电视传像基本原理

电视传像基本原理第1页，共60页，2023年，2月20日，星期一

根据人眼对细节分辨力有限的视觉特性，可以把一幅平面图像通过空间采样离散化成许多小单元，这些细小单元具有单一的亮度和色度，称为像素（pixel）。像素越小，单位面积上的像素数目越多，图像就越清晰。根据人眼的视觉惰性可以通过时间采样把连续的景物分解成一幅幅时间不连续的画面，只要画面的显示频率高于临界闪烁频率，就可以获得连续活动图像的感觉。第2页，共60页，2023年，2月20日，星期一

通过空间采样和时间采样，每一个平面活动基色图像都可以表示成空间坐标m、n和时间k的三维离散函数:

fR(m,n,k); fG(m,n,k); fB(m,n,k)对于黑白电视，平面活动亮度图像可表示为：fL(m,n,k)通过电视图像离散化压缩了需要传送的信息量，但是如何传送三维活动电视图像？2.图像的顺序传送

若把不同位置上的像素同时转变成相应的电信号，分别用相应信道同时并行传送出去，至少需要40万个信道，不经济，也不可能。利用人眼的视觉惰性，采用顺序传送方法，将各个像素的光信号按一定的顺序变成电信号在一个信道内传输，接收端再按同样的顺序将电信号变成光信号，只要速度足够快，人眼感觉图像就是完整和连续的。第3页，共60页，2023年，2月20日，星期一顺序传送示意图对比:同时传送示意图第4页，共60页，2023年，2月20日，星期一3.扫描将光图像转换成顺序传送的电信号的过程及其逆过程称为扫描。fL(m,n,k

)三维图像信号f(t)一维电视信号扫描

行扫描————正程：从左到右水平扫描扫描逆程：快速从右端返回左端场扫描———正程：从上到下垂直扫描逆程：快速从下端返回上端

在时间上每帧图像周期重复上述扫描第5页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.1.2光-电/电-光转换原理发端：通过摄像机实现光（三维图像）——电（一维信号）转换收端：通过显像管或显示屏实现电（一维信号）——光（三维图像）转换1.摄像CCD摄像机，CCD（ChargeCoupleDevice）：电荷耦合器件

MOS（MetalOxideSemiconductor）：金属氧化物半导体CMOS摄像机，CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor):互补金属氧化物半导体彩色电视传送示意图第6页，共60页，2023年，2月20日，星期一读出移位寄存器（遮光）图像信号感光单元存贮转移区光敏成像区转移移位寄存器（遮光）

帧转移CCD摄像机三相CCD电荷转移（参见5.2.3节）第7页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.显像

阴极射线管（CathodeRayTube—CRT)工作原理

由电子枪阴极发出电子束，在偏转磁场作用下，按照与摄像管相同的扫描规律，在高压阳极的吸引下轰击荧光屏。电视信号加到显像管的栅极，控制电子束的能量，从而控制荧光粉的发光亮度，使荧光屏正确重现发端图像。

（1）空间混色方式第8页，共60页，2023年，2月20日，星期一荫罩式彩色显像管

三枪三束显像管RGB点阵单枪三束自会聚显像管RGB点阵（参见6.4.5节）品字形排列一字形排列第9页，共60页，2023年，2月20日，星期一新型显示器：平板显示器(FPD-FlatPanelDisplay)参见6.9节液晶显示器：LCD(LiquidCrystalDisplay)扭曲向列型LCD原理薄膜晶体管（TFT）矩阵驱动电极信号电压扫描电压衬底红绿蓝滤色膜液晶阀基片冷阴极荧光灯亮状态暗状态第10页，共60页，2023年，2月20日，星期一等离子体显示屏PDP(PlasmaDisplayPanel)惰性气体辉光放电红绿蓝荧光粉表面放电式ACPDP单元表面放电式彩色ACPDP结构维持电极（脉数调制）第11页，共60页，2023年，2月20日，星期一

2.同时投影混色方式：参见6.10节CRT背投

光源信息源合一第12页，共60页，2023年，2月20日，星期一LCOS硅基板液晶(LiquidCrystalOnSilicon)光源信息源分离PBS-极化分光镜：反射S偏振光，投射P偏振光第13页，共60页，2023年，2月20日，星期一DLP数字光处理器(DigitalLightProcessing)光源信息源分离像素单独控制DMDDigitalMicromirrorDevice数字微镜器件根据显示的数据信息控制微镜在一帧内开关的时间间隔TIR棱镜—全反射棱镜（高速旋转）第14页，共60页，2023年，2月20日，星期一逐行扫描电流波形：（a）行扫描锯齿波电流（b）帧扫描锯齿波电流

§2.2电视扫描原理以CRT显像管为例，通过行（水平）扫描和帧（垂直）扫描共同形成矩形扫描光栅：2.2.1逐行扫描第15页，共60页，2023年，2月20日，星期一逐行扫描光栅a.只有行扫描时b.只有场扫描时

c.帧正程扫描d.帧逆程扫描e.消去行帧逆程后的扫描光栅逐行扫描动画第16页，共60页，2023年，2月20日，星期一行扫描基本参数行正程扫描时间:，行逆程扫描时间:行扫描周期：，行扫描频率：帧扫描基本参数帧正程扫描时间:，帧逆程扫描时间:帧扫描周期：，帧扫描频率：正程扫描时间占整个扫描周期的大部分：行扫描逆程系数：，一般18％帧扫描逆程系数：，一般8％每帧的光栅互相重叠，设每帧扫描行数为Z，则：第17页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.2.2隔行扫描1.隔行扫描的提出我国标准为625行/帧（按帧正程600行计算），帧频50Hz，每行有800个像素(按400个正弦波周期计算)，采用逐行扫描方式，要求电视信号带宽为：对电子线路系统和频率资源都提出很高的要求。希望使电视信号带宽减半。一种方法是帧频减半，会引起电视画面的大面积闪烁；另一种方法是每帧扫描行数减半，会引起垂直分解力降低，图像清晰度下降。这两种方法都不可取。根据人眼的视觉特性，一帧图像分两场扫描，一场扫描奇数行，另一场扫描偶数行，两场合为一帧，即采用隔行扫描方式。此时：活动图像25帧/秒=50场/秒>临界闪烁频率=48Hz每场扫描行数：312.5行，每帧扫描行数：625行,理论垂直分解力不变。由于帧频减半，电视信号带宽减半：Δf=6MHz

即在不引起大面积闪烁同时垂直分解力基本不变的情况下，比逐行扫描方式节省一半信号带宽。第18页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.隔行扫描光栅的形成

奇数行扫描（奇数场）偶数行扫描（偶数场）两场均匀镶嵌形成一帧图像隔行扫描应满足的基本要求每帧起点相同，各帧扫描光栅重叠。要求：每帧必须为整数行；相邻奇偶两场光栅均匀镶嵌，各场扫描波形一样，要求：每场为整数行加半行，即每帧必须为奇数行，Z=2n+1

行频与场频关系：第19页，共60页，2023年，2月20日，星期一隔行扫描光栅忽略行场扫描逆程的隔行扫描光栅示意图第20页，共60页，2023年，2月20日，星期一

我国模拟电视扫描标准：隔行扫描，每帧625行，每帧两场，每场312.5行帧频：，场频：场周期：(，)行频：行周期：(，)

3.隔行扫描的缺点

行间闪烁效应

每行按帧频25Hz出现，低于临界闪烁频率，观看比较亮的细节，会感觉行间闪烁。并行现象

a.真实并行:行逆程以及扫描非线性等因素使奇偶场光栅不能均匀镶嵌。b.视在并行:若图像中的运动物体在垂直方向有足够大的速度分量，例如每场刚好下移一行，则后一场物体图像与前一场相同，看起来好象两行变成一行。视在垂直分解力：是逐行扫描垂直分解力的倍（隔行因子）。高速水平运动物体出现垂直边缘的“锯齿化”现象。第21页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.2.3扫描的同步1.同步扫描为了正确重现图像，发送端和接收端的扫描必须严格保持步调一致，即同频同相。

行不同频：行频略高

行频略低

原图像

场不同频：场频略高（图像向下移动）；场频略低（图像向上移动）行、场不同相：待传送图像收、发端扫描相差半行收、发端扫描相差半场第22页，共60页，2023年，2月20日，星期一

为了实现同步扫描，电视发送端每扫描完一行加入一个行同步脉冲；每扫描完一场加入一个场同步脉冲。行同步脉冲和场同步脉冲组合成复合同步脉冲：行同步场同步312.5行2.5行4.7μs2.消隐：扫描逆程期间信号电平为黑电平，使电子束截止，屏幕为黑色，起到消隐逆程光栅痕迹的作用。行消隐脉冲：脉宽12μs，场消隐脉冲：脉宽1.6ms（25行），二者组成复合消隐脉冲：场消隐1600μs(25行)12μs黑电平行消隐负极性电视信号第23页，共60页，2023年，2月20日，星期一复合同步脉冲仅起控制同步作用，不应在屏幕上显示出来，故叠加在复合消隐脉冲之上。

4.7μs1.6μs5.7μs行同步脉冲和行消隐脉冲的时间关系同步电平100%黑电平70%12μs前肩后肩160μs(2.5TH)

160μs(2.5TH)

1600μs(25TH)场同步脉冲和场消隐脉冲的时间关系用幅度分离方法实现复合同步脉冲与图像信号分离。复合同步信号演示第24页，共60页，2023年，2月20日，星期一用微分与积分方法实现行同步脉冲与场同步脉冲分离。

行同步分离：微分电路（T为行同步脉宽4.7μs）入出AB

开槽：为避免行同步失落而造成行不同步，在场消隐期间仍需传输行同步，在场同步期间，需要对应每行的位置开一个宽为4.7μs的槽。

3.为便于行场同步分离所采取的措施第25页，共60页，2023年，2月20日，星期一

场同步分离：积分电路出入AC触发电平分离的场同步脉冲开槽的复合同步第26页，共60页，2023年，2月20日，星期一问题：由于一场中最后一个行同步到达奇数场和偶数场场同步前沿的时间不同，造成积分电容上的起始电压不等，使奇偶相邻两场的积分波形不同，另外，奇、偶场开槽的位置不同也使积分波形不同，造成奇、偶场积分波形到达同一触发电平的时刻不同（相差Δt），使相邻两场扫描的起始位置不同，影响隔行扫描的准确性。积分输出波形演示

第27页，共60页，2023年，2月20日，星期一措施：加均衡脉冲、槽脉冲，使相邻两场的复合同步信号通过积分后波形一致。在场同步期间每半行加一个槽脉冲。在奇偶相邻两场场同步信号的前后2.5行每隔半行加一个均衡脉冲，为使每半行加一个脉冲后积分电容上的电压不增加，要把脉冲宽度减半，即4.7μs的一半为：2.35μs。

前5个脉冲为前均衡脉冲

后5个脉冲为后均衡脉冲

第28页，共60页，2023年，2月20日，星期一第29页，共60页，2023年，2月20日，星期一黑白全电视信号

黑白全电视信号第30页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.3.1图像的几何特征幅型比屏幕尺寸标清电视4：3<34in.高清电视16：9>34in.垂直视角水平视角θV=15°θH=20°θV=17°θH=30°§2.3电视图像的基本参量第31页，共60页，2023年，2月20日，星期一几何失真非线性畸变

行、场扫描非线性系数：要求非线性失真系数β＜10%第32页，共60页，2023年，2月20日，星期一枕型畸变桶型畸变QΔQGΔG要求几何畸变系数D<3%几何畸变系数：

几何畸变第33页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.3.2图像的连续性与场频的确定为不使人眼产生闪烁感，要求场频≥48Hz,（50,60,100,120Hz）2.3.3扫描行数及有关参数的确定图像清晰度：主观感觉到的图像细节呈现的清晰程度电视系统分解力：电视系统传送图像细节的能力电视系统分解力越强，可能的图像清晰度就越高标称分解力：用扫描行数表征的电视系统分解力（单位：线）标称分解力包括：垂直分解力和水平分解力垂直分解力：系统沿图像垂直方向所能分解的像素数有效扫描行数：Z（1－β），β:场逆程系数，Z:每帧行数考虑到被摄景物与摄像感光单元的垂直相对位置存在各种随机关系，垂直分解力:第34页，共60页，2023年，2月20日，星期一实际图像扫描重现图像取垂直分解力：：凯尔系数水平分解力：与垂直分解力相匹配，设K为幅型比，则扫描行数的确定：扫描行数↑图像清晰度↑图像信号带宽↑原则：适应人眼的空间分辨力：标清电视取Z=625，高清电视取Z>1000

垂直分解力演示

第35页，共60页，2023年，2月20日，星期一图像信号的最高频率（频带宽度）水平方向所能分解的像素数:

N＝KM＝KKe(1－β)Z

沿水平方向扫过一个像素所需时间为：图像信号的最高频率为：电视图像的最高频率对应水平方向周期为的正弦波

逐行扫描隔行扫描按我国电视标准计算：K=4/3，fV=50Hz,Z=625,α=18%,β=8%,Ke=0.76，则：fmax=5.6MHz，取fmax=6MHz第36页，共60页，2023年，2月20日，星期一图像的亮度层次视亮度的对比度灵敏度阈值：设：则：对比度：人眼能分辨的亮度层次：

人眼能分辨的亮度层次与图像对比度的对数成正比例:

当ξ=0.05，C=40时，N=742.3.4图像亮度与色度的非线性矢真第37页，共60页，2023年，2月20日，星期一亮度的非线性失真显像管电光转换特性：栅压系统的非线性对亮度层次的影响：γ>1：暗区域对比度减小—亮度层次减少；亮区域对比度增加—亮度层次增加；总对比度增加—总亮度层次增加。γ<1：暗区域对比度增加—亮度层次增加；亮区域对比度减少—亮度层次减少；总对比度减少—总亮度层次减少。第38页，共60页，2023年，2月20日，星期一被摄彩色为100%饱和度的基色：例如红色，R0≠0,G0=B0=0被摄彩色——色调：饱和度：重现彩色——色调：

饱和度：被摄彩色为100%饱和度的补色：例如黄色，B0=0,R0=G0被摄彩色——色调：饱和度：彩色的非线性失真系统非线性系数为γ，显示三刺激值与摄像三刺激值的关系：第39页，共60页，2023年，2月20日，星期一重现彩色——色调：

饱和度：被摄彩色为白光CW：R0=G0=B0

被摄彩色——色调：

饱和度：重现彩色——色调：

饱和度：以上三种情况都是色度不变。第40页，共60页，2023年，2月20日，星期一

被摄彩色为100%饱和度的其他彩色：设R0

>

G0，B0=0

被摄彩色——色调：

饱和度：重现彩色——色调：

饱和度：饱和度不变色调偏向大者（红）色调偏向小者（绿）第41页，共60页，2023年，2月20日，星期一

被摄彩色为非100%饱和度的彩色：R0

、

G0、B0均不为零，不全相等，设B0最小

被摄彩色——色调：

饱和度：重现彩色——色调：被摄彩色F可看作色调色Fh与白色Cw混合而成，根据前面的分析，在重现彩色中，Cw的色度不变，F的色调变化与Fh的变化一致，即当γ>1时，色调偏向大者，反之偏向小者。

饱和度：饱和度增大饱和度减小第42页，共60页，2023年，2月20日，星期一结论：三基色、三补色和C白的色度不受传输系统非线性系数γ的影响，重现彩色在色三角形中的坐标位置不变。其它各种彩色经γ＞1时的系统传输后，色度坐标将向三角形的三边或顶点方向移动；而γ＜1时，移动方向恰好相反，即向三角形中心或三边中心靠近。图中箭头是γ＞1的情况，γ<1时箭头方向相反。白第43页，共60页，2023年，2月20日，星期一γ校正电视系统的非线性会引起显示图像的亮度和色度失真，因此校正电视系统的非线性失真是必要的。γ校正：为校正由电视接收端电光转换特性所产生的非线性失真，在发送端所采取的预失真措施称为γ校正。

显像端γ失真（电光转换非线性系数γ=2~3

）：

摄像端γ校正：系统校正后的特性（线性）：第44页，共60页，2023年，2月20日，星期一§2.4视频图像信号视频图像信号：经扫描和光电转换过程由光像转变成的电信号，再经校正和线性组合等过程而形成的视频信号。2.4.1黑白视频信号黑白视频信号波形图像亮度信号—单极性两种极性：正极性：图像亮度↑，信号电平↑负极性：图像亮度↑，信号电平↓图像亮度信号+复合消隐信号+复合同步信号→黑白视频信号负极性黑白视频信号（以灰度条为例）第45页，共60页，2023年，2月20日，星期一位于行频fH及其谐波nfH上的线状谱（主谱线），6MHz带宽最高谐波次数n=384，统计而言，n越大，幅度越小。ΩH：行频角频率,Cn：复振幅设只考虑正频率：黑白视频信号频谱只在水平方向有亮度变化的静止图像：以行频重复的周期信号第46页，共60页，2023年，2月20日，星期一位于nfH±mfF上的线状谱，在nfH主谱线两旁存在着帧频及其谐波组成的副谱线，幅度随m增大很快衰减（几十对），垂直方向相关性较强，帧频奇数倍成份相对较小。在垂直方向也有亮度变化的静止图像：以行频和帧频重复的周期信号第47页，共60页，2023年，2月20日，星期一对于运动图像，增加了帧频副谱线两侧的连续频谱。结论：黑白视频信号的频谱由在0～6MHz范围内以行频及其各次谐波为中心的谱线群组成。谱线群间存在着较大的空隙，可以在不扩展频带的情况下插入彩色信号。运动图像信号的频谱第48页，共60页，2023年，2月20日，星期一

2.4.2亮度信号、色差信号及其组成原理彩色电视系统的传输信号并非三个基色信号，而是经转换的一组传输信号：一个亮度信号Y，两个代表色度的信号—色差信号(R-Y)和(B-Y)。亮度方程：Y=0.30R+0.59G+0.11B

R-Y=R-（0.30R+0.59G+0.11B）=0.70R-0.59G-0.11BB-Y=B-（0.30R+0.59G+0.11B）=-0.30R-0.59G+0.89B在接收端先用矩阵电路解出(G-Y)，再恢复出基色信号：

【因为Y=0.30Y+0.59Y+0.11Y，

0.30（R-Y）+0.59（G-Y）+0.11（B-Y）=0】(R-Y)+Y=R

，(G-Y)+Y=G

，(B-Y)+Y=B

第49页，共60页，2023年，2月20日，星期一

三基色信号转换成亮度和色差信号传送的优点：由于传送了一个与黑白电视相同的亮度信号，因此具有兼容性和逆兼容性；实现恒定亮度传输，使彩色图像具有较高的信噪比。恒定亮度原理：色差信号中只含有色度信息不含有亮度信息，其变化不影响亮度信号，重现图像的亮度只由亮度信号决定。设γ=1，摄像端原景物亮度为Y0，传输后的亮度信号和色差信号

为Yt、(R-Y)t、(B-Y)

t（相对于发端而言，幅度有所变化）；用于重现彩色图像的三基色信号：

Rd

=(R-Y)t+Yt，Bd=(B-Y)t+Yt，Gd

=[-0.51(R-Y)t-0.19(B-Y)t]+Yt显示的亮度Yd为Yd=0.30Rd+0.59Gd+0.11Bd=0.30[(R-Y)t+Yt

]+0.59{[-0.51(R-Y)t-0.19(B-Y)t

]+Yt}+0.11[(B-Y)t

+Yt]=Yt

重现的亮度Yd只与传送到接收端的亮度信号Yt有关，色差信号变化或受到干扰，不影响亮度。第50页，共60页，2023年，2月20日，星期一便于高频混合，既可节省频带，又可减轻亮、色信号的相互干扰。高频混合原理：从人眼对亮度细节和色度细节的分辨力不同出发，亮度信号用全部视频带宽传送，色差信号用较窄带宽传送。接收端恢复的三个基色信号的低频部分是亮度和色差信号共同传送的，高频部分都用同一个亮度信号的高频部分补充。我国电视标准：色度信号带宽：0～1.3MHz

亮度信号带宽：0～6MHz色度信号在亮度信号的频谱空隙传输，相加后总的彩色视频信号带宽仍为：0～6MHz，提高了频带利用率。接收端：(R-Y)0~1.3+Y0~6=R0~1.3+Y1.3~6

(G-Y)0~1.3+Y

0~6=G0~1.3+Y1.3~6大面积着色(B-Y)0~1.3+Y

0~6=B0~1.3+Y1.3~6第51页，共60页，2023年，2月20日，星期一标准彩条

标准彩条红基色

标准彩条绿基色

标准彩条蓝基色

100-0-100-0彩条三基色信号：白黄青绿紫红蓝黑R11001100G11110000B101010102.4.3标准彩条信号第52页，共60页，2023年，2月20日，星期一

白黄青绿品红蓝黑

B-YG-Y第53页，共60页，2023年，2月20日，星期一彩条四数码表示法(EBU彩条)：如:100-0-100-0彩条

100-0-75-0彩条第一、第二表示组成白条和黑条的R、G、B的最大值(%)和最小值(%)；第三、第四表示组成彩色条的R、G、B的最大值(%)和最小值(%)；例如：100-0-75-0标准彩条三基色信号电压波形第54页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.5.1电视信号数字处理的优点抗干扰、抗非线性失真能力强。便于存贮。便于实现包括时间轴的三维数字处理，实现模拟电视不能实现的功能。可大规模集成，易于调整，体积小，寿命长。便于与其他数字设备接口。§2.5视频图像信号的数字化2.5.2数字电视信号的产生和复原A/D转换器D/A转换器数字处理器模拟信号输入模拟信号输出电视信号数字处理简要框图编码器解码器第55页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.5.3分量编码分别对彩色电视信号的三个分量Y、(R-Y)、(B-Y)进行数字化编码称为分量编码。采样频率遵循采样定理（525行系统带宽4.2MHz，625行系统带宽5.6MHz）,采样频率大于系统带宽的两倍；具有正交结构，即第二行采样点在第一行正下方，采样频率应为行频的整数倍。ITU-R

BT.601（电视演播室分量编码国际标准）规定： 对于标准清晰度电视，亮度信号采样频率13.5MHz

色度信号采样频率6.75MHz第56页，共60页，2023年，2月20日，星期一采样结构（正交结构，空间同位）4:2:2标准的采样结构4:2:0标准的采样结构代表亮度样点，代表色度样点4:2:2标准:

Y/(R-Y)/(B-