合同步脉冲及积分结果相邻两场同步信号在接收端用积分法恢复出来的场同步信号的波形不一样，相邻两场的同步作用在时间上不一致，光栅产生并行现象。......栅并行图示为此，在场同步脉冲前后分别加入了五个窄脉冲，称为前后均衡脉冲，脉冲间隔为半个行周期。这样，就使相邻两场同步脉冲前后较近的时间内，脉冲的差异较小，以消除并行现象。

1.2.3黑白全电视信号

1.全电视信号波形将图像信号、复合同步、复合消隐、槽脉冲和均衡脉冲等叠加,即构成黑白全电视信号,通常也称其为视频信号,其波形如下图所示。

图1―18黑白全电视信号......1―18黑白全电视信号

2.全电视信号的频谱所谓频谱,就是电信号的能量按频率分布的曲线。全电视信号的频谱,应是它所包含的主体信号(图像信号)与辅助信号的频谱之和。图1―19图像信号的频谱归纳起来,图像信号的频谱具有如下特征:(1)以行频及其谐波为中心,组成梳齿状的离散频谱。

(2)随着行频谐波次数的增高,谱线幅度逐渐减小。

(3)实践证明,无论是静止或活动图像,围绕行频谱线分布的场频谐波次数不大于20(即图1―19中m≤20)。按m=20计算,各谱线群所占频谱宽度仅为2m×fv=2×20×50=2kHz,相邻两主谱线间距为15.625kHz,可见各群谱线间存在着很大的空隙。频谱图告诉我们，描述图像信号内容的频率主要集中在低频端和行频及其谐波的主频线附近。换句话说，在主频线附近图像信号的内容比较丰富。图1―20各辅助脉冲信号的频谱各辅助脉冲信号的频谱，与脉冲宽度（）有关，均小于1MHZ。图1―21全电视信号频谱示意图为了分析问题简单，全电视信号的频谱常以下图表示。1.3彩色的基本概念彩色电视也是采用光—电—光及声—电—声转换以及电子扫描原理来变换、传送、重现图像和伴音的。与黑白电视不同的是，彩色电视的摄像机是将彩色景物变换成红绿蓝三种基色的电信号，然后进行适当的处理、传输，再通过彩色显像管重现彩色图像。一句话，就是增加了一个色度信号。为此，首先要弄清楚彩色电视的色度学基本知识。

1.3.1光和色的概念

1.可见光的特性光是一种以电磁波形式存在的物质,人眼能看见的光叫可见光,其波长范围为380nm到780nm。从电视角度看,可见光有如下特性:(1)可见光的波长范围有限,它只占整个电磁波波谱中极小的一部分。

(2)不同波长的光呈现出的颜色各不相同。波长由长到短,呈现的颜色依次为:红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

(3)只含有单一波长的光称为单色光;包含有两种或两种以上波长的光称为复合光,复合光作用于人眼,就呈现混合色。

(4)太阳发出的白光中包含了所有的可见光,若把太阳辐射的一束光投射到棱镜上,太阳光会经过棱镜分解成一组按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的连续光谱。

2.物体的颜色我们看到的颜色有两种不同的来源：一种是发光体所呈现的颜色；另一种是物体反射或透射的彩色光。另外，物体呈现的颜色与照射它的光源有关。

不同波长的光对应单一的色，而颜色对应的光却并非单一。

3.色温和标准光源

(1)色温的概念色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。所谓绝对黑体是指既不反射也不透射完全吸收入射光的物体。当绝对黑体在某特定绝对温度下，所辐射的光谱与某光源的光谱具有相同的特性时，则绝对黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温。

(2)各标准的白光源:

A光源:相当于2800K钨丝灯（100W）所发的光。

B光源:4800K,相当于中午直射的太阳光。

C光源:6800K,相当于白天的自然光。

D光源:6500K,相当于白天平均照明光。

E光源:5500K是一种理想的等能量的白光源。

晴朗的兰色天空：26000K。日立公司显像管：6500K。东芝公司显像管：9300K。索尼公司显像管：11000K。

1.3.2视觉特性

1.相对视敏曲线

物质有选择地吸收、反射或透射不同波长的光,是物体固有的物理特性,它决定了该物体的颜色;而人们感觉到光的亮度和光的颜色却是人的眼睛的生理结构特点所造成的。

图1―25相对视敏曲线绿色亮度最强红色次之（1/2）兰色最弱（1/6）

2.人眼的亮度感觉①人眼所能感觉到的最大亮度与最小亮度的差别，即人眼视觉范围很宽。但不能同时感觉到这么大的范围。如环境亮度为10000nit：200~20000nit；

30nit：2~200nit。②在不同环境亮度下对同一亮度所产生的主观亮度感觉却完全不同。如晚上看电视。

3.人的彩色感觉①人眼是一种特殊的光接收器。视网膜上存在着许多能引起亮度感觉的杆状细胞和彩色感觉的红、绿、蓝锥状细胞。人眼的色感就是由此三种锥状细胞共同响应的结果。②彩色光在人眼视网膜上有重叠的功能，即有一定强度的红绿蓝三色光同时作用在人眼的视网膜上的锥状细胞时，会重叠出无色的亮度。

1.3.3彩色三要素和三基色原理

1.彩色三要素

2.三基色——

三基色原理:(1)三基色必须是相互独立的,即其中任一种基色都不能由另外两种基色混合而产生。

(2)自然界中的大多数颜色,都可以用三基色按一定比例混合得到。亮度红、绿、蓝。色调色饱和度

(3)三个基色的混合比例,决定了混合色的色调和饱和度。

(4)混合色的亮度等于构成该混合色的各个基色的亮度之和。

3.混色方法：红色+绿色=

红色+蓝色=

绿色+蓝色=

红色+绿色+蓝色=

（1—5）黄色紫色青色白色图1―26相加混色圆图为什么要选红绿蓝作为三基色？在电视系统中实现相加混色主要有如下两种方法:

(1)空间混色法。（PLA、NTSC制）

(2)

时间混色法。（SECAM制）

4.色度三角形三基色混合所产生的各种颜色,可以由色度三角形表示,如下图。图1―27色度三角形黄红紫蓝

1.3.4计色制及色度图

1.配色实验配色实验是通过比色来进行的（如下图）。

从基色调节装置上分别读出各个基色的数量,由此可写出配色方程式：彩色光通量：F=R(R)+G(G)+B(B）(1―6)图1―28配色实验示意图

对于标准白光源E,R=G=B=1个单位，即：

FE白（彩色光通量）=1(R)+1(G)+1(B)

其光通量数值（发光强度）为:

｜FE白｜=1×1+1×4.5907+1×0.0601=5.6508lm

(1―7)

2.计色制及色度图

XYZ计色制及其色度图在XYZ计色制中，人为设想的3个X、Y、Z基色代替R、G、B三基色，建立新的计算系统和色度图。用该系统构成任意彩色光的配色方程为：

F=X(X)+Y(Y)+Z(Z)[X-系数，（X）-单位量]X、Y、Z和(X)、(Y)、(Z)要通过RGB计色制得到的数值进行换算（线性矩阵变换），最终由配色实验得到的数据，换算成x,y坐标值，得到色度图。

“计算三基色”具有如下特点:①可根据F=X(X)+Y(Y)+Z(Z)方程式配出实际颜色,且三个色系数X、Y、Z均不为负。(X)、(Y)、(Z)并不代表实际颜色，只能由计算求得。②规定系数Y在数值上等于彩色光的亮度,而X、Z二个系数不包含亮度。③色度由三色系数的相对比例确定，当X=Y=Z=1时,配出等能白光E白。色度与三基色系数的比例有关，也就是说，三个系数的大小决定了彩色光的色度。这里引入三基色相对色度系数x、y、z。

设X+Y+Z=m,则x,y,z分别为:

(1―13)YmZmmX=

x+y+z=++1

这样x,y,z的和等于1，并且其中只有两个量是独立的,故可在x-y平面直角坐标系中描绘出XYZ色度图,亦称CIE色度图。(1―13’)

图1―30XYZ色度图

该色度图具有如下特点:①舌形曲线全部位于第一象限,所有的单色光都位于舌形曲线上,舌形曲线称为谱色轨迹,它们的饱和度均为100%,曲线旁注有单色光波长值。②舌形曲线上任一点与E白点的连线称为等色调线。③不在同一等色调线上的任意两点,表示两种不同的颜色,可由作图法求得，由这两种颜色组成的全部混合色都处在这两点的连线上，合成点的颜色强度与原两点的距离成反比。

④饱和度相同的彩色所对应的各点的连线称为等饱和度线。⑤在谱色曲线内任取三点对应的彩色作基色(例如,图中R1、G1、B1),则由此三基色混合而成的所有彩色都包含在以这三点为顶点的三角形内。⑥每一谱色（色度）均有x、y的坐标值与其对应。且y值还代表了相对的亮度。

3.亮度方程当显像三基色和标准白光源选定后，即知道了它们在XYZ计色制的色度坐标。以C白光为标准白光源的NTSC制彩色电视制式,C白光和3种基色荧光粉在XYZ计色制的色度坐标是C白（0.310，0.316）、R（0.67，0.33）、G（0.21，0.71）、B（0.14，0.08）。经线性矩阵变换可导出C白光源所代表的白色需要三种基色光的比例是：

R：G：B=0.299：0.587：0.114

那么亮度信号EY按同样的比例构成：

EY=0.299ER+0.587EG+0.14EB

为了书写方便其亮度方程写为：

Y=0.3R+0.59G+0.11B(1―15)以D65光为标准白光源的PAL制彩色电视制式,其亮度方程式为：

Y=0.222R+0.707G+0.071B(1―16)

二者相