电视机原理彩色图像的发送

/无线电视广播系统原理方框图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,接收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连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，这些单元称为像素。报纸上的照片就是这样构成的，在近距离仔细观察时，画面由许多小黑点组成；当离开一定距离观看时,看到的是一幅完整的照片.单位面积上的像素数越多，图像越清晰。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可能的。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。电视接收机按发送端的顺序依次将电信号转换成相应亮度的像素，只要在视觉暂留的0.1s时间里完成一幅图像所有像素的电光转换，那么人眼感觉到的将是一幅完整的图像.利用视觉惰性，我们同样可以把连续动作分解为一连串稍有差异的静止图像。电影就是每秒放映24幅稍有差异的静止画面来得到活动图像的,电视则是采用每秒传送２5幅稍有差异的电视画面来得到连续动作的效果的。根据人眼视觉特性,自然界景物的彩色要用亮度L、色调H和饱和度Ｓ来描述.景物的形状可用空间坐标x、ｙ、z表示.如果是活动景物，那么它的外形和相应的彩色还都是时间t的函数。任何自然景物都可以用下列方程组表示Ｌ=ｆL(ｘ，y,z,t）H=fH（ｘ，ｙ,z，ｔ）S=ｆＳ(ｘ，y,ｚ，t）图像顺序传送:把被传送的图像上各个像素的亮度按照一定顺序转变成电信号,并且依次传送出去，在接收端的屏幕上,再按照同样的顺序将各个电信号在相应的位置上转变为光信号.只要这种顺序传送进行得足够快，那么由于人眼的视觉惰性和发光材料的余辉特性,就会使观察者感觉到整幅图像同时进行,这种按照顺序传送图像像素的方法构成的电视系统，称为顺序传送系统.图像的摄取和重现图像的摄取和重现：就是由光电转换实现，实现器件分别为电视摄像管和电视显像管。电视摄像管:应用光电效应，将被摄景物分割成若干个小单元，顺序将各像素的亮度转变成与之成比例的随时间变化的电脉冲信号.电视显像管：利用电光效应，由于荧光屏发光强弱取决于冲击电子数量和速度，则根据代表图像的电信号来控制电子束的强弱，采用和电视摄像管相同的扫描规律来扫描荧光屏,完成光电转换，重现电视图像。电视图像光电转换系统简图彩色图像的摄取通过分光系统将彩色光分解成三基色的光，分别用三个摄像管摄取，得到三个基色的电信号；彩色图像的重现利用空间混色法，将受到三基色信号激励的电子枪产生三个电子束,分别轰击红绿蓝荧光点，从而重现彩色图像。逐行扫描在电视发送端用摄像器件实现光电转换，在接收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，只要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通过水平偏转线圈和垂直偏转线圈来实现的。在水平偏转线圈所产生的垂直磁场作用下，电子束沿着水平方向扫描，叫做行扫描.同时在垂直偏转线圈所产生的水平磁场作用下，电子束沿垂直方向扫描,叫做场扫描。假定在水平偏转线圈里通过如图2—１（a)所示的锯齿形电流,t１～ｔ2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时刻正程结束时,电子束扫到屏幕的最右边。ｔ2~ｔ3期间偏转电流快速线性减小，电子束从右向左迅速扫描，叫做行扫描逆程,t3时刻逆程结束时，电子束又回扫到屏幕的最左边。电子束在水平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。假定在垂直偏转线圈里通过如图2-1（b）所示的锯齿形电流,电子束在水平偏转磁场的作用下将产生自上而下，再自下而上的扫描，这样便形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远低于行扫描频率ｆＨ。如果把行偏转电流iH和帧偏转电流ｉZ同时分别加到水平和垂直偏转线圈里，那么，在水平偏转磁场和垂直偏转磁场共同作用下，电子束同时沿水平方向和垂直方向扫描，在屏幕上就显示出如图2—1（c）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水平直线.这种扫描方式从图像上端开始,从左到右、从上到下以均匀速度依照顺序一行紧跟一行地扫完全帧画面，称为逐行扫描。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，使逆程扫描线消失。为了提高效率，正程扫描时间应占整个扫描周期的大部分，电视标准规定了行逆程系数α和帧逆程系数β在逐行扫描中,所有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。隔行扫描为了保证电视图像有足够的清晰度,扫描行数需在600左右；为了保证不产生闪烁感觉，帧扫描频率应在48Hz以上,这样图像信号的频带就会很宽，使设备复杂化.隔行扫描在不增加带宽的前提下，保证有足够的清晰度又避免了闪烁现象。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。每帧图像经过两场扫描,所有像素全部扫完。偶数场扫描线正好嵌在奇数场扫描线的中间，如图2—２（c）所示.我国电视标准规定,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５0Hz，不会有闪烁现象，一帧由两场复合而成，每帧画面仍为625行，图像清晰度没有降低，而频带却压缩了一半。图２—2(a）是行扫描电流波形，图2－2（ｂ)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2－2（c）中奇数场光栅用实线表示，偶数场光栅用虚线表示。奇数场结束时正好扫完第5行的前半行，偶数场一开始扫第5行的后半行,偶数场第一整行（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,形成隔行扫描.由此可见，隔行扫描要将偶数场光栅嵌在奇数场光栅中间,每帧的扫描行数必须是奇数。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）扫描光栅隔行扫描方式特点(１）在隔行扫描方式中，引用了帧频的概念。一帧包括两场。电子束从屏幕最上边一行的始端扫到最下边一行的终端,又返回最上边一行的始端,就完成了一个场扫描周期TV，场频fV=1/TV。帧扫描周期（Tf）:将一帧图像全部扫描完所需时间。逐行扫描方式中，场扫描周期与帧扫描周期相同，而在隔行扫描方式中，Tf＝２TV，帧扫描频率ff=１/Ｔｆ=１／2fV（2)隔行扫描可使帧频下降为场频的一半.同样,行扫描频率也减低到逐行扫描时的一半，结果使信号带宽也减小一半。而每帧画面扫描的总行数是两场扫描行数之和，仍与逐行扫描时相同.隔行扫描既保持了逐行扫描的清晰度,又达到了降低图像信号频带的目的。隔行扫描存在下列缺点:行间闪烁效应从电视图像整体来看，隔行扫描后图像场频保持在50Hz,高于临界闪烁频率，观看时不会感觉到闪烁。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.并行现象并行现象有真实并行和视在并行。在隔行扫描中,要求行、场扫描频率保持一定的关系，否则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,这时图像清晰度会降低一半.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距离时，该物体后一场图像与前一场相同，当观察者的视线随运动物体移动时，看起来是两行并成了一行，图像清晰度下降，这被称为视在并行。选择场扫描频率主要应考虑不能出现光栅闪烁.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因素有关，为了不引起人眼的闪烁感觉，场频应高于48Hｚ。随着屏幕亮度的提高，屏幕尺寸的加大，观看距离的变近,场频应相应提高。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，都会使图像产生一种垂直方向的明暗变化，或呈现为一二条水平暗条.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,眼睛是感觉不出来的；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”。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５0Hz。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５0Hz更高的场频。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，θ为1～１．5′。设Ｚ为每帧扫描行数，h为屏幕高度，则有,代入式(1—2）得.取标准视距L为屏幕高度h的4~6倍，并取θ为1′时，则可算得应该取的扫描行数在860～５７0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。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=5０Hｚ,由于采用隔行扫描，则帧频fZ=２5Ｈz，也就是说,一帧扫描时间TZ＝4０mｓ。当扫描行数选定为Z＝62５后，行扫描时间TH=TZ/Z=4０ms/6２5＝64μｓ,行频fH=ｆＺ×Z＝２5Hz×625=1５625Ｈz。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，其余时间内是复位电平和干扰.为了取出图像信号并消除干扰,就要采用取样保持电路。每个像素信号被取样后,用一电容把信号保持下来，直到取样下一个像素信号。图2-9是相关双取样电路（CDＳ，CorrelatedDoubleＳａmplｉng），图中SHＰ是复位电平取样脉冲，它对复位电平进行取样，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号中有相同的干扰波形，因此将有相同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基本相同，经过差分放大器后，热杂波将被抑制。图2—9相关双取样电路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、场扫描逆程期间形成回扫线.因为摄像机在行、场扫描逆程发出消隐信号令电视接收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12μs，场消隐信号的宽度为25TＨ+１2μs。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2-1０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。图2—10复合消隐信号(ａ)奇数场；（b)偶数场同步信号电视系统中，收、发扫描必须严格同步，即收、发扫描对应的行、场起始和终止位置必须严格一致,否则就会出现画面失真或不稳定现象.电视接收机显像管要正确地重现摄像机摄取的图像,接收机与摄像机的扫描必须同步,即扫描的频率和相位完全相同。摄像机每读出一行图像信号后，送出一个行同步信号，接收机则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结束,下一行的开始.行同步信号的脉冲宽度为4。7μs，行同步脉冲前沿滞后行消隐脉冲前沿1．5μs,如图2-11（a）所示.摄像机每读完一场图像信号后，送出一个场同步信号，接收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结束，下一场的开始.场同步信号的脉冲宽度为2．5ＴH，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2－１1(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TH／2，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2-11行同步信号和复合同步信号（a)行同步信号；（b）复合同步信号如果接收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移动,移动速度取决于接收机与场同步信号场频之差.当接收机的场频为25Hz,即电视信号标准场频的一半时，屏幕上出现上、下两个相同的图像而屏幕中部则是一条水平黑带,是占２5行的场消隐信号.如果接收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；如果接收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恒定亮度原理（1）人眼具有对亮度细节分辨力高、对色度细节分辨力低的特点，在观察图像杂波时，反映为对亮度杂波敏感而对色度杂波不敏感。(2）当用一个亮度信号传送亮度信息时,希望它不受传送色度信息的其它信号的影响，即后者的变化或混进的杂波将不影响亮度信号,也不反映到图像的亮度上.重现图像的亮度就只由传送亮度信息的亮度信号决定，这一原理称为恒定亮度原理。(３）实现这一原理，可使传送的彩色图像具有最佳视觉信杂比。大面积着色原理从人眼对亮度细节和色度细节的分辨力不同出发，彩色电视系统在传送彩色景物时,可以只传送一个粗线条（大面积）的彩色图像，并配以亮度细节。高频混合原理从信号频带来看,为传送代表亮度信息的信号应占有全部视频带宽,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也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。利用这一原理既可以节省频带,又可以减轻传送宽度和色度信息的两种信号因共用频带而产生的相互干扰。亮度信号和色差信号在彩色广播电视系统中传输信号应满足以下要求:(1)为获得兼容性,必须传送一个与黑白电视相同的亮度信号。彩色全电视信号应保持与黑白电视信号相同的频带宽度。（2）需要传送两个代表色度的信号，根据恒定亮度原理,它们不应含有亮度信息，同时根据高频混合原理,色度信号可以采用窄带传输.(3)在传输黑白图像时，三个基色信号相等，即R＝G=Ｂ，根据这一条件，这时两个代表色度的信号应当等于零。(4）代表色度的两个信号是互相独立的.(5）三个基色信号与三个传